GNSS非差非组合数据处理与PPP-RTK高精度定位

本文首先回顾了GNSS差分和组合数据处理的起源、特点和应用,并阐述了其在多频多模背景下的局限。然后,引出了非差非组合数据处理的诸多优势,介绍了构建满秩非差非组合函数模型的消秩亏方法。基于该方法,本文系统构建了系列非差非组合PPP-RTK模型,包括伪距加相位和仅用相位两大类。两类模型均考虑不同的大气约束而衍生出电离层加权、浮点和固定3种变体,且所有模型均顾及码分多址和频分多址两类系统。最后,本文测试分析了非差非组合PPP-RTK在无人船、无人机和农机应用中的动态定位性能。试验结果表明,3个场景下的模糊度首次固定时间均在10 s以内,模糊度固定成功率在96%以上,水平定位精度优于2 cm,高程定位精度优于5 cm。在Galileo+GPS+BDS三系统农机定位中,仅用相位PPP-RTK与伪距加相位PPP-RTK定位性能相当。与Galileo+GPS双系统定位相比,三系统PPP-RTK将模糊度首次固定时间从几百秒缩短至几秒,模糊度固定成功率从85%左右提升至99%以上,定位精度提升了30%左右。     

基于非差非组合PPP-RTK的大气改正模型及其性能验证

高精度的大气改正是加快PPP-RTK收敛的重要前提。本文以区域跟踪网台站数据为基础,基于非差非组合PPP提取斜路径电离层和天顶对流层延迟,作为PPP-RTK大气建模的数据源。电离层延迟采用基于斜路径星间单差的改正模型,对流层采用非差天顶对流层模型,设计了相关的服务端和用户端软件系统。在系统设计上,通过服务端提取数据构建大气模型并播发,用户端接收参数并用于实时PPP-RTK定位。对上海区域进行服务端和用户端的试验,服务端计算的参数表明：GPS、GALILEO、BDS系统的电离层、对流层模型内符合精度为6~7 mm。用户端的646组PPP-RTK伪动态试验表明：水平方向30 s内收敛的占比为89.16%、1 min内收敛的占比为91.80%、2 min内收敛的占比为95.98%;三维方向收敛结果中,上述收敛时间尺度分别占总数的86.22%、88.70%和93.34%。附加大气约束后,模糊度固定率为95.59%,收敛后水平方向和三维方向定位RMSE分别为2.35和4.63 cm。实时动态试验表明,PPP首次固定时间为36 s,水平和三维定位精度分别达到了1.13和3.21 cm。     

基于整数钟的PPP非差模糊度固定方法

非差模糊度固定能够有效提高精密单点定位(PPP)的定位精度和收敛速度,是国内外卫星导航定位领域的研究热点。基于整数钟实现了PPP非差模糊度固定,在非差模糊度逐级固定中分别估计接收机宽巷偏差和窄巷偏差;对宽巷和窄巷模糊度进行改正,从而消除了接收机硬件延迟对模糊度的影响;同时采用取整成功率检验和ratio值检验,保证模糊度固定的可靠性。将以上方法应用到动态精密单点定位中,实验结果表明:仿动态条件下,模糊度正确固定后,东、北向定位精度达到mm级、天向定位精度优于5 cm;动态解算条件下,采用1 s采样间隔数据16 min左右即可实现模糊度的首次固定。PPP固定解在东、北、天3个方向的定位精度分别为1.5、2.7和1.3 cm,相比于浮点解分别提升了61%、40%和38%。     

CDMA+FDMA非差非组合区域PPP-RTKEI北大核心CSCD

为顺应多频多模发展趋势,PPP-RTK技术正逐步由传统的消电离层组合数据处理模式发展为非差非组合模式。现有非差非组合PPP-RTK研究多针对码分多址(CDMA)系统,而频分多址(FDMA)PPP-RTK受频率间偏差的影响难以实现。本文针对区域参考网,提出了一种CDMA+FDMA多系统非差非组合PPP-RTK模型,该模型能灵活处理多频多模两类信号体制的数据。为了实现FDMA PPP-RTK,本文利用整数可估理论保证了模糊度固定的严密性,该FDMA PPP-RTK模型适用于同款接收机的参考网。本文采集了香港地区连续运行参考网的GPS、BDS、Galileo、GLONASS数据进行试验,数据采样率为30 s。服务端结果表明,由于各产品之间高度相关,对组合产品进行精度评估是有必要的。组合卫星钟差、卫星相位偏差和电离层产品后,精度达到毫米级,满足用户精密改正的要求。用户端仿动态定位结果表明,GPS、BDS和Galileo单系统PPP-RTK分别在5、1和3 min实现了模糊度首次固定,定位误差收敛至厘米级。GLONASS组合GPS实现了首历元模糊度固定,定位精度比GPS单系统提升了9%、12%、14%(东、北、天3个方向)。BDS组合GPS同样能实现首历元模糊度固定,定位精度比GPS单系统提升了29%、22%、18%,额外加入Galileo观测值,定位精度进一步提升了12%、8%、16%。再加入GLONASS观测值,定位精度仍有小幅提升(4%、3%、8%)。     

GNSS非组合PPP部分模糊度固定方法与结果分析

在精密单点定位(precise point positioning,PPP)技术中,模糊度固定错误将导致严重的定位偏差,为保证PPP模糊度实现更可靠的固定,需对模糊度子集的选取方式进行优化。提出了一种将质量控制与施密特正交化相结合的PPP部分模糊度固定方法。在全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）多系统融合条件下, 选取多模GNSS实验数据,在非差非组合PPP模型中对比分析施密特正交化方法与高度角选星方法,并进行模糊度固定及定位性能验证。结果表明,施密特正交化方法相比高度角选星方法,各天与各站平均历元固定率在静态模式下分别提高了7.74%与11.46%,在仿动态模式下分别提高了7.90%与7.78%;各天与各站的首次固定时间在静态模式下分别提高了22.30%与25.42%,在仿动态模式下分别提高了20.44%与19.65%。在PPP模糊度固定和定位精度方面,多系统融合相比单BDS(BeiDou navigation satellite system)提升效果明显,在95%分位数条件下,水平和高程方向收敛时间分别平均减少20.00 min和19.00 min,水平和高程方向定位精度分别平均改善了1.50 cm和1.12 cm。在非差非组合PPP模型中,采用施密特正交化PPP部分模糊度固定方法可以显著提升模糊度固定性能,改善定位精度。     

GPS/Galileo精密单点定位模糊度解算与实验分析

针对提高多频模糊度固定解的GNSS精密单点定位的可靠性与稳定性的问题,该文基于实时非组合相位偏差产品,对三频非差非组合GPS/Galileo PPP的浮点解、固定解模型进行深入研究,并设计了3种定位策略,选取了17个MGEX跟踪站7d的实测数据,分析了三频非差模糊度固定解对静态、仿动态PPP定位精度与滤波收敛时间的影响。结果表明,滤波收敛后,与浮点解策略相比较,固定三频模糊度对高程、水平方向定位精度均有提高,在静态定位模式中提升幅度分别约为20.45%和37.50%,在仿动态定位模式中提升幅度分别约为22.41%和33.33%。在滤波收敛时间方面,相较于浮点解策略的收敛时间,静态与仿动态定位中模糊度固定策略的收敛时间分别提升了约12.57%和6.41%。     

非差FCB估计及其在PPP模糊度固定中的应用

模糊度固定能够显著提高精密单点定位(PPP)的精度和收敛速度,是国内外卫星导航定位领域的研究热点．本文通过最小二乘法分离接收机端和卫星端小数周偏差(FCB),恢复非差模糊度的整数特性,将得到的卫星端FCB提供给用户,能够实现非差模糊度固定的PPP．采用全球IGS跟踪站的观测数据进行非差FCB解算,实验结果表明,宽巷FCB的稳定性较好,一周内变化小于0.1周,而窄巷FCB一天内变化较大．将获得的FCB用于模糊度固定PPP实验,E、N、U三个方向的定位精度分别为0.7 cm、0.8 cm和2.1 cm,与浮点解PPP相比,分别提高68％、51％和37％,验证了本文估计的FCB用于模糊度固定PPP的定位性能      

非差模糊度固定北斗三号实时滤波精密定轨

模糊度固定是全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）高精度数据处理的关键。不同于传统的双差模糊度固定,非差模糊度固定无需构建双差模糊度,更为简单高效。将非差模糊度固定引入北斗三号全球卫星导航系统(BeiDou-3 global navigation satellite system,BDS-3)中地球轨道卫星实时滤波定轨,分析非差模糊度固定对实时滤波轨道收敛速度及精度的影响。利用国际GNSS服务组织全球测站网观测数据进行实时滤波精密定轨实验,以德国地学研究中心的事后快速轨道为参考评定精度。结果表明：非差模糊度固定对收敛速度影响很小,但可以有效提升轨道切向、法向精度;相比浮点解轨道,固定解轨道径向、切向、法向精度分别提高1.0%、18.5%、19.5%,误差均方根分别达到6.0、7.4、6.2 cm;受切向、法向影响,中国空间技术研究院类型卫星轨道精度优于上海微小卫星工程中心类型卫星轨道;顾及窄巷固定率与轨道精度的相关性,窄巷固定率可以作为实时轨道质量的重要指标之一。实时滤波轨道精度的进一步提升有赖于BDS-3数据处理模型的持续精...     

非差观测模型的北斗系统实时动态定位算法

为了提高BDS实时动态定位(RTK)的解算精度,文章研究一种基于非差观测模型的BDS单参考站RTK算法和非差改正数的计算方法,提出一种统一的精密定位数学模型,利用参考站的非差误差改正数以单颗卫星为对象进行误差改正:固定非差宽巷整周模糊度,并固定非差整周模糊度。实验结果表明,利用非差观测模型可实现BDS单参考站RTK定位,并获得厘米级的定位精度。     

BDS-3 PPP-B2b精密轨道辅助非差非组合PPP-RTK

BDS-3通过其高轨道卫星的B2b信号向亚太地区用户免费提供了标准精密单点定位服务,但PPP近半小时的收敛时间和分米级的实时定位精度不利于其后续应用推广。因此,本文提出了融合PPP-B2b精密卫星轨道产品与区域稀疏参考站观测数据的增强定位方法,即基于PPP-B2b的非差非组合精密单点实时动态定位技术,并采用站间单差电离层伪观测值对其进行约束,以实现电离层延迟等参数的严密估计。此外,本文还重点设计了区域电离层斜延迟及其精度信息的单星实时建模方案,有效压缩播发数据量的同时提高了PPP-RTK的应用性能。在此基础上,利用京津区域参考网对上述方法进行了近实时验证。结果表明：本文方法提供的电离层斜延迟修正精度可达2.2 cm(BDS-3)/2.4 cm(GPS);超95%BDS-3+GPS定位样本的绝对误差可在2 s内收敛到水平2 cm与垂直5 cm,而且定位误差收敛后可实现水平毫米级与垂直厘米级的定位精度。     

广域实时精密定位与时间服务系统

广域实时精密定位与时间服务已成为GNSS应用领域研究热点,目前国内外学者围绕其模型算法已展开大量的研究。本文重点论述广域实时精密定位与时间服务数据的处理方法和服务系统,给出了基于不同基准约束的卫星钟差解算数学模型,提出通过引入外接原子钟测站、标准时间源(UTC/BDT)等不同时间基准,构建卫星拟稳基准、外接原子钟跟踪站拟稳基准及标准时间源等约束下的钟差解算模型,分析了时间基准对精密单点定位和精密单点授时的影响。本文采用实时卫星轨道、钟差、相位偏差、电离层延迟等服务产品及跟踪站实时数据,验证了系统产品可靠性及终端定位与时间服务性能。实测结果表明:GPS轨道径向精度1.8 cm,钟差STD精度约0.05 ns;BDS-3轨道径向精度6.7 cm,钟差STD精度优于0.1 ns;GPS和BDS-2电离层改正精度分别为0.74 TECU与1.03 TECU。基于该产品实现了用户端PPP、PPP-RTK及PPT、PPT-RTK服务,满足了用户实时厘米级定位和优于0.5 ns的单站时间传递服务,当采用GPS+BDS-2 PPP-RTK解算时,平面收敛至5 cm约需要12 min。     

GPS/BDS/Galileo三频精密单点定位模型及性能分析

在精细考虑伪距和载波相位硬件偏差时变特性的基础上,导出了更为严谨的非差非组合观测方程,并给出了非组合模式下两类GNSS偏差的数学表达形式.基于此,本文详细研究了3种常用的三频精密单点定位(PPP),即无电离层两两组合IF1213、单个无电离层组合IF123与非组合UC123函数模型的独立参数化方法,系统分析了3种PPP...     

BDS/Galileo四频精密单点定位模型性能分析与比较

北斗卫星导航系统和Galileo卫星系统都可以提供4个频率信号上的服务。本文通过与双频无电离层模型（DF）比较,评估分析了4种BDS/Galileo四频PPP模型性能,即四频无电离层双组合模型（QF1）、四频无电离层组合模型（QF2）、四频非差非组合模型（QF3）和附加电离层约束四频非差非组合模型（QF4）,同时通过等价性原则理论上证明了QF1、QF2、QF3模型的等价性。此外,用1个月参考站的静态数据和1组动态数据分析了四频静态,仿动态和动态PPP性能。试验结果表明,BDS-3 B1C和B2a新频点伪距噪声要略大于B1I和B3I信号,Galileo卫星4个频率上的伪距噪声相差并不明显。对于静态和仿动态PPP模型,QF1、QF2和QF3模型定位性能基本上一致。通过附加外部电离层约束,四频PPP模型性能受到影响,BDS（BDS-2+BDS-3）静态QF4模型相比于QF1、QF2和QF3模型平均收敛时间分别减少了4.4%、4.4%和5.4%,Galileo静态Q4模型平均收敛时间相比于Q3模型增加了16.8 min。对于动态PPP,四频PPP模型相比于双频PPP性能得到提升显著,相比于QF1模型,BDS和Galileo单系统QF4模型三维定位精度分别提高了11.4%和31.4%。BDS/Galileo双系统PPP性能要优于单系统PPP。     

GBM快速轨道产品及非差模糊度固定对其精度的改进

GNSS是实时定位导航最重要的方法,精密卫星轨道钟差产品是GNSS高精度服务的前提。国际GNSS服务中心(IGS)及其分析中心长期致力于GNSS数据处理的研究及高精度轨道和钟差产品的提供。GFZ作为分析中心之一,提供GBM多系统快速产品。本文基于2015—2021年GBM提供的精密轨道产品,阐述了数据处理策略,分析了轨道的精度,介绍了非差模糊度固定的原理和对精密定轨的影响。结果表明:GBM快速产品中的GPS轨道精度与IGS后处理精密轨道相比的精度约为11~13 mm,轨道6 h预报精度约为6 cm;GLONASS预报精度约为12 cm,Galileo在该时期的精度均值为10 cm,但是在2016年底以后精度提升到5 cm左右;北斗系统的中轨卫星(medium earth orbit,MEO)在2020年以后预报精度约为10 cm;北斗的静止轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)卫星和QZSS卫星的预报精度在米级;卫星激光测距检核表明,Galileo、GLONASS、BDS-3 MEO卫星轨道精度分别为23、41、47 mm;此外,采用150 d观测值的试验结果表明,采用非差模糊度固定能显著改善MEO卫星轨道精度,对GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2和BDS-3的MEO卫星的6 h时预报精度改善率分别为9%~15%、15%~18%、11%~13%、6%~17%和14%~25%。     

GNSS实时周跳修复算法与精密单点定位测试分析

全球卫星导航系统(GNSS)能够为用户提供定位、导航和授时(PNT)服务,被广泛应用于国防安全保障和国民经济建设中. 实时精密单点定位(RT-PPP)是一种高精度卫星导航定位方法,针对信号中断导致的重新初始化时间长的问题,提出一种基于历元间差分伪距和载波相位观测量的周跳修复算法,设计了一种RT-PPP算法,并介绍其实现流程. 采用国际GNSS服务(IGS)观测站数据进行周跳修复实验,成功率在99%以上,缩短了重新收敛时间. 在楼顶进行推车实验,RT-PPP在水平方向定位精度优于1 cm,高程定位方向精度为2~3 cm.      

3种GPS+BDS组合PPP模型比较与分析

无电离层组合和非组合模型是GNSS精密单点定位(PPP)常用的两种函数模型。本文通过详细分析PPP的两种函数模型各类参数间的相关特性,建立了参数独立的函数模型。对非组合PPP模型的电离层参数引入虚拟观测方程进行约束,有效提高了PPP的收敛速度。最后,从定位精度和收敛时间两方面分析不同函数模型的GPS单系统和GPS+BDS组合PPP静态、模拟动态定位效果。结果表明:GPS单系统和GPS+BDS组合PPP定位精度相当,静态的无电离层组合与非组合PPP均可达到厘米至毫米级精度,动态PPP精度的平面优于3cm,高程优于5cm;无电离层组合PPP收敛时间优于非组合的PPP,电离层加权非组合PPP的收敛时间最短。动态定位中,电离层加权模型相比于无电离层组合模型,可减少约15%的收敛时间,相比于非组合模型,可减少约34%。     

北斗三频精密单点定位模型比较及定位性能分析

在Trip软件的基础上实现了北斗三频无电离层两两组合、三频消电离层组合和三频非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）算法。利用12个陆态网观测站的北斗三频观测数据对3种三频PPP定位模型及传统的双频无电离层组合PPP模型的定位性能进行分析。试验结果表明,对大多数测站,3种三频PPP模型静态定位精度水平方向优于1 cm,高程方向优于2 cm,动态定位精度水平方向优于4 cm,高程方向优于6 cm;3种三频PPP模型静态收敛时间约为120 min,动态收敛时间约180 min;相比于传统的双频PPP模型,三频PPP模型的定位精度有所提高,其中,三频非组合模型静态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高36.1%和6.3%,动态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高9.1%和6.3%。     

BDS-3/GNSS非组合精密单点定位

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）全球组网工作全面建成,标志着BDS-3迈入全球定位、导航和授时服务的新时代。为了全面比较BDS-3系统与其余全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）性能,重点分析不同分析中心BDS-3精密轨道和钟差产品的一致性、BDS-3/GNSS卫星可用性、BDS-3/GNSS单系统及多系统融合PPP定位性能。结果表明,基于5个分析中心的精密轨道和钟差产品,BDS-3静态PPP三维均方根误差约为2.31~4.00 cm,其单系统收敛时间明显慢于其余GNSS系统,GPS系统的加入对BDS-3/GNSS双系统融合PPP改善效果最为明显,且四系统融合能够有效地缩短收敛时间,并提高动态PPP定位精度。随着BDS-3系统的发展以及轨道和钟差产品的进一步完善,BDS-3同样具备其余GNSS系统提供优质导航定位服务的潜力。