北斗二代双频数据质量分析

对北斗二代卫星的双频观测数据进行了质量分析,包括伪距多路径误差和信噪比两个方面。大量实测数据测试表明:北斗GEO、IGSO和MEO三类卫星的多路径误差逐渐增大,且B1频点小于B2频点,GPS与北斗MEO卫星的伪距多路径误差相差不大;另外,北斗三类卫星均表现出载波B2的信噪比略大于B1,而GPS卫星则表现出L1载波信噪比要大于L2。     

北斗系统伪距多径特征及对其定位精度影响分析

随着全球卫星导航系统现代化程度提高,电离层延迟、对流层延迟、轨道误差等各项误差得到了有效消除或减弱,但是不同用户端的多路径效应误差是不相关的,不能通过差分修正,使得多径误差成为影响用户定位精度的主要误差源。针对北斗系统多星座伪距多径分析需求,首先给出了基于相干超前-滞后延迟锁定环的码跟踪多径误差模型,生成了不同带宽、不同相关间距条件下的多径误差包络线;其次,利用信号源模拟北斗信号及其一路多径信号,定量分析了多径对北斗伪距观测值的影响,研究了不同厂家北斗接收机的抗多径性能;最后,利用北斗接收机实测数据,设计了短基线差分方法,分析了实测环境下伪距多径大小及其对单双频定位性能的影响。结果表明:北斗系统B1频点伪距多径大于B3频点,地球静止轨道卫星伪距多径大于倾斜地球同步轨道和中圆地球轨道卫星;静态条件下,B1频点多径误差均方根最大值为2.53m,B3频点多径误差均方根最大值为0.73m。     

北极地区BDS-3伪距单点定位精度分析

针对北斗三号卫星导航系统（BDS-3）在北极地区的定位性能,本文基于METG站和SOD3站分析了北极地区BDS-3的卫星可见数、PDOP 值、单频和双频伪距单点定位精度.经研究发现,北极地区BDS-3卫星可见数和 PDOP 值与GPS卫星一致,B1I频率与B3I频率伪距单点定位精度相当,相比于GPS卫星L1频率伪距单点定位精度略差,B1I／B3I频率组合下的伪距单点定位精度低于任一单频伪距单点定位精度,并且相比于GPS卫星L1／L2频率组合下的伪距单点定位精度略差.      

BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析,测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能,并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比. 试验结果表明,BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率,但略差于GPS L5;相较于其它GNSS,BDS数据完整率相对较高,其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高;BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小,B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍,但不同频率相位观测值噪声处于同一量级;对于伪距多路径而言,BDS-3 B1C/B2a 信号略小于B2b 信号. 总体而言,GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强. 在动态PPP性能方面,BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优,其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m,相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP,其精度改善率分别为49%、56%、81%和42%.      

BDS-3新频点单点定位研究

针对目前有关北斗卫星导航系统（BDS-3）中MEO卫星（BDS-3M）增加的B1C、B2a新频点单点定位研究较少的现状,本文开展了基于新频点B1C、B2a的双频单点定位试验,结合国际GNSS监测评估系统（iGMAS）5个跟踪站连续10 d的数据,对BDS-3的新频点进行数据质量分析、双频伪距单点定位（SPP）和双频静态精密单点定位（PPP）研究,并与GPS的L1、L2频点和BDS-3的B1I、B3I频点进行对比。试验结果表明：在伪距单点定位方面,BDS-3新信号在E、N、U 3方向的精度分别优于10、12、11 m,低于GPS的L1、L2双频伪距单点定位和BDS-3的旧频点双频伪距单点定位精度;在精密单点定位方面,BDS-3新频点在收敛速度方面略低于GPS的收敛速度,BDS-3新信号在E、N、U 3方向都能达到分米级精度。     

北斗三号卫星导航信号接收机端伪距偏差建模与验证

接收机端伪距偏差是指非理想的卫星导航信号在接收机前端带宽和相关器间隔不同时产生的伪距测量系统性偏差。研究表明,北斗二号、GPS和Galileo系统均存在与接收机类型相关的伪距偏差,影响基于混合类型接收机站网的精密数据处理。本文基于iGMAS网和MGEX网观测数据,采用MW组合、伪距残差和伪距无几何距离无电离层组合3种方法分析北斗三号接收机端伪距偏差特性。试验结果表明,北斗三号同样存在与接收机类型相关的伪距偏差,且无电离层组合的伪距偏差可以达到6 ns。根据偏差特性,按接收机类型建立了8类伪距偏差改正模型。将上述模型应用于卫星差分码偏差(DCB)估计与单频伪距单点定位,结果表明,模型改正后可以显著提升不同接收机类型估计的卫星DCB一致性,其中基于iGMAS网和MGEX网两个不同接收机站网估计得到的北斗三号C2I-C6I、C1P-C5P和C2I-C7D DCB差值分别平均降低了91.6%、64.7%和71.9%;模型改正后单频伪距单点定位水平方向和高程方向精度分别提升了13.9%和11.0%。     

BDS-3多频点伪距单点定位性能研究

针对目前有关北斗三号系统伪距单点定位研究较少，未对三号系统多个频点的定位性能进行对比分析的现状，本文利用实测数据对三号系统多个频点的定位性能进行了研究，并联合BDS-2、Galileo进行了同频伪距单点定位试验，统计分析了组合定位多个频点的同频定位结果。试验结果表明：目前三号系统单独定位能力有限，不适合单独定位；BDS-3/Galileo同频组合定位可以弥补BDS-3新频点单频定位时卫星个数不足、数据不完整导致的定位精度过差的情况，同时能够提高Galileo的定位精度；BDS-2/3的B3I频点与BDS/Galileo组合的B2b频点的定位精度均与GPS的L1频点的定位精度相当。     

北斗三号观测数据质量分析

2020年年底北斗三号卫星导航系统将全面建设完成,北斗三号沿用了B1I和B3I两个信号,并新增B1C和B2a两个新民用信号。为分析各个信号的观测数据质量,该文选取6个境外iGMAS连续跟踪站15 d的数据对北斗三号的观测数据质量进行分析,从信噪比、伪距多路径、数据完整率、数据饱满度和数据连续性5个方面,综合对比了北斗二号和北斗三号新旧信号的数据质量,并将北斗三号与GPS和Galileo在兼容互操作频点进行对比。结果表明:北斗三号的信噪比优于北斗二号,在兼容互操作频点上也比GPS和Galileo高1～2 dB-Hz;北斗三号B1C的伪距多路径误差比GPS大10 cm左右;北斗三号的数据完整率要比Galileo高,略低于GPS;在数据饱满度和连续性方面,北斗三号优于GPS和Galileo。     

基于多观测量组合的北斗系统伪距方差自适应估计方法

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统,具有地球静止轨道、倾斜地球同步轨道及中圆轨道三种卫星的混合星座,同时播发B1、B2和B3三个频点观测值,传统确定观测值向量权矩阵的方法已无法满足北斗卫星导航系统定位的需求,需要探索研究确定北斗卫星导航系统观测值向量方差-协方差矩阵的新方法,以合理使用北斗卫星导航系统观测量,提高系统服务性能。为此,提出了一种基于伪距和相位线性组合的北斗卫星导航系统伪距方差实时自适应估计方法:首先,基于北斗卫星导航系统载波相位和伪距观测值,利用观测值线性组合,构造伪距方差统计量模型;其次,充分考虑北斗卫星导航系统卫星星座特点和多路径影响,引入渐消因子,分别统计伪距均值和方差;最后,基于伪距方差统计值,构造观测值向量权矩阵。新方法克服了传统确定方差-协方差矩阵方法的局限性,能够较真实地反映北斗卫星导航系统伪距观测值向量的随机特性,可有效提高伪距单点定位精度和载波相位模糊度固定效率。北斗卫星导航系统用户机实测数据计算结果表明,基于伪距方差自适应估计的北斗卫星导航系统单点定位精度可提高约3m,模糊度成功固定时间缩短至18个历元。     

BDS-2和BDS-3系统间伪距分层及其技术对策

BDS-2和BDS-3卫星不仅存在与其他导航系统一样的星间伪距偏差问题,还存在两个系统之间的分米级伪距分层现象。为了最大限度降低伪距分层影响,本文选用两台环路参数可配置的接收机进行试验分析,分析了接收机环路参数设计与伪距分层的影响关系。结果表明,当接收机选择0.3 chip及以上的相关器码间距来跟踪B1I信号时,能使BDS-2和BDS-3之间B1I信号的伪距分层由分米级降低到厘米级;对于B3I信号而言,则需要采用0.6 chip及以下的相关器码间距来进行跟踪。根据本文研究可知,通过配置合理的接收机相关器码间距值跟踪B1I/B3I信号,可以使BDS-2和BDS-3之间的伪距分层现象得到明显改善,同时也能提高接收机定位精度的一致性。本文研究对推进北斗导航接收机和芯片的发展与完善具有参考意义。     

Calculation and accuracy evaluation of TGD from IFB for BDS

With the development of new global navigation satellite system applications, the demand of high accurate positioning navigation timing (PNT) service becomes urgent. For precise PNT, the timing group delay (TGD) is regarded as an important parameter in the satellite navigation message. Instead of using the absolute receiver hardware delay, a method based on receiver inter-frequency bias (IFB, i.e., differential receiver hardware delay between different frequencies) calibration is presented to deal with the rank deficiency of a calculation matrix and to reduce jumps in TGD solutions in BDS. The double-differenced pseudorange obtained from a pair of zero baseline receivers is used to evaluate the IFB calibration accuracy. The estimated precision of TGD is evaluated and compared with GPS TGD provided by IGS. In order to ensure the quality of assessment, a method based on the difference of dual-frequency ionospheric delay is proposed to compare the accuracy of the estimated TGD and broadcast TGD. Finally, the effect of TGD on the user equivalent range error is analyzed. The analysis result shows that for BDS IGSO satellites, the precision of TGD1, which is the differential hardware delay between B1 (1561.098 MHz) and B3 (1268.52 MHz) frequencies, is better than 0.5 ns, and for GEO and MEO satellites the TGD1 is better than 1 and 2 ns, respectively. The precision of TGD2 of all satellites, which is the differential hardware delay between B2 (1207.14 MHz) and B3 frequencies, is better than 0.5 ns. The accuracy analysis result reveals that the proposed TGD estimation method can provide better results when compared with the broadcast data.     

GPS/BDS接收机端系统偏差稳定性对整周模糊度固定的影响

GNSS接收机端的UPD与接收到的信号频率有关,这导致GPS和BDS系统间的双差模糊度不具有整数特性,为了恢复其整数特性,两系统间的系统偏差需要进行估计或改正。在顾及GPS和BDS之间的时间系统、坐标系统和频率间偏差的基础上,推导出GPS/BDS系统偏差计算模型,并利用不同实验对系统偏差的稳定性进行验证。实验结果表明,不同品牌接收机在GPS/BDS系统偏差方面在一定条件下均具有稳定性;天线类型和天线连接线长度没有对GPS/BDS系统偏差产生显著影响。加入系统偏差改正的GPS/BDS紧组合定位在恶劣环境下表现良好,可将模糊度固定平均所需时间缩短33%,模糊度固定成功率提高31%。     

BDS/GPS非差“一步法”融合定轨数据质量及精度分析

目前BDS/GPS融合定轨方法主要为"两步法"融合定轨。但在解算过程中,两个系统之间存在系统偏差会使BDS定轨精度下降。为降低融合定轨中系统偏差对轨道精度的影响,采用B1/B3和L1/L2频点组合的非差"一步法"融合定轨的方法,把BDS和GPS卫星置于同一参考框架下进行定轨,并对B1/B3频点的数据进行质量分析。结果分析证明,B1/B3频点数据质量优于B1/B2频点数据质量;"一步法"非差融合定轨获取的BDS轨道精度也优于"两步法"融合定轨获取的BDS轨道精度。其中BDS-MEOIGSO卫星定轨精度优于100 mm;BDS-GEO卫星定轨精度优于1 000 mm。     

北斗B1C、B2a信号非理想性分析及接收约束建议

卫星导航信号的非理想性会导致不同接收机之间出现测距偏差,是影响卫星导航系统服务精度和完好性的重要因素。首先,针对北斗系统B1C、B2a新体制信号的非理想性进行分析,利用大口径天线采集了全部北斗三号在轨卫星播发的B1C、B2a信号（共27颗卫星）,评估了不同接收带宽、码鉴相间距下测距偏差的大小与变化特点;然后,以双频多星座星基增强服务应用为例,分析了两个信号在相应接收机中的设计约束条件。研究结果发现,在接收机常用的参数范围内,B1C、B2a信号非理想性引入的测距偏差分别不超过0.68 m、0.44 m;在测距偏差小于0.1 m的性能约束下,B1C、B2a信号可用的约束条件参数范围优于国际民航标准草案中的相关要求。     

BDS接收机天线相位中心标定

在高精度GNSS定位中,接收机天线相位中心偏差(PCO)和天线相位中心变化(PCV)的影响不可忽略。目前,IGS发布的绝对天线相位模型文件中包含了GPS/GLONASS系统的标定值,但是没有发布北斗系统(BDS)的标定值。本文借助机械臂可以控制天线自由旋转,在数小时内实现全方位GNSS观测的特性,采用历元间差分的方法对接收机天线包括GPS L1/L2和BDSB1I/B2I/B3I等多个频点的PCO和PCV分别进行标定和拟合。标定结果表明,比较最小二乘估计的GPS PCO与IGS发布值,其STD和RMS在L1/L2上均小于1 mm;BDS PCO估计值的STD在B1I/B2I/B3I上分别为0.5、0.3、0.3 mm。利用球谐函数拟合的GPS PCV格网值与IGS发布值相比,其偏差在天顶距小于75°时均小于1.5 mm。BDS PCV拟合值范围均在-5~8 mm,且随天顶距变化曲线呈现波谷状。BDS PCV在低高度角处拟合值波动较大,随方位角变化曲线峰值-峰值最大达到了5.6 mm。     

Automated GPS processing for global total electron content data

A software package known as MIT Automated Processing of GPS (MAPGPS) has been developed to automate the processing of GPS data into global total electron density (TEC) maps. The goal of the MAPGPS software is to produce reliable TEC data automatically, although not yet in real time. Observations are used from all available GPS receivers during all geomagnetic conditions where data has been successfully collected. In this paper, the architecture of the MAPGPS software is described. Particular attention is given to the algorithms used to estimate the individual receiver biases. One of the largest sources of error in estimating TEC from GPS data is the determination of these unknown receiver biases. The MAPGPS approach to solving the receiver bias problem uses three different methods: minimum scalloping, least squares, and zero-TEC. These methods are described in detail, along with their relative performance characteristics. A brief comparison of the JPL and MAPGPS receiver biases is presented, and a possible remaining error source in the receiver bias estimation is discussed. Finally, the Madrigal database, which allows Web access to the MAPGPS TEC data and maps, is described.     

基于载波相位差分的多频多GNSS测速精度评估

基于载波相位历元间差分测速方法,建立了全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)单点测速的数学模型,分析了其误差源,并结合实测数据对多GNSS系统各频点及其无电离层组合、不同系统组合的测速精度进行了对比分析。实验结果表明:不同系统不同频点的测速精度有所差异,BDS(BeiDou navigation satellite system)的B1I、B1C、B3I、B2a频点和Galileo(Galileo positioning system)的E1、E5a、E6、E5b、E5频点的测速精度相当,水平方向优于1.5 mm/s,高程方向优于3 mm/s;BDS的B2I和GPS的L1、L2、L5频点的测速精度相当,水平方向在1.5~2 mm/s,高程方向在3~4 mm/s;GLONASS(global navigation satellite system)的G1、G2频点测速精度最差,水平方向在3~4 ?mm/?s,高程方向在5~5.5 mm/s;双频无电离层组合由于放大了观测值噪声,其测速精度低于单频。此外,多GNSS组合增加了可见卫星数,降低了PDOP(position dilution of precision)值,能够显著提高测速精度。相对于单GPS系统,GPS/BDS/GLONASS/Galileo组合测速精度在水平方向提高40%,高程方向提高46%;在截止高度角40°时,水平方向速度优于1 ?cm/s、高程方向优于2 cm/s下的测速可用率由48%提高到98%。     

BDS–GPS inter-system bias of code observation and its preliminary analysis

Navigation applications will benefit significantly from the improved reliability, availability, and accuracy offered by combining BeiDou Navigation Satellite System (BDS) and Global Positioning System (GPS). In the BDS/GPS navigation data fusion model, the effect of inter-system bias (ISB) must be considered. We present a detailed analysis of the pseudorange measurements for BDS and GPS and demonstrate the existence of code ISB in BDS/GPS measurements. The ISB mainly consists of the time system offset, the coordinate system difference, and the inter-system hardware delay bias. A method based on statistical hypothesis testing is proposed to assess the stability and difference of the BDS–GPS ISB. Real data from 18 stations equipped with six types of receivers are used to compute the ISB. The results illustrate that (a) receiver-dependent ISBs are evident and comparatively consistent, with the maximum ISB observed in our experiments being ?1516 ns, (b) these receiver-dependent ISBs exhibit great stability in terms of their standard deviation and intra-day variation, and (c) the estimated ISBs for each BDS satellite type with respect to GPS are consistent.