北斗二号与北斗三号完好性参数设计差异分析

针对能够标识北斗二号与北斗三号系统服务完好性的参数差异问题,该文从完好性参数定义、导航电文结构、参数内容和播发方式等方面对北斗二号和北斗三号系统完好性参数播发现状进行了比对分析,并对各类参数的工程实现情况进行了比较,结果表明:在兼容北斗二号基本导航服务相关系统完好性参数的基础上,北斗三号增加了可快速标识服务精度及预测精度的完好性参数;受多方面的约束与局限,北斗二号仅具备提供单频改正的广域差分增强服务的能力,且无相关国际标准规范支撑,而北斗三号为能获取国际民航组织测试认证,已立足于国际相关标准规范进行了可支撑单、双频改正的星基增强服务工程实现.     

GPS导航电文核心定位参数发展演变分析

文章总结了GPS空间信号接口控制文件的发展历程,对比了现有3种导航电文类型的电文结构及播发方式, 详细分析了星历参数、钟差参数及完好性参数等核心定位参数的发展演变特点和改进效果. 结果表明:GPS新型导航电文采用增加核心定位参数和减小量化单位的方法,提高了广播星历和钟差产品的精度. 增加两个参数后,地面星历拟合位置误差均方根(RMS)平均值由0.137 m减小为0.025 m. 为适应高精度星历拟合模型,距离量化单位也减小至毫米量级. 通过减小卫星钟差参数的量化单位,预报1 h钟差误差RMS由0.097 m减小至0.042 m.      

北斗导航卫星相位中心修正

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）发播电文时利用卫星钟差a₀参数修正了B3频点相位中心与质心差异的大部分偏差,利用卫星群延时间参数（timing group delay,Tgd）修正不同频点相位中心的差异部分。该方法实质是利用各向同性的卫星钟差修正具有各向异性的天线相位中心偏差,改正精度有限。为进一步提高广播星历精度,提出了先对卫星位置进行相位中心改正,再对相位中心的轨迹进行广播星历拟合的处理方法,分别比较了两种改正方法对用户距离误差（user range error,URE）以及精密单点定位精度的影响。分析表明,两种方法都能使URE和定位精度得到提高,且新方法比利用卫星钟差a₀参数的修正精度提高了约76%,定位精度提高了约12.5%,同时新方法的改正精度不受时空因素影响。利用广播星历拟合修正天线相位中心与不进行天线相位中心比较,定位精度提高约38.1%。最后分析了Tgd参数修正各频点天线相位中心不一致的残差,影响在毫米级,可以用于修正相位中心的频间差异。     

北斗广播电文钟差模型精度评估及改善策略

星载原子钟是北斗卫星导航系统(BDS)的核心设备,其钟差模型是北斗广播电文的重要组成部分,模型精度直接影响BDS的服务性能.本文采用星地双向时频传递(TWSTF)钟差测量为参考,评估了BDS广播电文钟差模型精度,结果表明BDS广播电文钟差模型精度优于2 ns(数据龄期小于12 h).针对BDS广播电文钟差参数解算问题,结合BDS地面段的钟差模型解算策略,本文提出进一步提升精度的多种策略.对于1h时长的短期预报,本文提出加权线性模型与混合区间线性模型的钟差拟合预报方法,短期预报精度可提高20％ 以上;对于预报时长大于6 h的中长期预报,本文采用谱分析钟差时间序列,并根据谱分析结果构造预报模型,与简单的二次多项式模型预报相比,预报6 h精度提高13％,预报12 h平均提高了21％;对于IGSO/MEO卫星,本文提出将TWSTF的设备时延值作为参数估算,使钟差模型在设备切换后精度提高18％.最后,利用本文提出的改进策略对2017年1月—6月的钟差数据重新处理,获得了新的广播电文钟差模型时间序列.利用新的广播电文钟差模型进行北斗监测接收机定位,结果表明,N、E、U 3个方向精度分别提高14.22％、29.39％、14.91％,显著提升了BDS广播电文钟差服务性能.     

北斗卫星导航系统广播星历精度分析

针对系统地评估我国北斗卫星导航系统广播星历精度与保障实时导航定位服务的需求,对BDS广播星历提供的卫星轨道、钟差以及用户测距误差(URE)的精度性能进行分析,统计了2015年连续4周全部BDS在轨健康卫星的广播星历各项精度指标值。分析结果表明:BDS的MEO和IGSO卫星轨道精度优于GEO卫星结果,且径向精度优于法向和切向精度;BDS搭载的国产星载铷钟卫星钟差序列相对比较稳定,其均方根误差优于4ns;GEO/IGSO卫星的用户距离误差(URE)在6m以内,MEO的URE优于20m。研究结果对北斗系统的建设、后期的发展和用户市场的拓展,都具有重要的参考价值。     

北斗一号卫星导航系统定位算法及精度分析

针对我国建立的北斗一号导航定位系统,介绍了该系统的定位原理,给出了基于北斗双星和三星定位算法的模型,进行了实测数据的解算,分析了星历误差、信号传播误差和接收机钟差等误差对定位精度的影响,计算结果表明该算法简单、实用,可满足中高精度的导航定位用户需求,对二代导航系统定位数据处理和精度分析具有参考价值。     

北斗广播星历偏差分析及改正

以后处理精密轨道钟差为参考,分析了2014年2月至2016年10月北斗广播星历误差及空间信号精度,分析结果表明,北斗广播星历存在偏差,最大超过2m。在此基础上,基于广域差分改正数,采用18个MGEX站不同频点及频点组合连续97d的数据对以上广播星历偏差进行了进一步验证。验证结果表明,不同卫星的伪距观测残差存在与广播星历偏差一致的系统性偏差。比较后处理给出的TGD和广播星历给出的TGD参数的偏差(dTGD),发现dTGD与基于广域差分参数的BEB的相关系数达到0.89,这表明经广域差分参数改正后的星历偏差可能是由广播电文中的TGD偏差造成。将北斗广播星历偏差改正到TGD参数上,分析对用户定位的影响。结果表明,经改正后,双频用户在N、E、U 3个方向单点定位精度分别提高14.9%、28.4%、15.5%,其定位残差也明显得到改善。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网。北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务。本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数性能等方面,对北斗三号系统组网前后(2020年5月1日至2020年7月20日)BDGIM模型的改正精度等应用性能进行了分析与研究,并将其与美国GPS播发的Klobuchar模型和北斗二号卫星导航系统播发的BDS Klobuchar模型进行对比。研究表明,BDGIM模型在对北斗三号系统组网完成前后电离层延迟修正精度没有发生显著变化。上述时段内,以国际GNSS服务(IGS)发布的最终GIM产品为参考,BDGIM模型在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别达到84.45%、74.74%和64.57%;以选取的全球83个GNSS检测站BDS、GPS双频数据实测电离层TEC为参考,BDGIM在中国区域、亚太地区和全球范围内的电离层修正百分比分别为73.12%、70.18%及68.06%;当BDGIM模型应用于北斗单频伪距单点定位时,在中国区域、亚太地区和全球范围内分别实现了2.22、2.66和2.96 m的三维定位精度。     

北斗三号系统开通前后广播星历精度对比分析

北斗三号卫星导航系统(BDS-3)开通已一年有余,通过研究2019-08—2021-08共2 a的北斗卫星导航系统(BDS)广播星历数据,采用事后精密星历对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)和BDS-3卫星的轨道、钟差和空间信号测距误差(SISRE)进行分析. 结果表明:BDS-3系统开通后,卫星轨道精度比BDS-2提升明显,径向(R)误差均方根(RMS)值从0.87 m左右提升至优于0.23 m,精度提升约74%,3D误差RMS值从1.63 m以内提升到优于0.75 m,精度提升约54%;氢原子钟和铷原子钟精度相当,BDS-3钟差误差RMS值精度提升与BDS-2提升基本相同,精度提升约1 ns;SISRE精度比对中,BDS-2 SISRE的RMS值从0.9 m提升到0.7 m,BDS-3从0.8 m提升到0.5 m. 综合比较,BDS-3系统性能提升较大.      

北斗三号空间信号测距误差评估与对比分析

北斗三号作为我国自主建设的全球卫星导航系统,其本身性能水平以及与其他卫星导航系统的性能对比情况,对后续推广应用具有重要影响。为此,本文以空间信号测距误差（signal-in-space range error,SISRE）作为系统关键性能指标,以GFZ提供的多系统精密轨道钟差作为标准,给出了卫星轨道、卫星钟差、SISRE的比对评估方法,并以2020年1—3月共3个月的实测数据,验证了北斗三号相对北斗二号的精度改进情况,并重点分析了北斗三号与GPS、Galileo、GLONASS之间的性能对比关系。结果表明：无论是卫星轨道还是卫星钟差,北斗三号的精度水平相对北斗二号都有了明显提高;北斗三号卫星轨道在R、T、N方向精度分别达到0.07、0.30、0.26 m,在4个全球系统中处于最优水平;卫星钟差精度达到1.83 ns,基本与GPS系统持平,优于GLONASS,但还略差于Galileo;在空间信号测距误差方面,如果仅考虑轨道误差,北斗三号SISRE（orb）平均达到0.08 m,紧随其后,Galileo达到0.26 m,GPS达到0.57 m,GLONASS达到0.98 m。如果综合考虑轨道和钟差误差,北斗三号SISRE平均达到0.50 m,稍逊于Galileo的0.38 m,略优于GPS的0.58 m,明显好于GLONASS的2.35 m。     

北斗三号卫星差分码偏差稳定性分析及其对单点定位的影响

差分码偏差（differential code bias,DCB）是影响电离层监测和导航定位精度的重要因素之一,建立DCB改正模型对高精度定位有重要意义。针对北斗三号卫星的广播星历和精密星历钟差参数时间基准不统一的问题,首先介绍了多星座实验（multi-GNSS experiment,MGEX）发布的DCB产品的估计方法,给出了部分DCB产品的精度评估和分析结果;然后提出了北斗三号卫星单频和双频伪距单点定位以及双频精密单点定位的DCB改正模型;最后利用5个MGEX测站连续5 d的实测数据分别进行了DCB改正前后的定位实验。结果表明,MGEX发布的DCB产品均具有较高的稳定性,经卫星DCB改正后,单频和双频伪距单点定位的定位精度分别提高了48%~85%和71%~91%,双频静态精密单点定位的收敛时间减少了56%~83%。     

北斗广播星历精度评估

广播星历的误差能够直接影响卫星定位的精度,对北斗的广播星历精度进行分析可以为GPS与北斗组合定位观测值定权提供依据。通过与精密星历进行比较,结果表明: 北斗轨道误差优于5 m,钟差均方根误差优于13 ns,以空间信号测距误差（SISRE）为指标,北斗广播星历整体精度优于4.5 m。通过与GPS进行对比,结果表明北斗广播星历精度略低于GPS。     

导航电文星历参数对卫星轨道精度的影响

卫星导航定位的关键是获知导航卫星的精确位置,其轨道精度与导航电文中广播星历参数密切相关。分析了由广播星历参数计算的卫星广播轨道与精密星历确定的真实轨道之间的误差,并将其投影到卫星切向、径向和法向进行仿真研究。比较了民用导航电文（CNAV）和旧民用导航电文（NAV）的星历参数的差异,利用精密星历拟和出对应的广播星历参数,研究其星历参数的变化对卫星轨道精度的影响。分析了GPS不同频点播发的导航电文中星历参数在数据帧内的结构。研究结果表明：GPS卫星广播轨道误差一周内在2到4m内变化,而其在切向、径向和法向的投影值呈现周期性余弦变化,其演变周期与GPS轨道周期近似相等,而选取改进后的17个广播轨道参数表示的星历数据于15个星历参数对比,其轨道拟和误差值改善2～3cm.     

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成，可为用户提供公开、免费的高精度服务，对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品，并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后，以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考，评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm，钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后，利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证，结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当，可满足单站实时高精度定位与导航的...     

北斗精密定轨及广播星历轨道精度评估

目前各类用户对基于北斗卫星导航定位服务需求在不断扩大,由于广播星历实时、易获取,北斗广播星历精度是实时导航定位用户关心的问题,也是检验系统是否达成设计指标的关键因素。文中基于国家基准站和MGEX站计算北斗精密轨道,重复弧段精度优于利用国际站计算结果。将计算的北斗精密轨道作为参考,更加准确地评估分析北斗广播星历轨道误差的精度。分析结果显示,北斗广播星历轨道径向精度优于法向和切向精度,且法向误差具有较为明显的周期性。各类卫星中,GEO卫星精度稍差,而IGSO和MEO卫星与GPS在同一量级。随着北斗卫星系统逐步组网完善,地面监测站分布趋于合理,北斗系统整体性能将会不断提高。     

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

基于广播星历改正的实时精密星历与钟差获取研究

卫星位置误差和钟差是GPS导航与定位的重要误差源。通过NTRIP协议,利用Internet方式向全球发布实时广播星历的卫星轨道和钟差改正信息。结果表明:由广播星历计算得到的卫星位置和精密星历中给出的位置值相差为分米级,而经过改正后的卫星位置相差仅为厘米级。采用广播星历中给出的钟差参数,其精度约为2~4ns;经过钟差改正后,精度相差约0.3~0.4ns.     

北斗三号全球卫星导航系统空间信号精度评估

针对北斗三号 (BDS-3)正式开通后的空间信号精度情况,选取2020-08-01—2021-07-31共 1 a的混合广播星历数据,以德国波茨坦地学研究中心(GFZ)和武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心(WHU)提供的精密星历为参考分别从轨道精度、钟差精度和空间信号测距误差(SISRE)来进行BDS-3的空间信号精度评估. 结果表明:BDS-3的轨道精度在径向(R)、切向(A)、法向(C)三个方向上分别优于0.100 m、0.405 m、0.547 m,钟差精度优于1.926 ns,仅受轨道影响的SISRE (orb)为0.134 m,SISRE为0.612 m. 地球静止轨道(GEO)卫星的SISRE为1.137 m,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星的SISRE相比GEO卫星分别减少36.3%、51.3%.      

北斗卫星导航系统的空间信号精度评估

针对卫星导航定位系统空间信号精度能否满足用户需求的问题,该文基于IGS MGEX发布的2016年连续100d的实测数据以及GBM分析中心的精密卫星轨道及钟差产品对北斗卫星广播星历误差、轨道精度以及空间信号距离误差进行统计分析。结果表明:北斗系统的IGSO和MEO卫星广播星历的均方根优于3m,GEO卫星广播星历误差RMSE优于5m;IGSO和MEO卫星广播星历轨道精度优于GEO卫星,且轨道误差在径向R精度最好;空间信号距离误差中,GEO卫星的SISRE均值优于1.5m,IGSO卫星的SISRE均值优于1.0m,MEO卫星的SISRE均值优于0.5m。由此反映出北斗空间信号稳定且精度逐渐提升。     

基于北斗多频的单历元基线定位方法

随着北斗三号卫星导航系统完成全球组网并正式开通，我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家，北斗卫星定位精度和可靠性进一步提升。目前北斗二号卫星可播发三频观测信号，北斗三号卫星可播发五频观测信号，研究多频组合定位对于实现模糊度快速固定、提高定位精度具有重要意义。文中分别给出北斗二号三频和北斗三号四频观测值的线性组合，并将其视为不同的卫星系统进行融合定位，最后分析短基线条件下的定位精度。结果表明本方法能够实现短基线模糊度单历元固定，定位精度可达cm级。