BDS/GNSS融合精密单点定位性能分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)的全球组网成功,基于BDS的应用研究正在如火如荼的进行中,尤其是包括BDS在内的多频多模融合定位正成为研究的重点. 利用MGEX (Multi-GNSS Experiment)多个测站的BDS、GPS、GLONASS、Galileo观测数据,基于RTKLIB开源代码,在Visual Studio 2017平台上进行了BDS/GPS、BDS/GLONASS、BDS/Galileo三种组合系统的精密单点定位(PPP)实验,从静态PPP、动态PPP、可见卫星数、精度衰减因子(DOP)等方面对比分析了三种组合系统的定位性能. 实验结果表明:BDS/GPS组合系统的可见卫星数最多,各DOP值最小,静态PPP收敛后三个方向的精度优于6 cm. 不论是静态PPP还是动态PPP,其定位性能都最好;BDS/GLONASS、BDS/Galileo组合系统动态PPP的定位抖动较大,可见卫星数都要小于BDS/GPS组合系统,收敛时间较长,两者的动态PPP定位性能也差于BDS/GPS组合系统.      

BDS/Galileo对多系统精密单点定位贡献分析

使用10个MGEX测站的数据对4种解算模式GPS、GPS/BDS、GPS/Galileo及GPS/BDS/Galileo在定位可用性、定位精度和定位稳定性及收敛时间3个方面的PPP性能进行了对比分析。实验结果表明:GPS/BDS和GPS/Galileo双系统组合PPP在各方面的性能相当。相比GPS单系统PPP,双系统PPP能增加可用卫星数,改善卫星空间几何构型,定位精度提升20%～35%,定位稳定性提高25%～40%,收敛时间缩短35%～45%。BDS在较高截止高度角下的可用性、天向定位精度、水平方向定位稳定性、天向收敛速度方面的贡献略优于Galileo。GPS/BDS/Galileo三系统组合的PPP性能进一步提升。     

基于MGEX站多系统GNSS反演大气可降水量精度评估

2020年6月北斗卫星导航系统(BDS)完成全面组网,为分析其解算水汽信息的精度,选用15个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站2021年10月至11月的观测数据进行水汽反演. 利用GAMIT软件分别解算BDS、GPS、Galileo和GLONASS的观测数据,将得到的对流层天顶延迟(ZTD)与国际GNSS服务(IGS)发布的结果进行对比,并将解算的大气可降水量(PWV)分别与探空数据、ERA5数据计算得到的PWV对比. 实验结果表明:截止高度角设置为5°时,4个卫星系统估计的ZTD均方根 (RMS)均小于13 mm,GPS-PWV、BDS-PWV、Galileo-PWV、GLONASS-PWV与无线电探空可降水量(RS-PWV)相比,RMS平均值分别为2.25 mm、2.46 mm、2.52 mm和2.84 mm,RMS均小于3 mm;与ERA5-PWV相比,RMS平均值分别为1.63 mm、1.86 mm、1.76 mm和1.99 mm,RMS均小于2 mm. GPS探测水汽的精度最高,BDS探测水汽的精度低于GPS和Galileo,高于GLONASS,均满足气象学应用需求.      

不同截止高度角下BDS/GPS/GLONASS/Galileo多模组合SPP性能分析

针对单系统在遮挡环境下可见卫星数较少、历元利用率低、定位稳定性、定位可靠性和定位精度较差的问题,首先,利用间接平差法对BDS/GPS/GLONASS/Galileo组合观测方程进行求解;然后,运用最小二乘法原理求解待估参数,最终解算出测站点坐标。采用MGEX站部分测站的数据对不同截止高度角下(7°、15°、20°、30°、40°、45°)不同模式GPS、GPS+Galileo、GPS+GLONASS、BDS+GLONASS+Galileo、GPS+BDS、GPS+GLONASS+BDS、GPS+GLONASS+BDS+Galileo的单点定位(single point positioning,SPP)进行解算和数据处理。结果表明,在截止高度角为45°时,点位离散程度变差,但相比其他模式特别是GPS单系统,GPS+GLONASS+BDS+Galileo组合稳定性和可靠性都较好;GPS单系统历元利用率较低,全天不足1/3,然而GPS+BDS、GPS+GLONASS+BDS、GPS+GLONASS+BDS+Galileo组合历元仍然全天可用,GPS部分历元精度优于GPS+GLONASS+BDS和GPS+GLONASS+BDS+Galileo组合,但整体定位性能较差。GRCE组合在全天历元可用和实现单点定位前提下,整体定位性能优于其他模式。     

利用Multi-GNSS估计天顶对流层延迟

利用PPP技术估计对流层延迟,并设计实验对比分析了各单系统和多系统组合下对流层延迟的估计精度;讨论了不同对流层投影函数对对流层延迟估值的影响;最后以武汉市为例,探讨了对流层延迟与季节变化的相关性。结果表明,利用PPP估计的GPS ZTD、BDS ZTD、GLONASS ZTD、GPS/BDS ZTD、GPS/GLONASS ZTD、GPS/BDS/GLONASS ZTD精度均优于2 cm,且组合系统估计的对流层延迟明显比单系统稳定,精度明显提高;不同对流层投影函数对单系统估计影响较大,对组合系统估计影响较小;武汉市夏季对流层延迟大于冬季,但冬季对流层延迟的湿延迟变化较大,夏季对流层延迟的湿延迟变化小。     

BDS/GPS组合系统定位性能分析

本文通过对比分析BDS、GPS、GLONASS、Galileo的发展现状和服务性能,探讨了BDS/GPS组合导航定位的相对优势。从可见性和定位精度方面对BDS/GPS组合系统的定位性能进行了仿真分析,给出了定量分析结果。仿真结果表明,采用BDS/GPS组合系统导航定位能够有效提高用户的定位精度和可见性,研究成果对BDS/GPS组合导航定位的精度验证和工程实现具有一定的参考价值。     

亚太地区GPS/GLONASS/Galileo/BDS组合实时精密单点定位性能评估

对GPS/GLONASS/Galileo/BDS组合实时PPP(precise point positioning)在亚太地区的性能进行了评估,利用25个测站的数据进行分析。结果表明,在静态模式下,和GPS单系统实时PPP相比,四系统组合实时PPP的收敛时间在东、北、高三个方向分别改善了43%、19%、26%,定位精度在三个方向分别改善了16%、25%、10%;在动态模式下,相应的收敛时间改善为61%、35%、51%,相应的精度改善为29%、30%、21%。     

Helmert方差分量估计在GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位权比确定中的应用CSCD

多星座组合定位可以提升导航定位性能,但不同星座观测量组合时需要考虑合适的随机模型.传统方法是根据经验直接设定各系统的等价权重,但会导致随机模型确定不精确,从而影响组合系统的性能提升.将Helmert方差分量估计方法应用于GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位(PPP)中,以自适应确定各系统间权比.采用国际GNSS服务(IGS)MGEX(Multi-GNSS Experiment)观测网的10个测站一周的观测数据进行静态和仿动态试验.结果表明:采用Helmert方差分量估计定权方法可显著提高GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合PPP的收敛速度,与等权定权方案比较,静态模式下平均提高52%,仿动态模式下平均提高64%.因定位精度主要由载波相位观测值精度和误差修正水平决定,在静态和仿动态测试中Helmert方差分量估计方法对定位精度没有明显改善.     

BDS/GPS组合天顶对流层延迟的精度分析

在现有的精密轨道和钟差条件下,选取8个MGEX跟踪站2014年6—9月的观测数据,详细分析利用BDS/GPS组合PPP法在未固定跟踪站坐标和固定跟踪站坐标情况下估计ZTD的效果,并与IGS提供的对流层产品对比分析。实验分析表明,利用PPP法估计ZTD,BDS ZTD现阶段的STD优于34mm,GPS ZTD与BDS/GPS组合现阶段的STD相当,均优于14mm。与未固定跟踪站情形下估计的BDS ZTD相比,固定跟踪站坐标的方式虽然可以提高利用BDS估计ZTD的稳定性,但不能提高精度。     

GPS/BDS/GLONASS/Galileo多系统融合在中国区域的仿真分析

通过STK软件对GPS、BDS、GLONASS、Galileo四个系统的星座结构进行仿真,并选择单系统与多系统组合定位的方式对中国区域内的可见卫星数、GDOP值和定位精度进行覆盖分析。结果表明,GPS/BDS/GLONASS/Galileo四系统组合定位在我国的GDOP值可达0.7~0.8,定位精度可达3~4m,优于其他方式的组合定位;同时四系统组合定位下的GDOP值降低,定位精度更好,GDOP值与定位精度的波动异常得到了抑制,导航定位的性能与稳定性也得到了相应的提升。     

Estimation and evaluation of real-time precipitable water vapor from GLONASS and GPS

The revitalized Russian GLONASS system provides new potential for real-time retrieval of zenith tropospheric delays (ZTD) and precipitable water vapor (PWV) in order to support time-critical meteorological applications such as nowcasting or severe weather event monitoring. In this study, we develop a method of real-time ZTD/PWV retrieval based on GLONASS and/or GPS observations. The performance of ZTD and PWV derived from GLONASS data using real-time precise point positioning (PPP) technique is carefully investigated and evaluated. The potential of combining GLONASS and GPS data for ZTD/PWV retrieving is assessed as well. The GLONASS and GPS observations of about half a year for 80 globally distributed stations from the IGS (International GNSS Service) network are processed. The results show that the real-time GLONASS ZTD series agree quite well with the GPS ZTD series in general: the RMS of ZTD differences is about 8 mm (about 1.2 mm in PWV). Furthermore, for an inter-technique validation, the real-time ZTD estimated from GLONASS-only, GPS-only, and the GPS/GLONASS combined solutions are compared with those derived from very long baseline interferometry (VLBI) at colocated GNSS/VLBI stations. The comparison shows that GLONASS can contribute to real-time meteorological applications, with almost the same accuracy as GPS. More accurate and reliable water vapor values, about 1.5–2.3 mm in PWV, can be achieved when GLONASS observations are combined with the GPS ones in the real-time PPP data processing. The comparison with radiosonde data further confirms the performance of GLONASS-derived real-time PWV and the benefit of adding GLONASS to stand-alone GPS processing.     

亚太地区BDS-3/GNSS组合系统单频单点定位性能分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)向全球提供定位、导航和授时(PNT)服务后的定位性能评估问题,基于MGEX (Multi-GNSS Experiment) WHU2站7天实测数据,从可视卫星数、几何精度衰减因子(GDOP)、定位精度、定位成功率和伪距残差方面分析了BDS-3及BDS/GNSS组合伪距单点定位(SPP)性能. 结果表明:在亚太地区,BDS-3具有比美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo更优的SPP性能,其水平、垂直和三维精度分别为1.19 m、2.34 m、2.38 m,三维精度比北斗二号卫星导航系统(BDS-2)、GPS、GLONASS和Galileo 的SPP精度分别提升了54.8%、27.2%、86.4%和1.2%. 此外,BDS/GPS/Galileo组合能获得最优的SPP精度,其水平、垂直和三维精度分别为0.96 m、1.66 m、1.77 m,相较于BDS-2/BDS-3 SPP分别提升了18.6%、19.4%和17.3%.      

GNSS多系统动态精密单点定位性能分析

文中在GPS精密单点定位（PPP）理论与方法的基础上,给出了多系统组合的精密单点定位技术观测模型,采用GPS、GLONASS、GALILEO、BDS 四大卫星导航定位系统的实测数据,研究并分析了四系统组合PPP的定位性能。结果表明,多系统PPP精度较单系统有很大提高,GPS+GLONASS+GALILEO+BDS四系统组合动态PPP在三个方向平均偏差约为0.7 cm、0.6 cm和1.7 cm,收敛时间为15～20 min左右,并且多系统PPP在截止高度角增大时,依然有充足的卫星数量,当截止高度角达到30°时,依然能达到cm级定位精度,对机载动态数据进行PPP解算结果显示,四系统组合解算的结果与利用GrafMov的解算结果符合得最好,优于其他双系统和单系统PPP的精度。      

Assessment of PPP integer ambiguity resolution using GPS,GLONASS and BeiDou (IGSO,MEO) constellations

Although integer ambiguity resolution (IAR) can improve positioning accuracy considerably and shorten the convergence time of precise point positioning (PPP), it requires an initialization time of over 30 min. With the full operation of GLONASS globally and BDS in the Asia–Pacific region, it is necessary to assess the PPP–IAR performance by simultaneous fixing of GPS, GLONASS, and BDS ambiguities. This study proposed a GPS + GLONASS + BDS combined PPP–IAR strategy and processed PPP–IAR kinematically and statically using one week of data collected at 20 static stations. The undifferenced wide- and narrow-lane fractional cycle biases for GPS, GLONASS, and BDS were estimated using a regional network, and undifferenced PPP ambiguity resolution was performed to assess the contribution of multi-GNSSs. Generally, over 99% of a posteriori residuals of wide-lane ambiguities were within ±0.25 cycles for both GPS and BDS, while the value was 91.5% for GLONASS. Over 96% of narrow-lane residuals were within ±0.15 cycles for GPS, GLONASS, and BDS. For kinematic PPP with a 10-min observation time, only 16.2% of all cases could be fixed with GPS alone. However, adding GLONASS improved the percentage considerably to 75.9%, and it reached 90.0% when using GPS + GLONASS + BDS. Not all epochs could be fixed with a correct set of ambiguities; therefore, we defined the ratio of the number of epochs with correctly fixed ambiguities to the number of all fixed epochs as the correct fixing rate (CFR). Because partial ambiguity fixing was used, when more than five ambiguities were fixed correctly, we considered the epoch correctly fixed. For the small ratio criteria of 2.0, the CFR improved considerably from 51.7% for GPS alone, to 98.3% when using GPS + GLONASS + BDS combined solutions.     

Android智能手机GNSS定位性能分析

随着全球卫星导航系统(GNSS)的发展和移动通信技术的进步,用户对位置服务(LBS)提出了更高的要求. 本文采用市面上常见的两部Android智能手机采集GNSS数据,对Android智能手机伪距单点定位(SPP)和单频精密单点定位(PPP)算法进行研究,分析了在不同条件下智能手机的SPP、单频PPP定位性能. 结果表明:在使用多普勒平滑伪距和信噪比随机模型的基础上,Android智能手机GPS单系统的SPP定位精度可达3 m,GPS、Galileo、GLONASS、北斗卫星导航系统(BDS)四系统定位精度可达亚米级. 在单频PPP静态定位中,在GPS单系统下,定位精度仅能达到米级,且收敛时间较长;在GPS、Galileo、GLONASS、BDS四系统下,定位精度可达亚米级,且平面方向可在40 min内收敛. 在单频PPP动态定位中,手机的定位精度仅能达到米级.      

遮挡环境下GPS／GLONASS／Galileo组合PPP性能分析

对于城市遮挡环境下单GPS系统精密单点定位(PPP)性能较差的问题,本文采用多系统融合来改善PPP性能,通过不同卫星高度角,将城市四周环境分为正常环境、一般遮挡、较重遮挡等三种环境.分别采用GPS、GPS／GLONASS、GPS／Galileo、GPS／GLONASS／Galileo不同的模式,对香港4个连续运行参考站进行遮挡环境下的静态PPP模拟实验,结果表明:多系统组合能够有效弥补城市四周遮挡环境下卫星的不足,并且GPS／GLONASS、GPS／Galileo、GPS／GLONASS／Galileo组合相对单GPS系统下的PPP性能有着不同程度的改善.