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%。     

北斗卫星伪距码偏差特性及其影响分析

在北斗导航卫星伪距码偏差特性分析的基础上,建立了倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中轨卫星（MEO）的伪距码偏差多项式改正模型;并利用星间单差宽巷小数周一致性,分析建立北斗地球同步轨道卫星（GEO）卫星伪距码偏差改正模型。采用武汉大学北斗试验网、中国陆态网络和MGEX网不同位置、不同类型接收机观测数据进行分析验证,结果表明,北斗卫星伪距码偏差特性与观测值频率、卫星类型相关,所有GEO和IGSO卫星变化规律相同,所有MEO卫星变化规律相同,与接收机类型、测站位置和观测时间无关,偏差值大小随卫星高度角变化,其变化规律稳定,可以采用建立的两类改正模型（GEO/IGSO和MEO）进行修正。通过偏差修正后的伪距无电离层组合的残差、双频SPP以及单频PPP三个方面验证了伪距码偏差改正模型的正确性。     

利用北斗观测实验网解算北斗卫星差分码偏差

差分码偏差(DCB)是电离层总电子含量(TEC)监测和建模的主要系统误差,卫星DCB也是卫星导航系统导航电文的重要参数。研究了卫星DCB的估计算法,推导了不同基准下DCB的转换公式,利用北斗观测实验网解算了2013年北斗卫星的DCB。在同一基准下分析了北斗卫星DCB的稳定性,并与MGEX发布的DCB产品进行了比较分析。实验结果表明,该方法解算的北斗卫星B1-B2DCB在-9~17ns之间,北斗卫星DCB的稳定性优于0.4ns;北斗倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)卫星稳定性优于地球静止轨道卫星(GEO)和中圆地球轨道卫星(MEO);利用北斗观测实验网解算的北斗卫星DCB与MGEX解算结果存在最大约1.7ns的系统偏差,可能由于测距码的不一致性所致;接收机硬件材质的不同是导致接收机DCB差异的主要影响因素。     

附加闭合差约束的BDS频间偏差估计模型

中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中唯一全星座提供3频信号的卫星导航系统,其信号频率间共存在3种频间偏差(differential code bias,DCB),分别是DCB_(C2I-C7I)、DCB_(C2I-C6I)、DCB_(C7I-C6I)。理论上,这3种DCB之间存在代数和为零的关系。基于3种频间偏差闭合差约束,加入DCB观测方程,以北斗中轨道(medium earth orbit,MEO)和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO)卫星作为参考卫星,采用附加限制条件的间接平差方法同步估计BDS的3种DCB。选取2018年1月1日—30日多模GNSS实验(multi-GNSS experiment,MGEX)基准站的BDS 3频数据,分别采用附加闭合差约束估计和独立求解两种方法计算北斗二代卫星的3种频间偏差。以中国科学院(Chinese Academy of Sciences,CAS)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR)的DCB产品作为参考,分析了所提方法估计的DCB精度、稳定性及部分典型卫星的DCB时间序列,验证了所提方法对北斗3频DCB估计的适用性和科学性,并通过BDS单频标准单点定位(standard point positioning,SPP)实验验证了DCB对单点定位精度的影响效果。     

北斗系统在南极中山站地区的基本定位性能评估

对北斗区域卫星导航系统（BDS）正式运行后在南极中山站地区的基本导航定位性能进行了评估,包括卫星可用性、位置精度因子（PDOP）、伪距观测值质量、电离层模型精度及单频伪距导航定位性能等方面。对南极中山站地区实测数据分析的结果表明,首先,北斗卫星导航系统的可用性与伪距观测值质量在总体上与GPS处于同一水平,并已初步具备了全天导航定位的能力,但存在卫星分布不够均匀、GEO卫星高度角较低、电离层模型精度较差等问题。其次,北斗单频伪距单点定位北、东方向的精度分别优于22 m和9 m,高程方向优于25 m;超短基线的单频伪距差分定位在北、东、高程三个方向的精度分别为3.6 m、2.3 m和3.3 m;总体而言与GPS相比有一定差距。最后,北斗/GPS组合定位相对于单一的GPS定位不仅增加了系统的可靠性,还对定位的精度有明显改善,对于单频伪距单点定位、伪距差分定位的三维点位精度可分别提高10%、22%。     

北斗系统星源伪距偏差特性分析及改正

北斗卫星伪距观测值存在一类与卫星相关的系统误差，称为星源伪距偏差，MEO和IGSO卫星可以通过其与高度角的关系建立改正模型，而GEO卫星由于其静止特性难以建立基于高度角的改正模型。据此，本文在分析GEO卫星伪距偏差特性的基础上，提出了一种基于奇异谱分析（SSA）的修正方法，并通过双频无电离层组合伪距单点定位（SPP）对比试验来验证修正效果。结果表明：修正后GEO卫星伪距观测值基本上消除了伪距偏差，MP观测值精度在B1、B2、B3频率上分别提高了39.9%、17.9%、29.4%，MW观测值精度提高了41.3%；传统改正模型修正IGSO和MEO卫星伪距偏差对SPP影响很小，而奇异谱分析方法修正GEO卫星伪距偏差使SPP的精度在平面、高程方向上分别提高了11.1%、21.1%。     

MGEX差分码偏差产品对BDS-3伪距单点定位的影响研究

为研究不同差分码偏差(differential code bias,DCB)产品对BDS-3伪距单点定位的影响,推导了BDS-3单频和双频无电离层组合伪距单点定位卫星端DCB改正模型,基于多模全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）实验跟踪网发布的中国科学院(Chinese Academy of Sciences, CAS)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt,DLR)两种DCB产品,并结合全球不同纬度均匀分布的国际GNSS服务测站连续7天的BDS-3实测数据对B1I、B1C和B2a单频与B1C/B2a、B1I/B3I两种常用无电离层组合伪距单点定位精度进行对比分析。实验结果表明,在B1I、B1C、B2a 3种频率和B1C/B2a、B1I/B3I两种组合中,CAS产品改正后的定位精度整体上优于DLR产品,具体来说,定位精度的平均值在E、N、U 3个方向上分别提高了3 cm、1 cm和6 cm。     

利用非组合精密单点定位技术确定斜向电离层总电子含量和站星差分码偏差

联合双频GPS数据,利用相位平滑伪距算法,可得到包含斜向电离层总电子含量（slant total electron content,sTEC）、测站和卫星差分码偏差（differential code bias,DCB）的电离层观测值（称之为＂平滑伪距电离层观测值＂）,常应用于与电离层有关的研究。然而,平滑伪距电离层观测值易受平滑弧段长度和与测站有关的误差影响。提出一种新算法：利用非组合精密单点定位技术（precise point positioning,PPP）计算电离层观测值（称之为＂PPP电离层观测值＂）,进而估计sTEC和站星DCB。基于短基线试验,先用一台接收机按上述两种方法估计sTEC,用于改正另一接收机观测值的电离层延迟以实施单频PPP,结果表明,利用PPP电离层观测值得到的sTEC精度较高,定位结果的可靠性较强。随后,选取全球分布的8个IGS（internationalGNSS service）连续跟踪站2009年1月内某四天的观测数据,利用上述两种电离层观测值计算所有卫星的DCB,并将计算结果与CODE发布的月平均值进行比较,其中,平滑伪距电离层观测值的卫星DCB估值与CODE（Centre for Orbit Deter mination in Europe）发布值的差别较大,部分卫星甚至可达0.2～0.3 ns,而PPP电离层观测值而言,绝大多数卫星对应的差异均在0.1 ns以内。     

北斗卫星伪距偏差标定及对用户定位精度影响

伪距偏差是指卫星导航信号非理想特征导致的不同技术状态接收机产生的伪距测量常数偏差。本文将伪距偏差作为一种用户段误差,提出基于并置接收机的伪距偏差计算方法和基于DCB参数的伪距偏差计算方法,以实现伪距偏差与其他误差的分离。然后利用实测数据测量了北斗卫星伪距偏差,结果表明伪距偏差标定序列波动STD约为0.1 m,不随时间明显变化,不同地点接收机测量的伪距偏差具有较好的一致性。在1.5 G频段,北斗卫星B1I频点伪距偏差最大。北斗卫星新体制信号B1C伪距偏差最小,较北斗卫星B1I频点伪距偏差明显改善,也明显好于GPS卫星L1C/A频点伪距偏差。在其他频段,GPS卫星L2C伪距偏差略大于北斗卫星B3I伪距偏差,L5C频点伪距偏差次之,B2a频点伪距偏差最小。最后,利用实测数据分析了伪距偏差对定位精度的影响。结果表明伪距偏差与卫星群延迟参数高度相关。若用户接收机与群延迟参数计算采用的接收机技术状态差异较大,用户接收机定位精度将明显恶化。     

P1C1码偏差对精密单点定位收敛速度影响分析

本文分析卫星端差分码偏差(DCB)产生的原理,根据伪距观测方程推导了精密单点定位(PPP)的DCB改正公式。采用MGEX参考站数据及精密产品进行PPP解算,详细分析了P1C1码偏差对定位参数收敛时间的影响。结果表明,改正DCB对于提高PPP收敛速度效果明显,其中静态PPP收敛时间平均缩短10 min,动态PPP平均缩短20 min,改正P1C1-DCB对PPP精度影响一般在毫米级水平。      

BDS-3不同类型卫星对BDS-2伪距定位性能提升定量分析

针对北斗三号（BDS-3）不同类型卫星对北斗二号（BDS-2）伪距单点定位性能的影响,基于iGMAS机构发布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）、中圆轨道（MEO）、全部BDS-3卫星对BDS-2卫星可见数、位置精度因子（PDOP）值以及伪距单点定位精度的影响．经研究发现,BDS-3不同卫星对BDS-2卫星可见数、卫星空间几何结构以及伪距单点定位精度提升程度不同,MEO卫星的提升程度优于IGSO卫星和GEO卫星,三种类型卫星对BDS-2定位性能提升量之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位性能提升量相当．      

北斗三频数据的两个无电离层组合轨道钟差估计及其应用

本文针对全球连续监测评估系统（iGMAS）和国际多系统GNSS试验计划（MGEX）两个观测网接收到不同频率北斗卫星数据的情况,提出了一种北斗卫星（BDS）3个频率（B1I、B2I、B3I）的两种无电离层组合（B1/B3和B1/B2）数据精密定轨（POD）和钟差估计（CE）方法。该方法可以统一处理上述两个观测网收到的北斗二代（BDS-2）,北斗三代试验系统（BDS-3e）和北斗三代全球系统（BDS-3g）3个频率的观测数据,并在一次程序运行中对所有北斗卫星进行联合处理,可有效提高一次运行的数据使用率,从而提高参数估计精度。采集了多天iGMAS、MGEX的GPS和BDS数据进行试验。结果表明,对BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨时,采用三频两组合方法后由于增强了观测几何,BDS轨道重叠RMS为15.9 cm,比传统双频法定轨精度提高11.3%。新方法引入了与卫星端3个频率相关的码偏差,该量多天估计结果稳定,证明了模型和方法可靠。将新方法用于BDS-3g+BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨,6颗BDS-3g的MEO卫星轨道重叠RMS为14.5 cm,钟差重叠RMS为0.43 ns,与BDS-3e的15.1 cm和0.49 ns相当。开展了北斗卫星精密单点定位（PPP）试验,结果显示增加了BDS-3g的6颗MEO的精密轨道和钟差后,测站定位精度水平为39.6 mm,天顶为37.8 mm,比仅用BDS-2和BDS-3e卫星定位精度提高了11.1%。     

星间单程伪距联合监测站数据确定北斗三号卫星轨道和钟差

提出利用原始单程星间伪距数据联合地面监测站载波相位和伪距数据同时确定北斗卫星轨道和钟差的方法。该方法引入时间窗概念,用多项式表示卫星钟差,从而能够直接对非同时观测的原始单程伪距数据进行平差处理。收集中国境内的6个iGMAS监测站和星间测距数据对北斗三号卫星进行轨道和钟差确定试验。结果表明,轨道重叠段互差在R、T和N方向的RMS分别为0.078、0.321和0.375 m,钟差重叠段互差的RMS和STD分别达到0.589和0.519 ns。相比于仅用国内监测站数据的结果,轨道和钟差的改进幅度分别超过80%和60%。星间链路单程伪距残差的平均RMS为0.083 m,星间链路信号发射和接收设备时延偏差估值的平均稳定度分别为0.53和0.72 ns。     

GEO卫星对BDS-3伪距单点定位性能定量提升分析

地球静止轨道（GEO）卫星是北斗卫星导航系统（BDS）星座的主要组成部分,为分析其对北斗三号（BDS-3）定位性能的影响,本文基于MGEX跟踪站实测数据,分析了GEO卫星对BDS-3伪距单点定位精度的影响．经研究发现,GEO卫星能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,能有效提升BDS-3伪距单点定位精度,北斗二号（BDS-2）／BDS-3 GEO卫星使BDS-3伪距单点定位精度的提升量优于任一单系统GEO卫星,GEO卫星对BDS-3伪距单点定位水平向定位精度提升在30％以内,对高程方向定位精度提升在20％以内．      

BDS-3新频率与Galileo单频组合伪距单点定位精度分析

为对比分析北斗三号（BDS-3）/Galileo相同频率伪距单点定位精度,基于MGEX（Multi-GNSS Experiment）分布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3、Galileo以及BDS-3/Galileo单系统单频、双系统相同频率组合和非相同频率组合伪距单点定位精度. 经研究发现,BDS-3/Galileo相比单系统有效提升了卫星可见数与卫星空间分布几何结构,在单系统定位方面,BDS-3系统B1C和B2a伪距单点定位精度优于Galileo对应相同频率的伪距单点定位精度,在双系统定位方面,BDS-3/Galileo相同频率组合伪距单点定位精度优于非相同频率组合,双系统组合定位对Galileo单系统定位精度提升优于BDS-3,表明BDS-3相同频率的设计有效地提升了与Galileo系统的兼容性.      

北斗三号卫星多频多通道差分码偏差估计与分析

差分码偏差(DCB)是电离层建模与导航定位授时的主要误差源,北斗多频多通道信号衍生出一系列新的DCB。本文首先分析了北斗三号卫星的码观测值组合及可估的DCB类型,建立了北斗三号卫星多频码偏差估计的数学模型,利用IGS实测数据首次估计得到了22种不同类型的北斗DCB。在此基础上,全面比较分析了各类DCB的内符合精度、外符合精度及月稳定度。结果表明,北斗三号卫星各类DCB的闭合差基本都在0.2 ns以内,具有较好的内符合精度;估计结果与中科院(CAS)、德国宇航中心(DLR)提供的DCB产品具有一致性,与CAS的6种DCB偏差基本在0.1 ns以内,与DLR的4种DCB偏差基本在0.2 ns以内;由于误差传递的影响,通过线性转换得到DCB值的精度和可靠性不及DCB直接估计量;北斗三号卫星各类DCB的月平均标准差为0.083 ns,具有较好的中长期稳定性;相较于北斗二号卫星,北斗三号卫星的DCB稳定性相对更优。     

A study on the dependency of GNSS pseudorange biases on correlator spacing

We provide a comprehensive overview of pseudorange biases and their dependency on receiver front-end bandwidth and correlator design. Differences in the chip shape distortions among GNSS satellites are the cause of individual pseudorange biases. The different biases must be corrected for in a number of applications, such as positioning with mixed signals or PPP with ambiguity resolution. Current state-of-the-art is to split the pseudorange bias into a receiver- and a satellite-dependent part. As soon as different receivers with different front-end bandwidths or correlator designs are involved, the satellite biases differ between the receivers and this separation is no longer practicable. A test with a special receiver firmware, which allows tracking a satellite with a range of different correlator spacings, has been conducted with live signals as well as a signal simulator. In addition, the variability of satellite biases is assessed through zero-baseline tests with different GNSS receivers using live satellite signals. The receivers are operated with different settings for multipath mitigation, and the changes in the satellite-dependent biases depending on the receivers’ configuration are observed.     

BDS-3数据质量及SPP定位性能分析

北斗三号（BDS-3）已完成建设,在此之际对BDS-3观测数据质量及定位性能进行研究分析是一项很有意义且必要的工作. 本文利用MGEX（Multi-GNSS Experiment）站的观测数据评估分析了BDS-3的观测数据质量及伪距单点定位精度,并同时与北斗二号（BDS-2）、GPS的定位精度进行对比分析. 结果表明:BDS-3在各测站的数据完整率都在95%以上;各频段的信噪比均值均高于45 dB·Hz,但地球静止轨道（GEO）卫星信噪比频繁大幅波动;各类型卫星的伪距多路径平均值都低于35 cm,大部分卫星的伪距观测值噪声普遍小于0.3 m. BDS-2/BDS-3组合定位精度相较于BDS-2、BDS-3均有不同幅度的提升,但在高纬度地区对BDS-3定位精度提升幅度很小. BDS-3在全球各区域均能获得水平优于3 m、高程优于4 m的定位精度,与GPS定位性能大致相当.      

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。