一种改进的卫星钟差实时解算算法研究

卫星钟差是卫星定位的重要误差源,实时卫星钟差更是实时精密单点定位的关键技术.基于超快速预报轨道的非差法卫星钟差实时解算,卫星钟差精度会受伪距噪声的影响.基于滤波的参数估计方法,在固定模糊度后,利用载波相位联合模糊度修复伪距,可以削弱伪距噪声,提高卫星钟差解算精度.在实时卫星钟差解算中还可加快模糊度参数的收敛.     

利用单站GPS数据进行星载钟短期稳定性分析

高精度的卫星钟差是进行精密定位服务的关键,对于实时无模糊度精密单点定位来说,需要对广播星历卫星钟差进行历元差分来实现单站位移的解算,但钟差精度的历元间变化会对解算结果产生影响.对星载原子钟的短期稳定性进行分析,可以了解不同卫星钟差的时频特性,对研究广播星历钟差精度变化情况、提高单站位移解算精度具有重要的意义.本文利用单站GPS数据进行星间相对钟差的估计,然后基于相对钟差估计结果对星载RB钟的短期稳定性进行快速分析.通过实测的GPS数据进行实验,结果表明利用单站GPS数据估计的3 h的相对钟差精度要优于0.5 ns;阿伦方差计算结果表明BlockⅡF卫星RB钟短期稳定性最优,BlockⅡRM卫星和BlockⅡR卫星RB钟的短期稳定性基本相当,但要低于BlockⅡF卫星.     

顾及频率间偏差的GPS/GLONASS卫星钟差实时估计

GPS/GLONASS卫星钟差联合估计过程中，由于GLONASS系统采用频分多址技术区分卫星信号，因而会产生频率间偏差（IFB）^[1]。本文在GPS/GLONASS卫星定轨过程中的IFB参数特性分析的基础上，引入IFB参数，实现顾及频率间偏差的GPS/GLONASS卫星钟差实时估计。同时，为解决实时估计中待估参数过多导致的实时性较弱等问题，基于非差伪距观测值和历元间差分相位观测值改进实时估计数学模型，实现多系统卫星钟差的联合快速估计。结果表明：GPS/GLONASS联合估计时需引入IFB参数并优化其估计策略，采用MGEX和iGMAS跟踪站的实测数据进行实时钟差解算，快速估计方法可实现1.6 s逐历元快速、高精度估计，与GBM提供的最终精密卫星钟差相比，GPS卫星钟差实时精度约为0.210 ns，GLONASS卫星约为0.298 ns。     

顾及GEO卫星约束的长距离BDS三频整周模糊度解算

长距离BDS三频载波相位整周模糊度解算受大气误差残余的影响较大,GEO卫星相对于地球静止也非常不利于载波相位整周模糊度的解算。利用GEO卫星的信号传播路径相对较稳定、大气延迟误差的影响不随卫星空间位置变化的特点,对GEO卫星进行更符合实际情况的大气延迟误差约束研究。利用GEO卫星B2和B3载波相位整周模糊度线性关系,降低测站差分电离层延迟误差残余对模糊度备选值的影响,进行B2和B3载波相位整周模糊度备选值的选择。通过三频载波相位整周模糊度间不包含观测误差影响的线性关系对模糊度备选值组合进行检测,并对模糊度搜索空间进行约束。利用历元间GEO卫星的模糊度备选值判断历元间电离层延迟误差残余的变化,对GEO卫星的参数估计进行更符合实际情况的约束。研究了顾及GEO卫星实际大气延迟变化和整周模糊度约束的长距离BDS三频载波相位整周模糊度解算方法。提出了利用历元间模糊度备选值确定电离层延迟约束值的方法,对GEO卫星历元间随机游走的约束值进行符合实际情况的调整。试验结果表明,本文的方法能够提高三频载波相位整周模糊度解算的效率和测站位置的精度。     

GNSS增强系统中精密实时钟差高频估计及应用研究

GNSS星基差分增强系统依赖于实时轨道及钟差增强信息。本文主要研究多GNSS实时精密钟差估计模型,在传统非差基础上优化待估参数,实现了一种高效的Multi-GNSS实时钟差简化估计模型。基于PANDA软件开展了实时轨道数据处理与分析,经过验证可获得的GPS/北斗MEO/Galileo实时轨道径向精度1~5cm,北斗GEO/IGSO卫星径向精度约10cm。分析发现本文优化的实时钟差简化估计模型单历元解算效率较高,可应用于实时钟差增强信息高频(如1Hz)更新,且解算获得的实时钟差不存在常偏为绝对钟差;基于实时轨道,通过该模型可获得实时钟差精度GPS约0.22ns,北斗GEO约0.50ns、IGSO/MEO约0.24ns,Galileo约0.32ns。在此基础上,利用目前所获取的MultiGNSS实时数据流搭建了Multi-GNSS全球实时增强原型系统,并基于互联网实时播发增强信息,可初步实现实时PPP厘米级服务、伪距米级导航定位服务。     

长距离网络RTK基准站间整周模糊度单历元确定方法

提出一种长距离(100～200km)网络RTK基准站间的整周模糊度单历元确定方法。该方法首先利用载波相位模糊度间的线性约束关系对双差宽巷模糊度进行搜索。为了减小非弥散误差残差对载波相位模糊度解算的影响,采用了一种新的根据高度角重新选择基准卫星的方法。然后根据双差宽巷模糊度选取双频载波相位模糊度的备选组合,利用基准站间非弥散误差残差的计算值对双差载波相位模糊度进行搜索和确定。经试验算例的验证,该方法快速、稳定,不受周跳影响,只需一个历元的观测数据即可确定长距离基准站间的双差整周模糊度。     

BDS网络RTK中距离参考站整周模糊度单历元解算方法

提出了一种BDS网络RTK中距离(50~100 km)参考站间的双频载波相位整周模糊度单历元解算方法。该方法首先利用B1、B2载波相位整周模糊度间的线性关系选取B1、B2载波相位整周模糊度备选值。利用双频载波相位整周模糊度备选值计算双差电离层延迟误差,根据参考站各卫星电离层延迟误差间的空间关系,使用双差电离层延迟误差构建双差电离层延迟误差的线性计算模型。通过双差电离层延迟误差线性计算模型的建立搜索和确定B1、B2载波相位的整周模糊度。经CORS网实测数据试验算例的验证,该方法只需一个历元的观测数据即可确定参考站间双差B1、B2载波相位整周模糊度,且不受周跳影响。     

基于车载移动测量的GNSS定位方法

针对车载移动测量需要高频高精度的动态差分定位解算的问题,文中介绍利用GPS、北斗、GLONASS三个卫星导航系统进行载波相位动态差分的解算方法。首先利用双频观测值组成双差宽巷观测方程,利用M-W组合求出较高精度的宽巷模糊度浮点解,然后对宽巷模糊度进行搜索固定;接着对载波双差的基础模糊度进行搜索固定;最后将固定的模糊度代入载波相位双差观测方程,利用最小二乘求解测站坐标。文中使用该方法对车载GNSS实测数据进行解算,最终可得到厘米级别的定位结果。     

非差导航卫星实时/事后精密钟差估计

研究了导航卫星精密钟差的估计算法,实现了基于非差载波相位观测值的实时和事后精密卫星钟差的解算,并与IGS分析中心提供的精密钟差产品进行了比较。结果表明,采用自编软件解算的事后精密卫星钟差与IGS最终精密钟差产品具有较好的一致性,其互差仅为0.05ns左右;实时估计结果与CODE提供的事后钟差产品符合较好,二者差异为0.1ns左右。     

北斗卫星钟差近实时估计模型及其实现

为更快地获取高可靠性、高精度的天顶对流层延迟,提出了选择历元间差分与非差组合模型为函数模型,对BDS/GPS钟差参数采用近实时方式进行估计。为此,从全球范围内均匀选取45个MGEX跟踪站,使用GFZ的超快速轨道产品为钟差估计提供初始轨道信息,并以事后产品为参考值。试验结果表明,GPS实时钟差的精度优于0.06 ns,略低于事后钟差估计精度,三类BDS卫星的实时钟差估计精度均在0.04~0.08 ns,其中GEO卫星的准实时钟差精度略低于IGSO和MEO卫星,满足近实时天顶对流层延迟估计的需求。     

A modified mix-differenced approach for estimating multi-GNSS real-time satellite clock offsets

A modified mixed-differenced approach for estimating multi-GNSS real-time clock offsets is presented. This approach, as compared to the earlier presented mixed-differenced approach which uses epoch-differenced and undifferenced observations, further adds a satellite-differenced process. The proposed approach, based on real-time orbit products and a mix of epoch-differenced and satellite-differenced observations to estimate only satellite clock offsets and tropospheric zenith wet delays, has fewer estimated parameters than other approaches, and thus its implementing procedure is efficient and can be performed and extended easily. To obtain high accuracy, the approach involves three steps. First, the high-accuracy tropospheric zenith wet delay of each station is estimated using mixed-differenced carrier phase observations. Second, satellite clock offset changes between adjacent epochs are estimated using also mixed-differenced carrier phase observations. Third, the satellite clock offsets at the initial epoch are estimated using satellite-differenced pseudorange observations. Finally, the initial epoch clock results and clock offset changes are concatenated to obtain the clock results of the current epoch. To validate the real-time satellite clock results, multi-GNSS post-processing clock products from IGS ACs were selected for comparison. From the comparison, the standard deviations of the GPS, GLONASS, BeiDou and Galileo systems clock results are approximately 0.1–0.4 ns, except for the BeiDou GEO satellites. The root mean squares are about 0.4–2.3 ns, which are similar to those of other international real-time products. When the clock estimates were assessed based on a pseudo-kinematic PPP procedure, the positioning accuracies in the East, North and Up components reach 5.6, 5.5 and 7.6 cm, respectively, which meet the centimeter level and are comparable to the application of other products.     

卫星钟差单差的小波神网络预报

针对现有卫星钟差预报模型对非平稳过程预报的局限性,提出基于卫星钟差一次差值的小波神经网络预报模型。对在轨卫星钟差求取一次差值的基础上,运用小波神经网络模型预报GPS卫星钟差,同时与GM(1,1)模型预报的结果进行比较。得出BlockΠA Cs短期预报的精度能达到0.690ns,14d预报的精度最差时依然优于1ns;其余稳定性良好的卫星钟,一天预报的结果均要优于0.207ns,预报14d卫星钟差的平均精度优于0.183ns,部分卫星钟差预报精度可以达到0.050ns,预报得到的结果可以达到GPS对实时精密单点定位的要求。     

基于钟差解耦的GNSS精密单点定位模糊度固定模型及效果分析

精密单点定位模糊度固定可以显著提升定位精度,钟差解耦模型作为一种重要的模糊度固定模型,却鲜有文献对其进行研究。本文首先给出了基于钟差解耦模型的用于模糊度固定的产品估计策略,分析了传统的消电离层模型和钟差解耦模型钟差重构形式的差异,导出了提取卫星码偏差的钟差估计模型。然后,深入研究了钟差解耦模型在钟差估计收敛速度等方面的优势。不同于其他模型将宽巷模糊度偏差视为天内常数,钟差解耦模型逐历元估计该偏差项,基于此展开对宽巷模糊度偏差天内时变特性的研究。最后,评价了解耦钟差的精度,并利用解耦钟差产品进行精密单点定位模糊度固定试验。结果表明,相比于提取卫星码偏差的卫星钟差估计模型,钟差解耦模型在钟差估计中的收敛速度更快,钟差产品更加稳定;宽巷模糊度偏差在天内较为稳定;解耦钟差产品具有较高的精度,相比于传统消电离层组合模型,基于该产品的精密单点定位模糊度固定可显著提升定位精度。     

基于广播星历的单站载波相位授时算法

针对传统单站授时算法的局限性,提出了一种基于广播星历的单站载波相位授时算法。该算法在标准单点定位授时算法仅采用伪距观测量的基础上,增加了载波相位观测量,授时精度得到了显著改善;该算法与精密单点定位授时算法相比,不需要精密轨道和钟差,摆脱了IGS等外部事后精密星历产品的依赖,能够广泛应用于实时授时。并利用IGS站观测数据进行实验分析,结果表明,单站载波相位授时精度明显优于标准单点定位授时算法,授时精度可达1~2 ns。     

BDS卫星实时钟差估计

随着无人驾驶等高新技术的快速发展，实时精密单点定位在GNSS领域中受到越来越多的关注。研究实时卫星钟差的获取和实时定位精度具有较大的现实意义，本文为研究耦合BDS卫星轨道、钟差产品对定位精度的影响，采用不同精度的轨道产品实时获取卫星钟差。分析了卫星钟差误差与轨道误差之间的相关性及钟差对轨道误差的吸收能力，发现卫星钟差能够吸收95%以上的轨道径向误差和部分切线误差，在一定程度上弥补了轨道误差引起的定位误差。采用耦合的卫星轨道、钟差产品，单BDS系统定位精度可达到分米级的定位结果。     

基于IGU星历的实时卫星钟差加密方法研究

主要介绍了利用IGS提供的超快速观测星历和预报星历进行5 min和30 s实时卫星钟差获取的方法,并对利用这两种星历文件获取的卫星钟差与IGS提供的最终星历做比较,最后得出结论：基于IGS的超快速观测星历采用线性模型预报实时卫星钟差的精度高于基于IGS超快速预报星历采用三次样条函数直接内插获得的实时卫星钟差的精度,可以达到3 ns,能够满足一般实时单点定位的精度要求。     

顾及码频间偏差的GPS/GLONASS实时卫星钟差估计

在进行GPS/GLONASS联合卫星钟差估计时,GLONASS码频间偏差（inter-frequency bias,IFB）因卫星频率间的差异而无法被测站接收机钟差参数吸收,其一部分将进入GLONASS卫星钟差估值中。通过引入多个"时频偏差"参数（inter-system and inter-frequency bias,ISFB）及附加基准约束对测站GLONASS码IFB进行函数模型补偿,实现其与待估卫星钟差参数的有效分离,并对所估计实时卫星钟差和实时精度单点定位（real-time precise point positioning,RT-PPP）进行精度评估。结果表明,在卫星钟差估计观测方程中忽略码IFB,会明显降低GLONASS卫星钟差估值精度;新方法能有效避免码IFB对卫星钟差估值的影响,所获得GPS、GLONASS卫星钟差与ESA（European Space Agency）事后精密钟差产品偏差平均均方根值分别小于0.2 ns、0.3 ns。利用实时估计卫星钟差进行静态RT-PPP,当观测时段长为2 h时,GPS单系统、GPS/GLONASS组合系统的3D定位精度优于10 cm,GLONASS单系统3D定位精度约为15 cm;三种模式24 h单天解的3D定位精度均优于5 cm。     

北斗/GPS实时精密卫星钟差融合解算模型及精度分析

实时GNSS精密单点定位(PPP)技术必须使用实时的高精度卫星精密轨道和钟差。本文研究了精密卫星钟差融合解算模型及策略,并利用滤波算法实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法。仿真实时试验结果显示:获得的北斗/GPS实时钟差与GFZ事后多GNSS精密钟差(GBM)的标准差在0.15 ns左右;使用该钟差进行GPS动态PPP试验,收敛后水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm;使用仿真实时钟差进行的北斗动态PPP与使用GFZ事后多GNSS精密钟差开展的试验相比精度相当,可实现分米级定位。     

Combined GPS and BDS for single-frequency continuous RTK positioning through real-time estimation of differential inter-system biases

Double-differenced (DD) ambiguities between overlapping frequencies from different GNSS constellations can be fixed to integers if the associated differential inter-system biases (DISBs) are well known. In this case, only one common pivot satellite is sufficient for inter-system ambiguity resolution. This will be beneficial to ambiguity resolution (AR) and real-time kinematic (RTK) positioning especially when only a few satellites are observed. However, for GPS and current operational BDS-2, there are no overlapping frequencies. Due to the influence of different frequencies, the inter-system DD ambiguities still cannot be fixed to integers even if the DISBs are precisely known. In this contribution, we present an inter-system differencing model for combined GPS and BDS single-frequency RTK positioning through real-time estimation of DISBs. The stability of GPS L1 and BDS B1 DISBs is analyzed with different receiver types. Along with parameterization and using the short-term stability of DISBs, the DD ambiguities between GPS and BDS pivot satellites and the between-receiver single-difference ambiguity of the GPS pivot satellite can be estimable jointly with the differential phase DISB term from epoch to epoch. Then the inter-system differencing model can benefit from the near time-constant DISB parameters and thus has better multi-epoch positioning performance than the classical intra-system differencing model. The combined GPS and BDS single-frequency RTK positioning performance is evaluated with various simulated satellite visibilities. It will be shown that compared with the classical intra-system differencing model, the proposed model can effectively improve the positioning accuracy and reliability, especially for severely obstructed situations with only a few satellites observed.