GPS、BDS、GPS+BDS精密单点定位精度评估

由于北斗系统卫星正式完成组网,因此有必要对BDS系统性能进行精度评估与分析。本文选取了MGEX网所采集的31 d观测数据,对比分析了GPS、BDS、GPS+BDS不同情况下静态与动态精密单点定位精度。试验结果表明,GPS和BDS单系统静态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于4、4、7 cm;GPS+BDS组合系统静态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于3、3、6 cm;GPS单系统动态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于5、5、10 cm;BDS单系统动态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于5、6、12 cm;GPS+BDS组合系统动态PPP在N、E、U方向上的精度分别优于4、4、8 cm。因此组合系统相对于单系统可提高定位的稳定性和定位精度,尤其在动态PPP的情况下,组合系统的优势更为明显。     

嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位方法

实时性和动态性是精密单点定位面临的关键问题。本文基于实时轨道钟差改正产品,讨论了GPS/BDS实时精密单点定位数学模型及误差处理方法。搭建嵌入式软硬件平台,研制出一套具有实时GPS/BDS双系统高精度定位功能的嵌入式设备。测试结果表明,对于嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位,静态条件下平面方向优于3 cm,高程方向优于8 cm;动态条件下平面方向优于12 cm,高程方向优于15 cm。     

全球区域BDS、GPS、BDS+GPS静动态PPP定位精度评估分析

利用全球区域的7个IGS站的观测数据以及GPS和BDS的精密轨道和钟差产品,分析了BDS、GPS和BDS+GPS组合的卫星数量、几何空间分布以及静动态PPP精度。实验结果表明,GPS在全球7个测站的卫星数在10颗左右,卫星分布较均匀;BDS在Alic(大洋洲)、Iisc(亚洲)、Zamb(非洲)的卫星数明显多于GPS,其余测站卫星数量相当。数据表明,GPS+BDS卫星数量和卫星几何空间分布状态明显优于单系统。在静态PPP中,BDS在Maw1(南极洲)和Unsa(南美洲)精度略低于GPS,其余测站精度相当;GPS+BDS在7个测站U、N、E方向基本在1 cm左右,相对BDS、GPS单系统定位精度有一定提升。在动态PPP中,BDS在Nlib(北美洲)、Unsa的定位精度低于GPS,其余测站定位精度则要优于GPS,但BDS和GPS单系统在全球区域定位性能都不够稳定。GPS+BDS在7个测站U、N、E方向定位精度分别优于0.06 m、0.03 m、0.03 m,在动态PPP中相对于BDS和GPS 7个测站的精度均有提升,说明了GPS+BDS组合可以提高PPP精度并且可以极大改善定位的可靠性。     

GPS/BDS组合实时动态精密单点定位

针对常规模式下。单系统实时精密单点定位精度受接收机环境和可视卫星数量影响严重等问题,研究了GPS/BDS双系统实时精密单点定位,采用非差无电离层组合载波和伪距观测值,详细推论了Kalman滤波参数估计方法的基本原理,并利用其进行参数估计,最后通过IGS站和实测数据进行了实时PPP实验,实验表明:GPS/BDS双系统定位模式较GPS单系统有明显改善,在E、N、U方向收敛后RMS值分别达到0.125 m、0.117 m、0.289 m,较单系统在各方向分别改善了11.9%、18.1%、22.5%。证明了GPS/BDS实时PPP能够达到分米级到厘米级定位精度。     

不同截止高度角BDS/GPS伪距单点定位性能分析

针对在不同截止高度角的情况下,BDS单系统、GPS单系统和BDS/GPS组合系统三者伪距单点定位的精度差异,该文对三者伪距单点定位的数学模型和不同误差的处理方法进行了研究。分别进行了BDS单系统、GPS单系统和组合系统在截止高度角分别为15、30、50°时伪距单点定位的数据处理实验。结果表明,15°和30°时,组合系统在E、N、U各方向上的定位结果较单系统平稳,定位精度优于单系统;单系统在截止高度角为50°时不能定位或定位结果不可靠,而组合系统仍能达到定位要求。     

北斗/GNSS机载动态PPP性能分析

针对基于机载动态场景下的实测数据,使用开源的PRIDE PPP-AR软件,采用伪距和载波相位观测值构建双频的消电离层组合(IF)进行了动态精密单点定位(PPP)实验,并对比了单北斗卫星导航系统(BDS)以及BDS/GNSS在进行机载大动态PPP定位方面的性能. 结果表明:多系统组合在卫星数、卫星几何构型以及位置精度衰减因子(PDOP)等方面均优于单系统,且对比单GPS而言,平面(东(E)、北(N)、高程(U))方向的定位精度分别提升了10%和12%;此外将开源软件PRIDE PPP-AR的解算结果与商业软件WayPoint进行了对比,结果表明前者的定位精度在E和U方向分别提升了46%和36%,N方向提升最多,提升了近2倍,因而PRIDE PPP-AR具备更高的动态解算精度与可靠性.      

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。      

GPS/Galileo/QZSS精密单点定位精度分析

针对多系统组合精密单点定位性能,基于MEGX跟踪站实测数据,分析了单系统、双系统以及三系统组合下的动态、静态精密单点定位性能.经研究发现,相较于单双系统,三系统组合能有效增加卫星可见数,改善卫星空间分布结构,提高精密单点定位精度.三系统组合静态精密单点定位E、N、U方向的RMS值和收敛时间分别为0.68 cm、1.11 cm、1.55 cm和12 min、11 min、15 min;动态精密单点定位E、N、U方向的RMS值和收敛时间分别为0.91 cm、1.14 cm、3.79 cm和13 min、10 min、16 min.     

BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo双频精密单点定位精度分析与评价

由于北斗卫星导航系统(BDS)已完成正式组网,有必要对BDS的定位性能进行精度评估与分析. 本文主要通过在MGEX (Multi-GNSS Experiment)选取8个测站5天的观测数据,以北斗二号/北斗三号(BDS-2/BDS-3)为主分析BDS-2/BDS-3、BDS-2/BDS-3/Galileo、BDS-2/BDS-3/GPS、BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo四种不同组合卫星系统静态精密单点定位(PPP)性能,试验结果表明:BDS-2/BDS-3静态PPP在东(E)、北(N)、天顶(U)方向上的定位精度和收敛速度分别优于2.49 cm、2.27 cm、4.04 cm和34.6 min、19.3 min、28.1 min;BDS-2/BDS-3/Galileo静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.81 cm、1.65 cm、2.94 cm和20.4 min、13.0 min、18.6 min;BDS-2/BDS-3/GPS静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.67 cm、1.62 cm、2.82 cm和18.3 min、10.2 min、16.1 min;BDS-2/BDS-3/GPS/Galileo静态PPP在E、N、U方向上的定位精度和收敛速度分别优于1.46 cm、1.40 cm、2.45 cm和14.5 min、9.3 min、14.5 min.      

BDS精密单点定位滤波方法分析

针对精密单点定位(precise point positioning,PPP)初始阶段定位精度较低、无法利用定位结果的问题,验证平滑滤波算法在BDS静态PPP定位解算中的可行性并分析定位性能;针对平滑滤波算法具有平均效应,探讨不同时长的观测值对于点位精度的影响。实验表明:平滑滤波算法在BDS精密单点定位中的结果优于前向和后向滤波,相对于单向滤波在E、N、U方向RMS值平均减少73%—80%,极大地提高了BDS静态PPP定位的精度;其次,随着观测时间的增加,定位精度在质量好的数据下仅会造成毫米级的浮动。     

BDS/GPS精密单点定位收敛时间与定位精度的比较

采用武汉大学卫星导航定位技术研究中心发布的北斗精密卫星轨道和钟差,在TriP 2.0软件的基础上实现了BDS PPP定位算法,并利用大量实测数据进行了BDS/GPS静态PPP和动态PPP浮点解试验。结果表明,BDS静态PPP的收敛时间约为80min,动态PPP的收敛时间为100min;对于3h的观测数据,静态PPP收敛后定位精度优于5cm,动态PPP收敛后水平方向优于8cm,高程方向约12cm;与GPS PPP类似,东分量上定位精度较北分量稍差。当前由于BDS的全球跟踪站有限,精密轨道和钟差精度不如GPS,因此BDS PPP的收敛时间较GPS长,但收敛后可实现厘米至分米级的绝对定位。     

BDS不同轨道卫星精密单点定位性能分析

为了分析北斗不同轨道卫星对定位结果的影响,从而更好地利用我国自主研发的北斗卫星导航系统。该文采用亚太地区7个MGEX测站12d观测数据,进行静态、后处理动态和模拟实时动态3种模式的精密单点定位实验。实验结果表明,在北斗3类轨道卫星等权的情况下,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星对定位结果贡献最大;北斗两类轨道卫星组合中,IGSO+MEO组合定位精度最高,其静态精密单点定位(PPP)在E、N、U方向的RMS分别为0.62、0.39、3.71cm,后处理动态和模拟实时动态PPP的RMS为分米级;北斗各类轨道卫星与GPS组合定位中,GPS+IGSO+MEO组合定位结果收敛速度最快,收敛时间为26.30min。     

北斗三频精密单点定位模型比较及定位性能分析

在Trip软件的基础上实现了北斗三频无电离层两两组合、三频消电离层组合和三频非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）算法。利用12个陆态网观测站的北斗三频观测数据对3种三频PPP定位模型及传统的双频无电离层组合PPP模型的定位性能进行分析。试验结果表明,对大多数测站,3种三频PPP模型静态定位精度水平方向优于1 cm,高程方向优于2 cm,动态定位精度水平方向优于4 cm,高程方向优于6 cm;3种三频PPP模型静态收敛时间约为120 min,动态收敛时间约180 min;相比于传统的双频PPP模型,三频PPP模型的定位精度有所提高,其中,三频非组合模型静态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高36.1%和6.3%,动态单天解RMS在水平方向和高程方向分别提高9.1%和6.3%。     

PPP/PPP-RTK新进展与北斗/GNSS PPP定位性能比较

首先简要回顾了精密单点定位（PPP）技术在最近几年的发展现状,重点总结了高采样率钟差实时快速估计、多系统组合PPP模糊度固定、多频GNSS PPP模型及其模糊度固定、PPP快速初始化、PPP-RTK等若干热点方向的最新研究进展。在此基础上,利用目前四大卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo、北斗）最新的实际观测数据,全面比较分析了各系统及多系统组合PPP定位性能,重点给出了北斗二号+北斗三号PPP浮点解和固定解的定位精度、收敛时间和首次固定时间。结果表明：我国北斗导航卫星系统已经可以实现与其他导航卫星系统基本相当的PPP定位性能。北斗二号+北斗三号组合PPP的收敛时间/首次固定时间20~30 min;静态解的东、北、天方向定位精度在毫米到厘米级;动态解水平方向约5 cm,高程方向约7 cm;多系统组合可显著提高PPP定位精度、收敛时间和首次固定时间：固定解定位精度比浮点解在东、北、天方向分别提升了14.8%、12.0%和12.8%;相比单GPS,多系统组合PPP浮点解的收敛时间和固定解首次固定时间分别缩短了36.5%和40.4%。     

Spatial–temporal characteristic of BDS phase delays and PPP ambiguity resolution with GEO/IGSO/MEO satellites

GPS precise point positioning (PPP) ambiguity resolution (AR) can improve the positioning accuracy and shorten the convergence time. However, for the BeiDou Satellite Navigation System (BDS), the problems of satellite-induced code bias, imperfections in the error models and the inadequate accuracy of orbit products limit the applications of the BDS PPP AR system, which requires more than 6 h to achieve the first ambiguity-fixed solution. In this study, the accuracy of a wide-lane (WL) uncalibrated phase delay (UPD) is improved after careful consideration of the code bias and multipath. Meanwhile, the accuracy of the BDS float ambiguity is also improved by multi-GNSS fusion and improved precise orbit and clock products, which are critical for high-quality narrow-lane (NL) UPD estimations. With three tracking networks of different scales, including Hong Kong, the Crustal Movement Observation Network of China (CMONOC) and the multi-GNSS experiment (MGEX) networks, the spatial–temporal characteristics of WL and NL UPDs for BDS GEO/IGSO/MEO satellites are analyzed, and the PPP AR is performed. Numerous results show that WL and NL UPDs with a standard deviation (STD) of less than 0.15 cycles can be achieved for BDS GEO satellites, while a STD of less than 0.1 cycles can be obtained for IGSO and MEO satellites. With the precise UPD estimation, for the first time, the BDS PPP rapid ambiguity resolution for GEO/IGSO/MEO satellites is achieved. We found that the average time to first fix (TTFF) of the BDS PPP AR is shortened significantly, to approximately 40 min for Hong Kong and the CMONOC, while the TTFF was 57.4 min for the MGEX networks. With ambiguity resolution, the accuracy of the daily BDS PPP in the east, north and vertical directions improves from 1.74 cm, 1.08 cm, and 5.52 cm to 0.72 cm, 0.54 cm, and 3.21 cm for the Hong Kong network, 2.24 cm, 2.31 cm, and 5.64 cm to 1.18 cm, 0.79 cm, and 3.30 cm for the CMONOC, and 2.71 cm, 1.80 cm, and 6.00 cm to 1.58 cm, 1.15 cm, and 4.33 cm for the MGEX networks. Significant improvement is also achieved for kinematic PPP, with improvements of 40.41%, 34.33% and 37.17% in the east, north and vertical directions for the MGEX networks, respectively.     

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.      

Joint estimation of GPS/BDS real-time clocks and initial results

We present the joint estimation model for Global Positioning System/BeiDou Navigation Satellite System (GPS/BDS) real-time clocks and present the initial satellite clock solutions determined from 106 stations of the international GNSS service multi-GNSS experiment and the BeiDou experimental tracking stations networks for 1 month in December, 2012. The model is shown to be efficient enough to have no practical computational limit for producing 1-Hz clock updates for real-time applications. The estimated clocks were assessed through the comparison with final clock products and the analysis of post-fit residuals. Using the estimated clocks and corresponding orbit products (GPS ultra-rapid-predicted and BDS final orbits), the root-mean-square (RMS) values of coordinate differences from ground truth values are around 1 and 2–3 cm for GPS-only and BDS-only daily mean static precise point positioning (PPP) solutions, respectively. Accuracy of GPS/BDS combined static PPP solutions falls in between that of GPS-only and BDS-only PPP results, with RMS values approximately 1–2 cm in all three components. For static sites, processed in the kinematic PPP mode, the daily RMS values are normally within 4 and 6 cm after convergence for GPS-only and BDS-only results, respectively. In contrast, the combined GPS/BDS kinematic PPP solutions show higher accuracy and shorter convergence time. Additionally, the BDS-only kinematic PPP solutions using clock products derived from the proposed joint estimation model were superior compared to those computed using the single-system estimation model.     

Ambiguity resolved precise point positioning with GPS and BeiDou

This paper focuses on the contribution of the global positioning system (GPS) and BeiDou navigation satellite system (BDS) observations to precise point positioning (PPP) ambiguity resolution (AR). A GPS + BDS fractional cycle bias (FCB) estimation method and a PPP AR model were developed using integrated GPS and BDS observations. For FCB estimation, the GPS + BDS combined PPP float solutions of the globally distributed IGS MGEX were first performed. When integrating GPS observations, the BDS ambiguities can be precisely estimated with less than four tracked BDS satellites. The FCBs of both GPS and BDS satellites can then be estimated from these precise ambiguities. For the GPS + BDS combined AR, one GPS and one BDS IGSO or MEO satellite were first chosen as the reference satellite for GPS and BDS, respectively, to form inner-system single-differenced ambiguities. The single-differenced GPS and BDS ambiguities were then fused by partial ambiguity resolution to increase the possibility of fixing a subset of decorrelated ambiguities with high confidence. To verify the correctness of the FCB estimation and the effectiveness of the GPS + BDS PPP AR, data recorded from about 75 IGS MGEX stations during the period of DOY 123-151 (May 3 to May 31) in 2015 were used for validation. Data were processed with three strategies: BDS-only AR, GPS-only AR and GPS + BDS AR. Numerous experimental results show that the time to first fix (TTFF) is longer than 6 h for the BDS AR in general and that the fixing rate is usually less than 35 % for both static and kinematic PPP. An average TTFF of 21.7 min and 33.6 min together with a fixing rate of 98.6 and 97.0 % in static and kinematic PPP, respectively, can be achieved for GPS-only ambiguity fixing. For the combined GPS + BDS AR, the average TTFF can be shortened to 16.9 min and 24.6 min and the fixing rate can be increased to 99.5 and 99.0 % in static and kinematic PPP, respectively. Results also show that GPS + BDS PPP AR outperforms single-system PPP AR in terms of convergence time and position accuracy.     

不同卫星天线参数对BDS定轨定位精度的影响

论证了BDS精密单点定位时卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品保持一致的必要性。基于4组不同卫星天线参数BDS精密定轨RTN 3方向内符合精度，GEO卫星均在9.3、18.6、11.5 cm左右，IGSO卫星均在1.7、4.2、2.7 cm左右，MEO卫星均在2.1、5.1、4.8 cm左右，在R方向的差异小于5 mm，在TN方向的差异最大为2.4 cm；定轨结果与GFZ的事后精密产品比较，RTN 3方向外符合精度差异较明显，排除GEO卫星因定轨策略与GFZ差异较大的因素，IGSO和MEO外符合精度ESA和WHU相近，RTN 3方向均在10 cm以内，各分量上优于IGS和EST 1~10 cm，其中TN方向差异最显著。在保持BDS PPP使用的卫星天线参数与卫星轨道、钟差产品一致的前提下，4组卫星天线参数定位精度相近，其中静态定位最后一个历元水平和高程方向坐标偏差均在5 cm以内，动态定位收敛后坐标偏差RMS水平方向在10 cm以内、高程方向在15 cm以内；使用ESA和WHU天线参数动态定位平均收敛时间在46 min左右，IGS和EST天线参数动态定位平均收敛时间在56 min左右，略差于基于GFZ事后产品的收敛时间，其平均收敛时间在34 min左右。