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。     

北斗实时精密单点定位与精度分析

基于武汉大学卫星导航定位技术研究中心播发的北斗实时轨道和钟差产品,采用攀达时空北斗双频手持接收机,通过实测数据分析了单北斗实时PPP的收敛时间和定位精度。测试结果表明,北斗双频手持机实时PPP收敛时间比GPS长约0.5h,但收敛后,可以达到分米级甚至厘米级的动态定位精度,与GPS实时PPP的定位精度相当。     

北斗双频／三频静态精密单点定位性能比较与分析

针对目前仅北斗全星座提供三频观测数据,而不同线性组合模型影响精密单点定位(PPP)精度和收敛速度的问题,本文着重推导了北斗三频无电离层最优组合精密单点定位数学模型,以此为基础,采用大量实测数据进行北斗双频、三频静态PPP实验。结果表明,相比于北斗双频静态PPP,北斗三频静态PPP在收敛速度和定位精度上有所提高,绝对定位精度可达2～3 cm,与GPS双频精密单点定位水平相当。      

四川省BDS PPP可行性及精度分析

随着北斗系统(BDS)为亚太地区提供服务,我国北斗系统双频精密单点定位(PPP)的可行性与定位精度有待研究,为此本文首先探究了BDS双频无电离层组合PPP算法及卡尔曼滤波参数估计策略,并在此基础上开发相应数据处理软件,对四川连续运行参考站的BDS观测数据进行处理分析,结果表明BDS可以在四川省实现PPP,其平面精度5cm以内,高程精度10cm以内,定位精度目前不及GPS PPP。     

BDS-3实时精密单点定位精度分析

基于武汉大学自主研发的GNSS高精度数据处理软件PANDA,本文采用MGEX网测站BDS-2/BDS-3连续一周的观测数据,通过仿实时处理BDS-3精密轨道与钟差产品进行BDS-3卫星实时精密轨道产品重叠弧段评估,实时轨道径向精度优于10 cm,实时钟差STD优于0.3 ns。在此基础上验证分析了BDS-2、BDS-3及BDS-2+BDS-3融合的实时静态PPP与实时动态PPP定位。试验结果表明：BDS-3静态PPP定位精度水平优于2 cm,高程优于4 cm;BDS-2+BDS-3联合实时动态PPP收敛时间相较BDS-2分别提升了约38.2%、75.0%、49.7%;收敛后E方向精度优于3 cm,N方向精度优于2 cm,平均提升了38.2%,高程方向精度优于6 cm,平均提升了64%。     

区域电离层建模的单频伪距定位验证

针对电离层单层模型无法满足单频用户定位精度要求的问题,该文建立了区域电离层斜路径模型和单星多项式函数模型。基于河北省区域CORS站的实验结果表明:该文建立的区域电离层模型的拟合精度比CODE中心的格网电离层模型提高了近80%。并将其应用于北斗、GPS单频伪距单点定位,得出北斗的单点定位高程和平面定位精度分别优于3和2m,GPS的单点定位高程和平面定位精度分别优于1.5和1m;相对于CODE,GPS和北斗在平面及高程方向的定位精度均提高了50%左右。结果证明,采用斜路径电离层模型和多项式函数模型,可以较好地反映区域电离层的精细结构。     

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。     

北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估

目前,我国北斗卫星导航系统已完成星座区域组网,系统每2h提供一组电离层延迟Klobuchar模型参数。利用欧洲定轨中心(CODE)的高精度电离层格网数据作为参考,对北斗卫星导航系统电离层参数性能进行了精度评估分析,并进行了定位分析。数据表明,其修正精度一般在70%以上,北半球的修正误差在1.5m左右,而南半球的修正误差在3.5m左右;在北半球中纬度地区的修正精度比高纬度、低纬度地区高;北斗单频伪距定位采用北斗Klobuchar模型在平面上的精度为3m左右,高程上为7m左右,与采用GPS的Klobuchar模型相比较,定位精度提高了约10%,高程方向尤为明显。     

基于预报星历和基准站辅助的BDS实时精密单点定位

基于预报星历的常规实时精密单点定位存在相位模糊度难以收敛、定位精度低等问题。文中采用附加基准站改正信息的PPP算法,消除与卫星有关误差影响。依托香港卫星定位参考站网,采用WHU预报星历获取实时卫星轨道和钟差改正,开展基于预报星历和基准站辅助的中国北斗卫星导航系统实时PPP应用研究,并对其定位性能进行分析。试验结果表明,基准站辅助的BDS实时静态PPP单天解的重复测量精度在水平方向优于1 cm,高程方向优于2 cm;基准站辅助的BDS实时动态PPP相位模糊度能够快速收敛,收敛后的定位精度大幅提升,其重复测量精度在水平方向优于4 cm,高程方向优于10 cm,相对于参考坐标的外符合精度在水平方向优于7 cm,高程方向优于15 cm。     

双频BDS实时精密单点定位算法和精度分析

为了对BDS实时精密单点定位性能进行评估,该文提出了一种适用于BDS系统的实时精密单点定位算法。采用无电离组合模型作为双频实时精密单点定位的数学模型,采用电离层残差法和Melbourne-Wübbena组合实时探测相位周跳,进而单历元实时估计坐标、模糊度等参数,实现了BDS双频实时精密单点定位算法。基于此算法,采用轨道钟差产品和采样间隔为1s的观测数据,模拟实时BDS双频精密单点定位算法,并评估其定位精度。实验结果表明:BDS双频实时定位的平面精度和三维精度均为0.2m左右。     

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%.     

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.     

北斗广域差分分区综合改正数定位性能分析

目前北斗广域分米级星基增强系统在钟差改正数、轨道改正数的基础上,提出了基于相位观测值的分区综合改正数,介绍了分区综合改正数的概念及单频、双频用户的使用方法与定位模型。利用中国范围不同地区的北斗观测数据和对应的分区综合改正信息,统计了单频和双频用户分区综合改正精密单点定位的精度,并对其收敛性进行了分析。通过与使用GFZ提供的北斗超快速精密星历的定位效果比较,验证了分区综合改正定位在实时定位中的优势。在此基础上进一步对中国范围内分区综合改正定位效果与分区中心距离的关系进行了分析,并对不同观测时间长度的定位效果进行比较。结果表明,经分区综合改正后的双频用户平均25 min内动态定位三维误差能收敛至0.5 m以内,收敛后的定位精度为水平0.15 m,高程0.2 m;单频用户平均20 min内动态定位三维误差能收敛至0.8 m以内,收敛后的定位精度为水平0.3 m,高程0.5 m。随着用户站距离分区中心越远,定位效果总体呈现变差的趋势。总体上,当用户在分区中心1 000 km范围内时,北斗广域分区综合改正数将能提供实时分米级定位服务。     

基于非差观测量的BDS+GPS近实时钟差估计

卫星钟差的难预测性是影响实时高精度定位的重要因素之一。为快速获得高精度位置或对流层等信息,在非差观测模型的基础上,本文提出了一种延迟量约1 h的近实时钟差估计策略,该策略主要包含超快速轨道解算和钟差估计两部分。经验证,预报部分第2~5 h的GPS轨道三维平均精度为3.85 cm,BDS GEO和IGSO+MEO轨道三维平均精度分别为81.4和21.74 cm。基于超快速轨道可获得近实时钟差精度GPS为0.054 ns,BDS为0.12 ns。最后通过BDS+GPS静态PPP试验验证了轨道和钟差的可用性。     

Modeling tropospheric wet delays with national GNSS reference network in China for BeiDou precise point positioning

During past decades, precise point positioning (PPP) has been proven to be a well-known positioning technique for centimeter or decimeter level accuracy. However, it needs long convergence time to get high-accuracy positioning, which limits the prospects of PPP, especially in real-time applications. It is expected that the PPP convergence time can be reduced by introducing high-quality external information, such as ionospheric or tropospheric corrections. In this study, several methods for tropospheric wet delays modeling over wide areas are investigated. A new, improved model is developed, applicable in real-time applications in China. Based on the GPT2w model, a modified parameter of zenith wet delay exponential decay wrt. height is introduced in the modeling of the real-time tropospheric delay. The accuracy of this tropospheric model and GPT2w model in different seasons is evaluated with cross-validation, the root mean square of the zenith troposphere delay (ZTD) is 1.2 and 3.6 cm on average, respectively. On the other hand, this new model proves to be better than the tropospheric modeling based on water-vapor scale height; it can accurately express tropospheric delays up to 10 km altitude, which potentially has benefits in many real-time applications. With the high-accuracy ZTD model, the augmented PPP convergence performance for BeiDou navigation satellite system (BDS) and GPS is evaluated. It shows that the contribution of the high-quality ZTD model on PPP convergence performance has relation with the constellation geometry. As BDS constellation geometry is poorer than GPS, the improvement for BDS PPP is more significant than that for GPS PPP. Compared with standard real-time PPP, the convergence time is reduced by 2–7 and 20–50% for the augmented BDS PPP, while GPS PPP only improves about 6 and 18% (on average), in horizontal and vertical directions, respectively. When GPS and BDS are combined, the geometry is greatly improved, which is good enough to get a reliable PPP solution, the augmentation PPP improves insignificantly comparing with standard PPP.     

北斗广域差分分米级定位的分区切换算法

从2017年1月开始,北斗系统在播发基本导航电文的同时,提供了包含实时轨道改正数、钟差改正数、电离层格网改正数和分区综合改正数四重广域差分参数,使得系统具备了基于系统广播的电文参数实现广域单站实时动态分米级定位的能力。实际应用表明,北斗系统播发的分区综合改正数存在中断的情况,使得实时定位存在因重新收敛而造成跳变的情况。本文分析了分区中断期间定位跳变产生的原因,提出一种适用于分区切换的广域差分分米级定位算法。采用中国境内7个北斗测站10d的静态数据和车载动态数据对新算法进行评估验证。结果表明,在分区改正数中断的情况下,分区切换算法得到的坐标误差与使用连续分区综合改正数结果一致,双频动态定位水平和高程方向分别小于0.3m和0.5m,平均三维定位精度优于0.5m;车载实时动态定位测试中,分区切换前后的单双频定位精度不受切换影响,与切换前保持一致。分区切换算法有效保证了分区改正数中断后北斗广域分米级实时动态定位的连续性。     

BDS/GPS组合精密单点定位精度分析与评价

精密单点定位（precise point positioning,PPP）已经广泛应用于许多领域,如测绘、交通、导航、地震监测等。近些年来,随着卫星数量的增多,多系统组合呈现越来越明显的趋势。利用全球MGEX（Multi-GNSS Experiment）网数据研究了BDS（BeiDou navigation satellite system）/GPS（global positioning system）组合精密单点定位技术,并与BDS单系统和GPS单系统进行了对比。结果表明,在静态定位中,BDS PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为4.35 cm、3.01 cm、6.40 cm;GPS PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为1.21 cm、0.48 cm、1.79 cm;BDS/GPS组合PPP在E、N、U方向的均方根误差分别为1.21 cm、0.50 cm、1.87 cm。在动态定位中,BDS PPP外符合精度水平方向优于10 cm,高程方向优于15 cm;GPS PPP和BDS/GPS组合PPP的外符合精度水平方向均优于5 cm,高程方向均优于8 cm。另外,无论是在静态还是动态的PPP中,组合系统相对于单系统,能大大缩短收敛时间,减少定位结果抖动,尤其是相对于BDS PPP来说,优势更为明显。