北斗单频PPP车道级试验结果分析

精密单点定位技术(Precise Point Positioning,PPP)被广泛应用于高精度导航与位置服务、大地测量、低轨卫星精密定轨、航空摄影测量、GPS地震学等领域.随着我国北斗系统(BDS)的完全部署,其为GNSS系统发展带来了新的机遇和挑战.对GPS、GLONASS的PPP静态、动态事后解算研究已经比较成熟,但实时北斗PPP还处于研究发展阶段,实时北斗PPP的应用场景还不多,针对这一问题,本文旨在对单频北斗实时PPP进行研究.基于BDS系统,本文建立了单频北斗PPP模型,并基于车载动态测试实验,验证本文提出模型的正确性,并得出北斗单频PPP可以实现车道级定位,为北斗的实时应用推广做出一定的探索.     

北斗广域实时精密定位服务系统研究与评估分析

采用IGS、MGEX、北斗地基增强网的实时观测数据,研制北斗广域精密定位服务系统,实时生成北斗高精度轨道、钟差、电离层产品,提供厘米级北斗双频PPP、分米级单频PPP、米级单频伪距定位服务。对实时产品评估分析的结果表明:北斗卫星实时轨道与钟差产品URE统计精度约为2.0cm,实时电离层精度优于4.0TECU。采用全国分布的实时测站动态定位精度(95%置信度)评估分析表明:北斗双频PPP精度存在明显的区域特征,高纬度以及西部边缘地区的定位精度平面约0.2m,高程约0.3m;中部地区定位精度平面优于0.1m,高程优于0.2m,接近GPS实时PPP精度水平;北斗与GPS融合可以提高单北斗、单GPS的定位性能,尤其是显著加快了PPP收敛时间,收敛时间缩短到20min内。另外,除边缘地区外,北斗单频PPP实现平面0.5m,高程1.0m;北斗单频伪距单点定位实现平面2.0m,高程3.0m。     

基于SEID模型的单频PPP双频解算方法研究

提出了利用区域内的双频观测值建立区域SEID模型,利用单频观测值反演得到双频观测值,进而组成双频无电离层组合观测值,实现了单频PPP双频解算。算例结果表明,本文提出的新方法大大缩短了定位收敛时间,显著地提高了单频PPP的定位精度。     

利用单基准站改正信息和电离层参数估计的单频PPP算法

利用单个基准站提供的改正信息对流动站的单频观测值数据进行改正,同时引入电离层参数进行实时电离层延迟估计,进行单频精密单点定位（PPP）计算。相比传统的单频PPP方法,本文方法对单频PPP的收敛速度和定位精度都有很大的提高,定位精度优于2cm,且受基准站距离的影响较小。     

Android智能手机GNSS高精度实时动态定位

本文基于智能手机GNSS观测值的质量和性质,利用手机载波相位观测值不确定度进行粗差处理,使用星间单差法消除智能手机伪距和载波相位观测值之间差值不固定特性的影响,针对手机观测值修改滤波过程中的观测值噪声方差数值,采用不固定载波相位整周模糊度的常加速度动态单频Kalman滤波模型实现实时PPP和RTK两种定位方法,提高手机实时GNSS定位精度。使用某智能手机进行验证,单频实时动态PPP定位在99s内达到稳定状态,平面定位精度为1.51 m,高程精度为2.79 m;RTK定位在27 s内达到稳定状态,平面定位精度为0.73 m,高程精度为0.78 m。测试结果表明目前智能手机的GNSS定位模块具有提供更加精准的位置服务能力,甚至在某些特定场景下具有实施测绘作业的潜能。     

北斗卫星伪距多路径系统偏差的修正方法及其对单频PPP的影响分析

北斗伪距观测值存在特有的多路径系统性偏差,偏差的数量级达到几个分米到米。该系统偏差可分为两类:一类是IGSO/MEO卫星随高度角变化的伪距系统性偏差;另一类是GEO卫星(高度角仅微小变化)明显的伪距系统性偏差。系统性的伪距偏差导致GEO卫星MP序列的标准偏差较大,本文针对GEO卫星伪距偏差问题提出了一种基于卡尔曼滤波的修正方法,修正后的GEO卫星MP序列的标准偏差下降了10%~16%。基于伪距相位组合的单频PPP技术的伪距权重较大,会受到北斗伪距偏差的影响,分析表明该系统性偏差将导致单频PPP定位结果高程方向产生约1m的偏差。对GEO伪距偏差采用提出的卡尔曼滤波修正方法进行修正,并应用Wanninger和Beer的高度角模型消除IGSO/MEO观测值伪距偏差,本文对修正后的单频精密单点定位精度进行了分析。4个multi-GNSS experiment(MGEX)站10d观测数据的分析结果表明:仅改正和卫星多路径误差,高程方向定位结果精度可改善65%左右;采用本文方法对GEO卫星的多路径修正后,该方向定位结果精度改善比例将进一步提高至75%左右。     

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。     

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。     

基于实时Kalman滤波的电离层建模及精度分析

文中使用CORS实时数据,基于Kalman滤波建立区域电离层TEC球谐函数模型。使用CORS相位平滑伪距电离层观测值,逐历元滤波求解电离层模型参数,分离卫星与接收机硬件延迟,并应用于单双频PPP定位中。实验结果表明,区域电离层模型精度约为1.9 TECU,较IGS发布的电离层格网数据(GIM)提高58.8%;采用区域电离层模型改正后单频PPP定位精度约为0.2 m,较GIM提高60.3%;模型提供的高精度电离层改正信息能够有效提升双频PPP收敛速度及初始定位精度。     

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.      

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。      

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。     

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。     

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精密单点定位在海洋石油钻井平台动力定位系统的应用研究

深水动力定位(DP)石油钻井平台依赖于高精度的位置参考基准,精密单点定位(PPP)技术是提供海上高精度位置服务的首选方式。目前海上石油钻井平台DP系统所需的高精度位置参考基准以GPS为主。随着我国北斗卫星导航系统(BDS)的全球组网,BDS实时PPP必将为全海域作业提供自主高精度的位置参考基准。本文就自主研制的BDS实时PPP产品开展实船应用研究,并接入南海作业的某DP系统。结果表明,相比于国外同类产品,收敛后的三维位置差异性小于50 cm,接入DP系统后BDS与GPS信息所占的权值一致,验证了BDS单系统实时PPP在海洋石油钻井平台DP系统应用的可行性。     

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.     

Three-frequency BDS precise point positioning ambiguity resolution based on raw observables

All BeiDou navigation satellite system (BDS) satellites are transmitting signals on three frequencies, which brings new opportunity and challenges for high-accuracy precise point positioning (PPP) with ambiguity resolution (AR). This paper proposes an effective uncalibrated phase delay (UPD) estimation and AR strategy which is based on a raw PPP model. First, triple-frequency raw PPP models are developed. The observation model and stochastic model are designed and extended to accommodate the third frequency. Then, the UPD is parameterized in raw frequency form while estimating with the high-precision and low-noise integer linear combination of float ambiguity which are derived by ambiguity decorrelation. Third, with UPD corrected, the LAMBDA method is used for resolving full or partial ambiguities which can be fixed. This method can be easily and flexibly extended for dual-, triple- or even more frequency. To verify the effectiveness and performance of triple-frequency PPP AR, tests with real BDS data from 90 stations lasting for 21 days were performed in static mode. Data were processed with three strategies: BDS triple-frequency ambiguity-float PPP, BDS triple-frequency PPP with dual-frequency (B1/B2) and three-frequency AR, respectively. Numerous experiment results showed that compared with the ambiguity-float solution, the performance in terms of convergence time and positioning biases can be significantly improved by AR. Among three groups of solutions, the triple-frequency PPP AR achieved the best performance. Compared with dual-frequency AR, additional the third frequency could apparently improve the position estimations during the initialization phase and under constraint environments when the dual-frequency PPP AR is limited by few satellite numbers.     

多卫星导航系统精密单点定位精度分析

随着北斗卫星导航系统（BDS）于2012年底正式提供亚太地区区域性服务,研究BDS与其他卫星导航系统的组合定位尤为重要。本文主要分析BDS与GPS、GLONASS组合精密单点定位（PPP）,统一了三类卫星的时间系统和空间系统,给出了PPP非差组合模型,利用九峰站全天观测数据进行实验,得到初步结论：组合定位系统能够减少单系统的收敛时间;组合定位系统的定位精度比单系统的定位精度高。