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。     

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。      

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%。     

GPS民用广播星历中ISC参数精度分析及其对导航定位的影响

2005年起发射的GPS Block IIR-M卫星在L2频率上新增了L2C民用信号,2010年起发射的Block IIF卫星新增了L5频率及L5I、L5Q两种民用信号。为此,GPS民用广播星历在原有时间群延迟(TGD)参数的基础上,新增了ISC_(C/A)、ISC_(L2C)、ISC_(L5I)及ISC_(L5Q)4种ISC(inter-signal correction)参数,以服务GPS实时导航定位用户。本文给出了ISC参数在GPS单/双频定位中的改正方法、利用不同机构提供的后处理差分码偏差(DCB)产品评估了ISC参数的实际精度、研究了ISC参数对GPS民用导航定位精度的影响。在明确TGD、ISC和DCB 3类参数之间区别与联系的基础上,本文研究表明:GPS广播的ISC_(C/A)参数精度可达0.2ns,TGD、ISCL2C及ISCL5Q参数精度可达0.5ns;以2014年连续11d全球12个MGEX(multi-GNSS experiment)站为例,经由ISC参数改正后,GPS L2C单频标准单点定位(SPP)的位置解精度提高了30.6%,L1C/A+L2C双频SPP的位置解精度提高了12.2%,该精度与L1P(Y)+L2P(Y)消电离层组合SPP的位置解精度相当。     

跟踪站分布对非组合精密单点定位提取GPS卫星差分码偏差的影响

提出利用非组合精密单点定位获取跟踪站和卫星差分码偏差(differential code bias,DCB)的电离层观测量,并结合"IGGDCB(institute of geodesy and geophysics DCB)两步法"精确分离电离层斜延迟与DCB参数的新思路。为了研究跟踪站的分布对上述方法提取卫星DCB的影响,本文分别选取欧洲区域集中分布和全球均匀分布的不同数量IGS(international GNSS service)跟踪站,利用太阳活动高峰期间连续15d的实测数据进行卫星DCB的提取实验,并将结果与CODE(center for orbit determination in Europe)发布的DCB当月产品进行比较。实验结果表明,本文提出的方法可以精确提取卫星DCB,其精度优于载波相位平滑码方法,其中,采用欧洲区域的跟踪站提取差异的RMS优于0.2ns,而全球分布的跟踪站提取差异的RMS优于0.1ns,全球布站有利于同时提高RMS和单天解稳定性,并且随着跟踪站数量的增加,卫星DCB单天解的稳定性将会得到提高。     

BDS-3卫星伪距偏差及多路径误差分析

卫星伪距偏差对卫星精密定位的实现及其应用会产生较大的影响,为了探究BDS-3卫星伪距观测值是否存在伪距偏差,正确评价BDS-2和BDS-3各频率信号伪距观测值多路径误差,推导了可以度量多路径及噪声的无几何和无电离层的多路径组合(MP)观测量,并利用全球均匀分布的43个MGEX测站的观测数据,计算分析了多路径误差与卫星高度角的关系,对比分析了BDS-2和BDS-3不同频率信号伪距多路径的特性,统计了多路径误差的均方根,结果表明BDS-3伪距多路径误差明显小于BDS-2,验证了BDS-3卫星伪距观测值中不存在与卫星相关的伪距偏差。     

北斗卫星天线相位中心改正模型精化及对精密定轨和定位影响分析

针对BDS-2和BDS-3卫星联合精密定轨和精密定位中高精度BDS-2 IGSO/MEO卫星天线相位中心改正在轨估计模型的缺失问题,本文采用了改进的PCV和z-offset参数估计方法,精化了BDS-2 IGSO/MEO卫星B1I/B3I无电离层组合PCC模型。数值验证结果表明：相比北斗官方发布的PCO地面标定值,本文精化的PCC模型使得精密轨道SLR残差的STD减小了0.6~2.4 cm,改善百分比为8.6%~33.3%;基于本文精化的BDS-2和已有BDS-3卫星精化的PCC模型使得精密定位浮点解在高程方向显著提升了9.5 mm（37.2%）。     

地影期间卫星姿态四元数产品对北斗精密单点定位的影响分析

与分析中心保持一致的卫星姿态模型是精密单点定位(PPP)获得高精度定位的关键因素。本文基于武汉大学分析中心(WUM)提供的卫星姿态四元数产品,详细阐述了利用卫星姿态四元数计算偏航角的方法。针对卫星在太阳高度角较低的情况,分析了WUM对BDS-2/BDS-3所采用的姿态模型策略,并基于开源定位软件GAMP深入研究了不同的卫星姿态模型策略对BDS-2/BDS-3 PPP定位的影响。研究表明,在深地影时期,不一致的姿态模型会导致偏航角出现360°的差异,进而使相位缠绕和卫星天线相位中心改正出现分米级的偏差。在此期间,使用卫星姿态四元数产品,与名义姿态相比PPP的定位精度在东、北和天顶方向能分别提高约32%、29%和38%;相较于剔除姿态异常卫星策略(剔除远日点和近日点的卫星),PPP的定位精度在3个方向分别能提高约29%、25%和28%。因此,PPP用户应采用各分析中心提供的卫星姿态四元数产品进行天线相位中心改正(PCO)和相位缠绕改正,避免使用不一致的姿态模型导致PPP定位结果的可靠性降低。     

GIM和不同约束条件相结合的BDS差分码偏差估计

现阶段BDS卫星和地面跟踪站数量较少,用BDS单系统获取的DCB精度有限,针对此问题,本文基于CODE GIM,采用两种不同的"零均值"基准约束方案(分别称为约束1和约束2),选取2015年(DOY002-090)MGEX的BDS数据,求解BDS的DCB,并对其进行精度评估。结果表明,两种约束方案下,卫星DCB差值整体趋势一致,DCBC2I-C7I、DCBC2I-C6I的系统性偏差分别约为-3.3ns和1.2ns,接收机DCB的系统性偏差与卫星DCB大小相同,符号相反。相对于约束1,施加约束2后,IGSO和MEO卫星DCB估值更加稳定(DCBC2I-C7ISTD最大改善21%,DCBC2I-C6ISTD最大改善13%),IGSO和MEO卫星的稳定性(分别在0.1ns和0.2ns左右)优于GEO卫星(0.150.32ns)。约束2的DCB估值效果不仅与CAS/DLR产品有较好的一致性(Bias:-0.40.2ns),而且顾及了BDS卫星DCB间的稳定性差异。两种约束方案下,BDS接收机DCB的STD无明显变化,说明约束的选择对BDS接收机DCB的稳定性无明显影响。BDS接收机DCB稳定性整体上优于1ns,中高纬度区域较好(STD 0.4ns左右),低纬度区域稍差(STD 0.81ns)。     

差分码偏差对QZSS单点定位的影响

为探究差分码偏差(DCB)对准天顶卫星系统(QZSS)伪距单点定位(SPP)的影响，推导了QZSS伪距单点定位时间群延迟(TGD)和DCB改正模型，并选取6个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站连续7 d的观测数据按照两种不同方案进行实验.结果表明：DCB产品月稳定度较好，无明显波动，各颗卫星月稳定度优于0.2 ns，与TGD互差值优于2.5 ns;TGD/DCB改正对SPP精度影响为米级，经TGD/DCB改正后水平方定位精度可从4～9 m提升至3～6 m，高程方向可从7～9 m提升至5～7 m，提升率为10%～46%.可见DCB改正对单点定位精度影响较大，在定位解算中不可忽略.     

天线相位中心改正对BDS二代卫星精密定位的影响分析

精确改正卫星端PCO/PCV偏差是实现精密单点定位的重要前提。本文对目前多家分析中心提供的不同的BDS二代卫星端PCO/PCV改正值进行了PPP定位精度评估,评估过程中选取了15个MGEX测站,设计4套方案分别处理了静态PPP和动态PPP。结果表明：①BDS 3类不同结构类型的卫星端PCV改正值在视线距离上引起的误差最大可达10 cm,必须加以改正;②当使用同一分析中心的精密产品和PCO/PCV改正值时,其坐标残差较小、收敛速度较快,收敛后N、E、U 3个方向的坐标定位精度较高;③当使用ESA的精密轨道和钟差进行PPP解算时,整体上的动态定位残差RMS最低,动态定位效果最好,相对于使用IGS的PCO/PCV,其在E、N、U方向提高率分别约为31%、20%和9%。本文对高精度动、静态导航和定位的参数模型选取具有一定的参考价值。     

BDS卫星端DCB不同表达对单点定位精度的影响

考虑到北斗卫星导航系统(BDS)的B1B2,B1B3及B2B3之间硬件延迟(DCB)值存在一个闭合差,分析BDS卫星端DCB改正公式不同表示方法在3种采样率下对定位精度的影响,分别进行了伪距定位和精密定位解算。结果表明,不同采样率的DCB改正后SPP下精度改善在m级,提高10%~80%;动态PPP下精度改善在dm~m级,提高50%~90%。改正公式的不同DCB表示方法对精度影响在cm量级,在SPP中可忽略该误差,动态PPP中建议取DCB改正均值作为最终改正值。     

基于BDS/GPS观测的北斗硬件延迟解算

研究了联合BDS/GPS观测数据基于球冠谐函数的中国区域电离层建模,并精确估计了北斗卫星和接收机DCB。联合解算得到的GPS卫星DCB相对CODE精度优于0.2 ns,GPS接收机DCB相对CODE精度优于1 ns;联合解算得到的中国区域上空VTEC相对CODE事后产品的精度可达2~3 TECU。     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题，该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计，利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内，地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平；BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平；GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明，MEO比IGSO卫星钟差精度高，稳定性强；BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定，这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响，相位与频率的波动较大；BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足，可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

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。     

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%。     

GNSS全球广播电离层模型精度分析

单频用户主要采用全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)广播电离层模型来修正电离层延迟,GPS、Galileo和BDS-2均播发广播电离层参数。BDS-3试验卫星也播发了应用于全球电离层延迟修正的BDGIM(BeiDou global ionospheric delay correction model)模型参数。以国际GNSS服务(International GNSS Service,IGS) GIM (global ionosphere maps)产品和全球140余个GNSS观测站GPS双频观测量为基准,从全球范围、不同纬度、不同区域等系统分析了GPS、Galileo和BDS-3的全球广播电离层模型改正精度,并与IGS预报电离层产品(IGS P1和IGS P2)进行比较。分析认为,IGS P1和IGS P2产品的改正精度总体最优,BDGIM参数优于Gal NeQuick和GPS K8。对于BDS-3新发布的BDGIM参数,分析认为,在全球范围的改正精度(均方根)约为3.58 TECU,改正率约77.2%,在全球不同区域的改正精度相当。     

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。     

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。     

基于球谐函数模型的GPS差分码延迟估计

电离层延迟是GNSS观测值中最大的误差源,因此如何利用GNSS观测值确定高精度电离层模型逐渐成为实时导航、定位及大气相关研究的重要内容。在通常采用组合观测值建立模型的方法中,精确估计电离层总电子含量（TEC）的重要误差之一是差分码硬件延迟（DCBs）。为了实时得到P1、P2、C2相互间硬件差分码延迟偏差,本文采用IGS跟踪站的观测数据并利用载波平滑后的差分伪距建立观测方程,对卫星和接收机硬件差分码延迟偏差进行实时解算。经比较模型解算DCB值与IGS最大差异不超过0.8 ns,C1、P1码延迟偏差72%差异值小于0.3 ns,P1、P2的74%差异值小于0.3 ns。