北斗卫星精密轨道与钟差精度分析

针对北斗卫星导航系统的卫星姿态模型、天线相位中心改正及卫星定轨数据处理策略未统一的现状,该文对比分析了武汉大学和德国地学研究中心提供的北斗事后精密轨道和钟差产品的差异及精度,结合实测数据,通过分析精密单点定位的定位精度来比较两中心精密轨道和钟差的差异。实验结果表明:北斗卫星的精密轨道精度与轨道类型有关,地球静止轨道(GEO)卫星的轨道精度为米级,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星的轨道精度为分米级,中地球轨道(MEO)卫星切向、法向和径向的精度分别为10.81、5.41和3.37cm;GEO卫星钟差精度优于0.38ns,IGSO卫星钟差优于0.25ns,MEO卫星钟差优于0.15ns;两家分析中心产品的北斗静态精密单点定位的平面精度相当;北斗静态精密单点定位的RMS统计值平面精度优于3cm,三维精度优于7cm。     

北斗卫星导航系统广播星历精度分析

针对系统地评估我国北斗卫星导航系统广播星历精度与保障实时导航定位服务的需求,对BDS广播星历提供的卫星轨道、钟差以及用户测距误差(URE)的精度性能进行分析,统计了2015年连续4周全部BDS在轨健康卫星的广播星历各项精度指标值。分析结果表明:BDS的MEO和IGSO卫星轨道精度优于GEO卫星结果,且径向精度优于法向和切向精度;BDS搭载的国产星载铷钟卫星钟差序列相对比较稳定,其均方根误差优于4ns;GEO/IGSO卫星的用户距离误差(URE)在6m以内,MEO的URE优于20m。研究结果对北斗系统的建设、后期的发展和用户市场的拓展,都具有重要的参考价值。     

GPS/BeiDou/Galileo/GLONASS实时精密卫星钟差估计

基于GNSS(global navigation satellite system)非差观测量,利用双线程钟差加密的方法,本文实现了导航卫星实时钟差的逐秒更新。通过选取全球均匀分布的76个参考站对四系统钟差进行联合估计,并从实时轨道精度,解算效率,钟差精度和精密单点定位(precision point positioning,PPP)定位结果对该系统进行分析和评估。结果表明,GPS预报轨道径向精度为2.3 cm,GLONASS和Galileo预报轨道径向精度为3 cm和3.5 cm,北斗GEO、IGSO、MEO卫星预报轨道径向精度分别为31 cm,17 cm和5.3 cm;钟差统计结果表明,GPS实时钟差精度优于0.2 ns,GLONASS钟差精度优于0.4 ns,Galileo钟差精度优于0.3 ns,受轨道影响,北斗GEO实时钟差精度为0.6～1.0 ns,IGSO钟差精度为0.4～0.7 ns,MEO钟差精度为0.3～0.4 ns;PPP定位结果表明,解算钟差定位精度与事后钟差定位结果相当,平面精度在3 cm以下,高程精度在5 cm以下。     

BDS-3卫星钟差特性分析

北斗全球导航卫星系统(简称北斗三号系统,BDS-3)载有高精度的国产新型铷钟和被动型氢原子钟,相比于北斗二号系统(BDS-2),其性能得到了极大的提升。为了分析BDS-3卫星钟的性能,首先采用中国矿业大学北斗数据处理与分析中心定轨软件估计了BDS-3的卫星钟差,其重叠弧段标准差精度优于1 ns。然后针对常用卫星钟差异常值探测方法的缺点,改进了Baarda粗差探测法,使其能够有效地处理北斗卫星钟差数据中存在的粗差、钟跳等异常值。最后采用处理后的钟差数据,分析了北斗卫星钟差的周期特性和频率稳定性。结果表明,加入两个周期项后,拟合残差序列更加稳定,拟合精度得到了很大的提升;BDS-3卫星的频率稳定性和BDS-2相比,提升了20.85%～75.09%;北斗中圆地球轨道(medium earth orbit, MEO)卫星的频率稳定性要优于倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous orbit,IGSO)卫星;氢原子钟频率稳定性高于铷原子钟40.16%～65.60%,且氢原子钟的长期稳定性要明显优于铷原子钟。     

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%。     

BDS广域增强系统性能初步评估

仿造GPS超快速轨道的解算模式,轨道服务器生成3 h间隔的BDS的超快速轨道作为实时精密轨道。钟差服务器接收实时观测数据,并固定实时精密轨道和参考站精密坐标实时解算精密轨道和钟差改正数,然后利用NTRIP播发给用户,用户利用这些改正数还原精密轨道和钟差进行实时PPP动态定位。以GBM的事后精密轨道和钟差作参考,GEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 3～0. 9 m,IGSO/MEO卫星实时轨道SISRE(orb)在0. 08～0. 19 m; GEO实时精密钟差二次差STD在0. 6～1. 1 ns,IGSO/MEO实时精密钟差二次差STD在0. 2～0. 6 ns; GEO卫星SISRE在20 cm左右,IGSO/MEO卫星SISRE在4～11 cm。用户利用精密轨道和钟差改正数进行动态PPP定位,排除由于BDS星座不完善和GEO卫星相对地球静止的因素,单BDS能够收敛的测试组平均收敛时间在62. 5 min,收敛后NEU 3方向的RMS分别是7. 53、13. 84和15. 93 cm。     

北斗二号对北斗三号伪距单点定位精度影响分析

针对当前BDS-2/BDS-3组合定位性能,基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站对BDS-2/BDS-3的组合定位实测数据,分析了北斗二号(BDS-2)不同类型卫星对北斗三号(BDS-3)卫星B1I、B3I与B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响. 经研究发现,BDS-2不同类型星座卫星都能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在20%以内,而全部BDS-2卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在30%以内,整体提升关系为:BDS-2全部卫星>IGSO卫星>GEO卫星>MEO卫星.      

北斗卫星导航系统单星授时精度分析

为研究北斗卫星导航系统单星授时精度,本文基于GPS单星授时原理,结合北斗卫星多种类型星座特点,编写了BDS单星授时软件。利用iGMAS站数据进行了试验,在对原始数据进行监测并将异常信息剔除后,将授时结果与中国测绘科学研究院北斗分析中心（CGS）钟差文件进行比对,分析了BDS不同轨道卫星（GEO/IGSO/MEO）下的BDS单星授时精度。结果表明,GEO卫星的授时精度为27.39 ns,IGSO卫星的授时精度为18.37 ns,MEO卫星的授时精度为18.62 ns。     

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。     

BDS-3不同类型卫星对BDS-2伪距定位性能提升定量分析

针对北斗三号（BDS-3）不同类型卫星对北斗二号（BDS-2）伪距单点定位性能的影响,基于iGMAS机构发布的跟踪站实测数据,分析了BDS-3地球静止轨道（GEO）、倾斜地球同步轨道（IGSO）、中圆轨道（MEO）、全部BDS-3卫星对BDS-2卫星可见数、位置精度因子（PDOP）值以及伪距单点定位精度的影响．经研究发现,BDS-3不同卫星对BDS-2卫星可见数、卫星空间几何结构以及伪距单点定位精度提升程度不同,MEO卫星的提升程度优于IGSO卫星和GEO卫星,三种类型卫星对BDS-2定位性能提升量之和与全部BDS-3卫星对BDS-2定位性能提升量相当．      

北斗三号B2b信号改正广播星历精度评估及PPP应用

北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3) B2b信号是由3颗地球同步轨道(GEO)卫星播发改正信号组成，可为用户提供公开、免费的高精度服务，对北斗卫星导航系统(BDS)在国土测绘、海洋测绘以及桥梁建筑物健康监测等领域的高精度应用具有重要意义. BDS-3 B2b信号的精度评估是实现其高精度应用的重要环节.首先利用BDS-3 B2b信号改正广播星历产品，并获得改正后的精密轨道和钟差产品.然后，以武汉大学国际GNSS服务(IGS)分析中心提供的事后精密产品(WUM)为参考，评估了由B2b信号改正后的精密轨道和钟差产品的精度.结果表明:改正后北斗卫星轨道的径向(R)、切向(A)、法向(C)误差的均方根(RMS)分别为6.26 cm、24.21 cm、21.79 cm，钟差差值的标准差(STD)均值为0.33 ns.最后，利用改正后的精密轨道和钟差产品进行精密单点定位(PPP)验证，结果表明:PPP定位东(E)、北(N)、天顶(U)方向精度分别为0.06 m、0.05 m、0.13 m.说明广播星历通过B2b改正后的精密轨道和钟差产品与IGS事后精密产品精度相当，可满足单站实时高精度定位与导航的...     

BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度评估

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫星钟差、用户测距误差(URE)和空间信号测距误差(SISRE)进行精度评估。研究结果表明:BDS-2中,IGSO与MEO的轨道精度优于GEO,径向精度优于切向和法向;星载钟差均值优于12.1ns;URE和SISRE均值分别优于1.0和1.2m;BDS-3MEO卫星轨道径向、切向、法向均值分别优于0.2、0.8、0.4m,径向和法向比BDS-2 MEO分别提高45.8%与21.1%;BDS-3卫星星载钟差均值优于7.7ns,比BDS-2提高36.2%;BDS-3的URE和SISRE均值分别优于0.6和0.5m,比BDS-2分别提高42.9%和47.4%。     

MGEX钟差产品精度分析

IGS的多GNSS实验项目MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的精密钟差产品广泛应用于高精度导航定位领域。本文研究了卫星钟差精度评估的方法,以IGS最终钟差作为GPS卫星基准,以北斗星地双向时间频率传递钟差作为北斗卫星基准,对GFZ、CODE和WHU这3个分析中心的MGEX钟差产品精度进行了分析。研究结果表明:MGEX实验的GPS最终钟差RMS优于0.30 ns;超快速钟差实测部分RMS优于0.16 ns;24 h预报误差RMS优于3.5 ns。各分析中心北斗GEO卫星最终钟差互差RMS为0.75 ns;IGSO卫星为2.27～3.8 ns;MEO卫星为0.6～1.2 ns。北斗星地双向时间频率传递检核GEO卫星最终钟差RMS为2.6～2.7 ns;IGSO和MEO卫星为1～1.5 ns。北斗卫星超快速钟差实测部分RMS优于1 ns;24 h预报误差RMS为7～9 ns。     

北斗三号全球卫星导航系统空间信号精度评估

针对北斗三号 (BDS-3)正式开通后的空间信号精度情况,选取2020-08-01—2021-07-31共 1 a的混合广播星历数据,以德国波茨坦地学研究中心(GFZ)和武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心(WHU)提供的精密星历为参考分别从轨道精度、钟差精度和空间信号测距误差(SISRE)来进行BDS-3的空间信号精度评估. 结果表明:BDS-3的轨道精度在径向(R)、切向(A)、法向(C)三个方向上分别优于0.100 m、0.405 m、0.547 m,钟差精度优于1.926 ns,仅受轨道影响的SISRE (orb)为0.134 m,SISRE为0.612 m. 地球静止轨道(GEO)卫星的SISRE为1.137 m,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星的SISRE相比GEO卫星分别减少36.3%、51.3%.      

北斗三号系统开通前后广播星历精度对比分析

北斗三号卫星导航系统(BDS-3)开通已一年有余,通过研究2019-08—2021-08共2 a的北斗卫星导航系统(BDS)广播星历数据,采用事后精密星历对北斗二号卫星导航系统(BDS-2)和BDS-3卫星的轨道、钟差和空间信号测距误差(SISRE)进行分析.结果表明:BDS-3系统开通后,卫星轨道精度比BDS-2提升明显,径向(R)误差均方根(RMS)值从0.87 m左右提升至优于0.23 m,精度提升约74%, 3D误差RMS值从1.63 m以内提升到优于0.75 m,精度提升约54%;氢原子钟和铷原子钟精度相当,BDS-3钟差误差RMS值精度提升与BDS-2提升基本相同,精度提升约1 ns;SISRE精度比对中,BDS-2 SISRE的RMS值从0.9 m提升到0.7 m,BDS-3从0.8 m提升到0.5 m.综合比较,BDS-3系统性能提升较大.     

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。     

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。     

北斗卫星伪距偏差模型估计及其对精密定位的影响

现阶段北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）的同步地球轨道（geostationary orbits,GEO）卫星、中倾斜地球同步轨道（inclined geo-synchronous orbits,IGSO）卫星和中圆地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星均存在伪距偏差,该伪距偏差的存在对精密定位的研究及其应用产生了较大的影响。根据北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差与高度角和频率相关的误差特性,本文分析了测站数目及分布,以及观测时长对建模的影响,选择18个测站2015年全年的数据作为MEO卫星的建模数据,其中可以连续观测到全弧段IGSO卫星的4个测站用于IGSO卫星的建模,采用加权分段线性拟合联合抗差估计的方法建立了北斗卫星伪距偏差改正模型。模型改正后,北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差得到明显的削弱,相比于传统的伪距偏差改正模型,精密单点定位（precise point positioning,PPP）的定位精度和收敛时间均得到提升。     

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。     

北斗区域导航系统的PPP精度分析

北斗卫星导航系统的开放运行为其在高精度领域的应用提供了可能,系统精密单点定位性能受到了极大关注。本文首先介绍了北斗区域导航系统的星座和BDS/GPS跟踪网,分析了基于国内布站定轨的北斗卫星精密轨道和钟差精度。在此基础上研究了北斗区域导航系统静态、动态精密单点定位精度,并与GPS定位结果进行比较。实测算例表明:北斗精密单点定位可以实现静态厘米级、动态分米级的定位精度,达到目前GPS精密单点定位水平。