GNSS系统间钟差辅助定位研究

GNSS（global navigation satellite systems）系统时使用原子钟作为时间基准,相比使用晶振的GNSS接收机,其稳定度高出几个量级。GNSS系统间钟差相比接收机钟差具有更高的稳定度,如果可以充分利用此先验信息将有助于优化多GNSS系统的定位结果。分析如何充分利用系统间钟差更稳定这一先验信息,并测试引入这一先验信息对多系统单点定位结果的影响,推导了基于两种不同钟差估计方法的定位解算模型,给出了最小二乘和扩展卡尔曼滤波两种参数估计算法。通过比较不同模型和估计算法在静态和动态定位的实验结果,最小二乘法无法利用系统间钟差更稳定的特点改善定位精度;静态实验结果表明,扩展卡尔曼滤波自身有一定的降噪效果,若引入系统间钟差更稳定的先验信息,将更有利于减小噪声;动态实验结果表明,引入系统间钟差更稳定的先验信息可减弱扩展卡尔曼滤波的发散现象。     

卫星轨道与钟差对精密单点定位精度的影响

为了分析不同卫星轨道与钟差产品对精密单点定位精度的影响,选取不同的卫星轨道与钟差产品组合分别进行不同时长的静态精密单点定位试验。结果表明,快速轨道和钟差与最终轨道和钟差的定位精度是一致的,1小时定位精度在2cm左右,6小时定位精度提高了3倍以上,达到了mm级,定位精度随观测时间的增长而提高。超快轨道实测部分与最终轨道的定位精度十分接近,1小时定位精度在3cm左右,6小时定位精度可达mm级。超快轨道外推部分与最终轨道的定位精度差异明显,1小时定位精度在3cm左右,2小时后定位精度均在1cm左右。     

顾及卫星钟差插值误差的GPS精密单点定位观测值随机模型

针对GPS精密单点定位中观测值随机模型中没有考虑卫星钟差插值误差,提出了一种顾及卫星钟差插值误差的观测值随机模型。实验结果表明,对于精密单点定位中使用的卫星钟差节点时间间隔较大的产品(如5 min),考虑钟差插值误差的观测值随机模型能够显著地削弱卫星钟差插值引起的误差,而对于使用卫星钟差节点时间间隔较小的产品(如30 s),效果就不明显,符合GPS卫星钟差插值误差的特性。     

多模GNSS精密卫星钟差估计与分析

对基于历元间差分相位和非差伪距观测值的混合差分卫星钟差估计方法进行了改进,实现了多模全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）卫星钟差联合快速估计。选择了全球分布的50个跟踪站进行实验,对卫星钟差精度进行了分析和精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）验证。结果表明:多模卫星钟差与武汉大学提供的最终精密卫星钟差互差优于0.2 ns,精密单点定位结果与武汉大学发布的最终精密卫星轨道和钟差产品的定位精度相当。     

GNSS多频融合精密单点定位频率间卫星钟偏差研究

全球导航卫星系统(GNSS)提供多频信号,多频融合已经成为一种趋势。在精密钟差估计(PCE)的过程中,卫星钟差参数会吸收卫星端稳定的伪距偏差和时变的相位偏差,这些偏差均与频率相关。因而使用不同的观测值进行PCE时,得到的卫星钟差估值是不同的,它们之间的差值被定义为频率间卫星钟偏差(IFCB)。按组成成分,IFCB可以分成伪距相关的IFCB(CIFCB)和相位相关的IFCB(PIFCB)两部分。国际GNSS服务(IGS)提供的精密卫星钟差产品是基于双频消电离层(IF)组合观测值生成的。由于IFCB的存在,导致IGS卫星钟差产品不能直接应用于多频精密单点定位(PPP)。IFCB的精确考虑已经成为多频PPP的一个关键问题。本研究旨在对IFCB特性和估计方法开展系统深入的研究,并评估其对多频PPP解的影响。     

GNSS精密单点定位中的实时质量控制

提出了一套适用于GNSS精密单点定位(PPP)的实时质量控制方法,重点研究了钟跳探测与修复、周跳探测与标记、抗差估计方法,并在现有质量控制方法的基础上进行了改进。对比分析了不同质量控制方案对PPP的影响,结果表明,钟跳不利于周跳探测,严重影响非差PPP的精度和效率,必须对其进行探测与修复;联合MW、GF组合可以探测出绝大多数周跳,且较使用单一方法更为准确、可靠;采用改进的抗差估计有效抑制了残余粗差对精密定位的影响,显著提高了PPP的精度和可靠性。     

GNSS时差及其在多系统组合定位中的应用

随着卫星导航系统的发展及不断升级,越来越多的GNSS测站开始配备多模GNSS接收机。一方面,多模接收机的应用能够跟踪更多的GNSS卫星,从而改善观测几何条件,提高定位精度和可靠性;另一方面,不同GNSS导航系统采用不同的系统时间定义,存在着系统时差,从而多模GNSS接收机对于不同导航系统卫星的观测值存在着相应的偏差。为实现GNSS系统的兼容与互操作,各个GNSS导航系统目前都提出了系统时差监测的要求。基于此,研究GNSS系统时差的监测及其在多模定位中的应用。首先介绍目前导航系统时差监测的几种方法;然后分析GPS/GLONASS系统时差以及相对硬件延迟的特性;最后将GPS/GLONASS系统时差应用到多模用户导航定位,并详细讨论GPS/GLONASS时差及测站硬件延迟对导航定位的影响。     

卫星钟系统偏差对精密单点定位精度的影响

从理论上证明了当卫星钟系统性偏差小于2.5×10-7s时,系统性偏差在单点定位过程中完全被接收机钟差参数吸收,其对精密单点定位解算造成的影响可以忽略。即相对卫星钟差和绝对卫星钟差对于单点定位结果而言是等价的。结合实测数据,分析比对了不同卫星钟系统性偏差对精密单点定位精度的影响,得到了与理论证明相一致的结论。     

实时精密单点定位的远海实时GPS潮汐观测

针对IGS实时数据流产品,该文开展了实时精密单点定位技术在远海实时GPS验潮中的应用研究。对RTS改正的实时精密卫星轨道和钟差进行了精度验证和分析,给出了实时精密单点定位的数据处理策略以及实时GPS验潮的基本流程;组织和实施了渤海湾船载GPS验潮试验,以压力式验潮仪数据为参考,对远距离实时GPS潮汐测量结果进行了精度分析。结果表明:以IGS最终卫星轨道和钟差产品为参考,实时数据流产品实时精密卫星轨道在X、Y、Z方向的精度均优于3cm,卫星钟差的精度优于0.15ns;采用傅里叶低通滤波方法,消除波浪对潮汐观测的影响,进一步提取潮位信息。在忽略船体姿态改正的情况下,实时精密单点定位验潮相对于压力式验潮仪结果的最大偏差优于20cm,RMS达到7.5cm。     

IGS精密星历和钟差对天顶对流层延迟精度的影响

为研究IGS精密轨道和钟差产品对天顶对流层延迟精度的影响,文章利用位于中国北京、上海、拉萨等地的6个IGS跟踪站所提供的2013年4月7日～10日4天的数据,采用GPSTools软件进行实验,计算各跟踪站的天顶对流层延迟(ZTD),并与IGS提供的对流层延迟产品进行对比.结果表明,利用IGS精密轨道解算的ZTD与IGS提供的ZTD相当,两者偏差的平均RMS优于5mm,利用IGS超快速钟差预报部分解算的ZTD与IGS提供的ZTD存在2cm～3cm误差,平均RMS大于1cm.     

精密单点定位中卫星钟差影响分析

分别采用IGS提供的5 min和30 s采样间隔的精密卫星钟差进行静态和动态精密单点定位实验,分析比较了采用不同钟差处理的精密单点定位结果,以及不同种类钟差对初始化收敛时间、定位精度的影响。实验结果表明,采用30 s精密卫星钟差的静态、动态精密单点定位结果精度均优于采用5 min精密卫星钟差内插成30 s钟差的静态、动态精密单点定位结果。     

远海实时GPS潮汐的实时精密单点定位观测

针对传统事后精密单点定位技术的时间延迟问题,该文基于IGS RTS实时数据流产品,开展了实时精密单点定位技术在远海实时GPS验潮中的应用研究.对RTS改正的实时精密卫星轨道和钟差进行了精度验证和分析,给出了RT-PPP的数据处理策略以及实时GPS验潮的基本流程;组织和实施了渤海湾船载GPS验潮试验,以压力式验潮仪数据为参考,对远距离实时GPS潮汐测量结果进行了精度分析.结果表明:①以IGS最终卫星轨道和钟差产品为参考,RTS实时精密卫星轨道在X、y、Z方向的精度(RMS)均优于3 cm,卫星钟差的精度优于0.15 ns;②采用傅里叶低通滤波方法,消除波浪对潮汐观测的影响,进一步提取潮位信息.在忽略船体姿态改正的情况下,实时精密单点定位验潮相对于压力式验潮仪结果的最大偏差优于20 cm,RMS达到7.5 cm.     

高性能原子钟钟差建模及其在精密单点定位中的应用

鉴于当前许多IGS跟踪站均配置有高性能原子钟的现状,本文首先采用修正Allan方差法分析了不同IGS跟踪站的接收机钟随机噪声的时域特性,进而评估了不同类型接收机的短期稳定度及钟差建模的可行性,然后利用IGS站配有氢原子钟的观测数据,在精密单点定位算法中,通过对钟差参数进行短时建模约束接收机钟差的随机变化,进而改进精密单点定位(PPP)的定位性能。试验结果表明钟差建模方法显著降低了高程分量参数、天顶对流层延迟参数与接收机钟差参数之间的相关性,GNSS高程分量的精度可提高50%。该方法对于提升PPP技术在地壳形变监测、低轨卫星定轨、水汽监测及预报等高精度GNSS地学领域的应用水平具有一定意义。     

数据中断对实时精密单点定位的影响分析

实时精密单点定位的应用日趋广泛,而收敛速度是其优劣的一个重要指标,在定位作业时要尽量避免多次重新收敛。利用自主研发的软件,分析了实时观测数据中断对实时精密单点定位的影响。采用基于广播星历的实时SSR改正数据的精密轨道和钟差进行实时精密单点定位。结果表明：连续60 s的数据中断会导致实时精密单点定位需要重新收敛;而频繁短时间中断但不连续中断的数据对实时精密单点定位影响不明显,不会导致重新收敛。     

基于钟差解耦的GNSS精密单点定位模糊度固定模型及效果分析

精密单点定位模糊度固定可以显著提升定位精度,钟差解耦模型作为一种重要的模糊度固定模型,却鲜有文献对其进行研究。本文首先给出了基于钟差解耦模型的用于模糊度固定的产品估计策略,分析了传统的消电离层模型和钟差解耦模型钟差重构形式的差异,导出了提取卫星码偏差的钟差估计模型。然后,深入研究了钟差解耦模型在钟差估计收敛速度等方面的优势。不同于其他模型将宽巷模糊度偏差视为天内常数,钟差解耦模型逐历元估计该偏差项,基于此展开对宽巷模糊度偏差天内时变特性的研究。最后,评价了解耦钟差的精度,并利用解耦钟差产品进行精密单点定位模糊度固定试验。结果表明,相比于提取卫星码偏差的卫星钟差估计模型,钟差解耦模型在钟差估计中的收敛速度更快,钟差产品更加稳定;宽巷模糊度偏差在天内较为稳定;解耦钟差产品具有较高的精度,相比于传统消电离层组合模型,基于该产品的精密单点定位模糊度固定可显著提升定位精度。     

精密单点定位关键误差源及其改正方法研究

介绍了IGS分析中心最新发布的5s采样间隔精密卫星钟差产品,以及利用地磁场数据消除电离层高阶项影响的方法;比较了最新提出的几种对流层延迟投影函数,并得出参数格网化的VMF1模型比传统的Niell投影模型性能更优异的结论。     

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。     

Galileo IOV卫星实时轨道和钟差数据的精度评估

给出了评估Galileo IOV卫星实时轨道和钟差数据精度的方案,以IAPG/TUM机构提供的精密星历为参考,对RETICLE系统提供的连续15天IOV卫星实时轨道和钟差数据进行精度分析,结果表明,Galileo IOV卫星实时轨道精度优于0.5m,实时钟差精度优于6ns。利用Galileo IOV卫星实时轨道和钟差数据及MGEX不同跟踪站的实测数据进行了GPS/Galileo组合单点定位试算,结果表明, 在当前的Galileo星座情况下,GPS/Galileo组合定位相比单独GPS单点定位精度有轻微改善。     

顾及卫星姿态的多系统精密钟差产品综合

国际GNSS服务(IGS)提供的GPS综合产品被广泛应用于各种高精度科学研究中. 随着各国卫星导航系统的发展,亟需研究针对多系统全球卫星导航系统(GNSS)产品的综合策略. 由于卫星姿态与钟差相互耦合,综合钟差时额外考虑姿态改正将进一步提高综合产品精度,因此研究了一种顾及卫星姿态的GNSS钟差综合策略,改正姿态后GPS综合残差最大可减小80%. 对142个IGS测站进行精密单点定位(PPP)解算发现,综合产品比单个分析中心产品更加稳定,东(E)、北(N)、高(U)方向的动态定位精度最大可提升22.7%、16.7%和18.3%. 相对于未顾及姿态改正的综合产品,顾及姿态改正的综合产品的动态定位精度最大可提升65.3%.      

QZSS MICHIBIKI卫星实时轨道和钟差数据的精度评估

以日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)提供的精密星历为参考,对QZSS MICHIBIKI卫星发布的实时轨道和钟差数据进行了评估。数值结果表明,QZSS MICHIBIKI卫星的实时轨道精度优于11 cm,实时钟差优于0.56 ns;GPS卫星的实时轨道精度优于5 cm,实时钟差优于0.4 ns。通过比较得知,QZSS MICHIBIKI卫星的实时轨道和钟差精度明显低于GPS卫星。