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。     

基于RTKLIB的精密单点定位及结果分析

本文基于RTKLIB现有的框架,对精密单点定位中的主要误差模型进行分析,通过调用其误差改正模型算法,实现了精密单点定位解算;对定位误差分析表明,X、Y、Z三个方向均在80个历元内误差达到0.1 m,而且逐步减小趋于稳定。定位误差在180个历元达到7 cm.      

基于IGS精密产品的GPS单双频动态精密单点定位精度分析

介绍了GPS单双频动态精密单点定位的数学模型以及利用IGS精密产品进行单双频动态解算的算法流程。采用IGS实测数据进行了GPS单双频动态精密单点定位精度解算试验并从外符合的角度评估了其定位精度。试验结果表明:GPS单频动态定位精度在分米级,双频动态定位精度在厘米级。     

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。     

不同IGS精密产品对BDS评估ZTD差异性分析

分析了ESA、GBM以及WUM 3种精密产品在精密单点定位以及天顶对流层延迟评估中的差异性。实验结果表明,BDS采用3种精密产品解算得到的精密单点定位精度都在cm级,但是采用GBM产品解算精度最优,其次为ESA产品,最低为WUM产品。采用ESA、GBM2种精密产品均能精确评估出ZTD值随历元变化情况,其中静态精密单点定位评估ZTD估值RMS差值均在mm级,而动态精密单点定位GBM产品评估ZTD估值RMS差值在mm级,ESA产品评估ZTD估值RMS差值在cm级,但WUM产品不适合进行ZTD值评估。     

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。     

BDS/GNSS融合精密单点定位性能分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)的全球组网成功,基于BDS的应用研究正在如火如荼的进行中,尤其是包括BDS在内的多频多模融合定位正成为研究的重点.利用MGEX(Multi-GNSS Experiment)多个测站的BDS、GPS、GLONASS、Galileo观测数据,基于RTKLIB开源代码,在Visual Studi...     

融合SISRE的卫星高度角定权模型及PPP应用性能分析

在GNSS高精度定位中,观测量定权方式的选择影响着定位的性能,特别是对于实时精密单点定位,由于各个卫星实时轨道及钟差改正数的精度不同,PPP的定位解算性能会受到不同的影响.据此采用融合SISRE的方式将不同卫星轨道及钟差精度信息加入到卫星高度角定权模型中,通过对56个测站单天观测数据进行仿实时PPP实验可以发现,融合S...     

Beidou satellite maneuver thrust force estimation for precise orbit determination

Beidou satellites, especially geostationary earth orbit (GEO) and inclined geosynchronous orbit (IGSO) satellites, need to be frequently maneuvered to keep them in position due to various perturbations. The satellite ephemerides are not available during such maneuver periods. Precise estimation of thrust forces acting on satellites would provide continuous ephemerides during maneuver periods and could significantly improve orbit accuracy immediately after the maneuver. This would increase satellite usability for both real-time and post-processing applications. Using 1 year of observations from the Multi-GNSS Experiment network (MGEX), we estimate the precise maneuver periods for all Beidou satellites and the thrust forces. On average, GEO and IGSO satellites in the Beidou constellation are maneuvered 12 and 2 times, respectively, each year. For GEO satellites, the maneuvers are mainly in-plane, while out-of-plane maneuvers are observed for IGSO satellites and a small number of GEO satellites. In most cases, the Beidou satellite maneuver periods last 15–25 min, but can be as much as 2 h for the few out-of-plane maneuvers of GEO satellites. The thrust forces acting on Beidou satellites are normally in the order of 0.1–0.7 mm/s². This can cause changes in velocity of GEO/IGSO satellites in the order of several decimeters per second. In the extreme cases of GEO out-of-plane maneuvers, very large cross-track velocity changes are observed, namely 28 m/s, induced by 5.4 mm/s² thrust forces. Also, we demonstrate that by applying the estimated thrust forces in orbit integration, the orbit errors can be estimated at decimeter level in along- and cross-track directions during normal maneuver periods, and 1–2 m in all the orbital directions for the enormous GEO out-of-plane maneuver.     

滑动式切比雪夫多项式拟合法在BDS精密 星历内插中的应用

对精密星历进行内插是卫星定位数据高精度处理中的一项基础工作。利用滑动式切比雪夫多项式拟合法及不同的拟合节点数和拟合阶数,分析精密星历中MEO,IGSO,GEO不同轨道的北斗卫星插值精度。实验表明,三类北斗卫星达到较高插值精度的拟合节点数和阶数不同,设置适当的拟合节点数和阶数,达到亚毫米级的内插精度。该算法完全适用于对BDS精密星历的插值。     

利用SLR检核GPS35卫星精密轨道

论述了利用SLR检核IGS提供的GPS卫星精密轨道的方法。采用2005年9月1日到30日的SLR观测数据对IGS提供的GPS35卫星精密轨道进行了检核实验,实验结果表明,SLR观测站存在一定的系统偏差,IGS提供的精密轨道没有明显的系统偏差,其精度优于2 cm。     

新一代重力卫星简化动力学精密定轨实验分析

针对重力卫星轨道低,大气阻力和太阳光压等较为复杂难以模型化的问题,该文基于简化动力学方法,采用GRACE-FO星载GPS双频观测数据,结合CODE提供的精密星历与钟差产品对GRACE-FO卫星进行精密定轨实验与分析.通过与美国喷气动力实验室(JPL)官方提供的事后精密轨道对比、K波段测距系统(KBR)进行星间测距数据检...     

两种精密钟差产品系统噪声分析

针对精密定轨与时间同步(ODTS)系统噪声难以准确计算的问题,该文选取了多台外接高精度主动型氢原子频标的监测站,通过对不同监测站钟差作差的方法对系统噪声进行了测试与分析。分别对国际GNSS服务(IGS)和德国地学中心分析中心(GFZ)提供的精密钟差产品进行ODTS系统噪声分析,分别采用IGS钟差产品和GFZ钟差产品进行了实验。结果表明,用阿兰方差表征ODTS系统噪声对在轨原子钟性能评估的影响,系统噪声的万秒和天稳定度均优于卫星钟设计稳定度,使用IGS与GFZ提供的精密钟差产品可以有效对星载原子钟在轨性能进行评估。     

森林环境下的北斗卫星导航系统性能分析

为了解乔木林应用场景中的定位性能,指导林业行业科学应用GNSS技术,该文探究了多种立地条件下中高郁闭度林分中BDS与GPS的应用能力,采集了森林环境中单BDS和单GPS这两种定位模式下一定时长的GNSS信号,并定量计算了平面和垂直方向的定位误差,以及GNSS几何精度因子和信噪比等参数.通过3个时长水平定位精度、垂直定位精度、卫星数量、DOP值、信噪比等观测参数的误差平均值、极值、方差等的对比分析表明,目前基于单频伪距定位的原理,我国北斗卫星导航系统的定位性能指标与GPS基本一致.选用专业设备且单点求平均是满足林下高可靠性(优于5 m)定位要求的重要手段与方法,瞬时数据只适合森林环境中低可靠性(10 m)的导航作业要求,如果要满足亚米级及更高精度的定位需求,现阶段需采用差分技术.     

Triple-frequency carrier ambiguity resolution for Beidou navigation satellite system

The Chinese Beidou system, also known as Compass, has entered its trial operational stage and can already provide services for triple-frequency users. Using triple-frequency signals is expected to be of great benefit for ambiguity resolution. Based on error characteristic analysis of the Beidou frequencies, we introduce the procedure of selecting the best combinations of triple-frequency signals. The geometry-based model and geometry-free model of triple-frequency signals are presented. Three triple-frequency carrier ambiguity resolution (TCAR) methods are described, which include the cascading rounding method, the stepwise AR method and the modified stepwise AR method. In order to evaluate the performance of these methods, observations from baselines of various lengths were collected using Beidou triple-frequency receivers and were processed epoch-by-epoch using the three methods. The same observation data were also processed in a dual-frequency mode for comparison. The results show that, compared to the dual-frequency based solution, the single epoch ambiguity resolution success rate with triple frequency improved nearly 30 % for the short baselines (<20 km) and 100 % for the mid-length baselines (20–50 km) using the proposed modified stepwise AR method.     

基于BDS精密星历产品的水汽探测性能分析

研究北斗卫星导航系统（BDS）反演大气可降水量的性能有利于推动BDS在数值天气预报、气象学研究等方面的应用. 基于武汉大学发布的BDS最终精密星历产品(WUM)、快速精密星历产品(WHR)和超快速精密星历产品(WHU),利用MGEX站和单基站连续运行参考站（CORS）提供的全球卫星导航系统（GNSS）多模观测数据,在验证三种BDS精密星历产品解算对流层天顶延迟的精度达到要求后,将基于三种BDS精密星历产品解算的大气可降水量分别与GPS水汽探测结果、ERA-5再分析资料和探空站数据进行对比,分析基于三种精密星历产品的BDS水汽探测性能. 实验结果表明:基于BDS最终精密星历产品的大气水汽探测精度高于快速星历产品和超快速星历产品,三种BDS星历产品反演大气可降水量的相对精度和可靠性与GPS相当,满足中小尺度数值天气预报和气象学研究等要求.      

北斗卫星导航系统RNSS授时监测方法研究

随着北斗导航卫星系统的不断完善以及在授时方面的普及,对RNSS授时监测提出了更高的要求。针对数据质量的监测,该文通过对导航星历完备性、观测数据粗差剔除等常规手段进行监测,并首次引入测站接收机钟跳探测,保证数据的质量。针对授时结果的监测,通过设立阈值对授时结果进行监测,并针对授时结果阈值法的不足提出了基于相邻历元的授时结果监测法,通过数据监测与授时结果监测相结合形成了完整的授时监测体系,保证了授时结果的可靠性。根据本文的监测体系,选取了多个iGMAS站进行了实验,对该监测体系进行了测试,验证了该监测体系的正确性与有效性。     

利用激光测距数据对北斗广播星历进行评价

针对北斗卫星广播星历长时间序列精度变化的问题,采用SLR观测数据作为外部检核手段对2013年2月至2019年12月4颗BDS-2卫星和2018年8月至2019年12月4颗BDS-3卫星广播星历轨道精度进行评价与分析,其中BDS-2卫星广播星历精度均优于0.700 m,BDS-3卫星C20和C21优于0.500 m,C29和C30优于0.300 m;卫星进入地影期后,C01卫星广播星历精度下降0.036 m,BDS-2 IGSO/MEO卫星下降幅度最大为0.274 m,BDS-3卫星最大为0.070 m;IGSO/MEO卫星姿态控制模式转换后,BDS-2卫星下降幅度最大为0.265 m,BDS-3卫星最大为0.139 m.实验结果表明:地影期前后,BDS-2 IGSO/MEO卫星轨道精度下降最为明显,地影期偏航模式的改变对BDS-2卫星的影响大于BDS-3.