利用GPS精密单点定位进行时间传递精度分析

利用静态精密单点定位技术(PPP),分别采用IGS5min和30s间隔的精密卫星钟差产品进行单站时间传递实验。实验结果表明,无论是利用5min间隔的卫星钟差产品,还是利用30s间隔的卫星钟差产品,静态PPP都可以实现0.1～0.2ns的时间传递以及半天内稳定度达到1×10-15～2×10-15的频率传递。在短期内,相比于5min间隔的卫星钟差产品,利用30s间隔的卫星钟差产品能较明显地提高静态PPP钟差解所体现的频率稳定度,PPP钟差解的精度略有提高;在长期内,使用这两种钟差产品获得的PPP钟差解的精度及其所体现的频率稳定度相当。     

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。     

GPS多站组网的亚纳秒实时时间比对算法

针对传统GPS PPP(precise point positioning)时间比对算法依赖精密星历产品、时间延迟较长和实时性差等问题,提出了一种多站组网实时时间比对算法。采用IGU超快速星历产品作为解算输入条件,利用多站联测增加多余观测,将测站钟差和卫星钟差作为未知数统一解算。实验结果表明,比对结果与IGS最终钟差的一致性达到了0.3 ns以内,比对结果的天频率稳定度优于2.5×10^-15。     

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%.      

MGEX精密星历卫星钟差精度分析

IGS的多GNSS实验项目(Multi-GNSS Experiment,MGEX)所提供的事后精密卫星钟差作为一种基础性的GNSS数据产品。在分析MGEX事后精密钟差产品特点的基础上,设计用于卫星钟差精度评价的内符合精度指标和外符合精度指标。基于该指标对MGEX的欧洲定轨中心(CODE)、波茨坦地学中心(GFZ)和武汉大学(WUM)三个分析中心2015年的事后精密卫星钟差进行精度分析。结果表明:GFZ的卫星钟差精度相对最差,CODE的卫星钟差内符合精度最高,WUM的卫星钟差外符合精度最高,三个分析中心的卫星钟差内外符合精度平均值分别为0.307ns和0.322ns;随着GPS系统的更新其卫星钟差的精度有所提高,同时GPS系统中BLOCK IIF铯钟的钟差内外符合精度均最高;CODE的卫星钟差内符合精度随卫星钟类型的不同变化相对较小。     

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。     

GBM快速轨道产品及非差模糊度固定对其精度的改进

GNSS是实时定位导航最重要的方法,精密卫星轨道钟差产品是GNSS高精度服务的前提。国际GNSS服务中心(IGS)及其分析中心长期致力于GNSS数据处理的研究及高精度轨道和钟差产品的提供。GFZ作为分析中心之一,提供GBM多系统快速产品。本文基于2015—2021年GBM提供的精密轨道产品,阐述了数据处理策略,分析了轨道的精度,介绍了非差模糊度固定的原理和对精密定轨的影响。结果表明:GBM快速产品中的GPS轨道精度与IGS后处理精密轨道相比的精度约为11~13 mm,轨道6 h预报精度约为6 cm;GLONASS预报精度约为12 cm,Galileo在该时期的精度均值为10 cm,但是在2016年底以后精度提升到5 cm左右;北斗系统的中轨卫星(medium earth orbit,MEO)在2020年以后预报精度约为10 cm;北斗的静止轨道卫星(geostationary earth orbit,GEO)卫星和QZSS卫星的预报精度在米级;卫星激光测距检核表明,Galileo、GLONASS、BDS-3 MEO卫星轨道精度分别为23、41、47 mm;此外,采用150 d观测值的试验结果表明,采用非差模糊度固定能显著改善MEO卫星轨道精度,对GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2和BDS-3的MEO卫星的6 h时预报精度改善率分别为9%~15%、15%~18%、11%~13%、6%~17%和14%~25%。     

广域实时精密定位与时间服务系统

广域实时精密定位与时间服务已成为GNSS应用领域研究热点,目前国内外学者围绕其模型算法已展开大量的研究。本文重点论述广域实时精密定位与时间服务数据的处理方法和服务系统,给出了基于不同基准约束的卫星钟差解算数学模型,提出通过引入外接原子钟测站、标准时间源(UTC/BDT)等不同时间基准,构建卫星拟稳基准、外接原子钟跟踪站拟稳基准及标准时间源等约束下的钟差解算模型,分析了时间基准对精密单点定位和精密单点授时的影响。本文采用实时卫星轨道、钟差、相位偏差、电离层延迟等服务产品及跟踪站实时数据,验证了系统产品可靠性及终端定位与时间服务性能。实测结果表明:GPS轨道径向精度1.8 cm,钟差STD精度约0.05 ns;BDS-3轨道径向精度6.7 cm,钟差STD精度优于0.1 ns;GPS和BDS-2电离层改正精度分别为0.74 TECU与1.03 TECU。基于该产品实现了用户端PPP、PPP-RTK及PPT、PPT-RTK服务,满足了用户实时厘米级定位和优于0.5 ns的单站时间传递服务,当采用GPS+BDS-2 PPP-RTK解算时,平面收敛至5 cm约需要12 min。     

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。     

BDS-3/GNSS非组合精密单点定位

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）全球组网工作全面建成,标志着BDS-3迈入全球定位、导航和授时服务的新时代。为了全面比较BDS-3系统与其余全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）非组合精密单点定位（precise point positioning,PPP）性能,重点分析不同分析中心BDS-3精密轨道和钟差产品的一致性、BDS-3/GNSS卫星可用性、BDS-3/GNSS单系统及多系统融合PPP定位性能。结果表明,基于5个分析中心的精密轨道和钟差产品,BDS-3静态PPP三维均方根误差约为2.31~4.00 cm,其单系统收敛时间明显慢于其余GNSS系统,GPS系统的加入对BDS-3/GNSS双系统融合PPP改善效果最为明显,且四系统融合能够有效地缩短收敛时间,并提高动态PPP定位精度。随着BDS-3系统的发展以及轨道和钟差产品的进一步完善,BDS-3同样具备其余GNSS系统提供优质导航定位服务的潜力。     

MADOCA-LEX高频GPS卫星钟差 短期预测精度分析

日本准天顶卫星系统（QZSS）卫星通过L波段实时播发高频全球卫星导航系统（GNSS）精密轨道和钟差产品,为GNSS导航用户提供实时精密单点定位（PPP）服务. 本文以JAXA MADOCA数据中心提供的1 s采样率GPS卫星钟差数据为研究对象,首先采用阿伦方差对卫星钟差的短期稳定性进行评估;然后分别采用一阶多项式、二阶多项式和灰色模型对高频钟差产品进行建模,在5 s,10 s和30 s的拟合窗口内预报后续10 s内钟差,并基于预报残差的均方根误差（RMS）评定不同类型GPS卫星钟差产品的短期预报精度. 基于2020年1月1日-21日连续21天的实时高频钟差统计分析结果表明,不同型号的GPS卫星钟差1 s,5 s和10 s的短期稳定性均能达到10-12量级;对比预报精度显示,10 s以内的拟合窗口采用最简单的一阶多项式最为稳定可靠,10 s延迟预报RMS精度可控制在0.1 ns以内;若采用30 s的拟合窗口,考虑钟差频漂特性的二阶多项式则更为稳定可靠,预报钟差的RMS精度能达到0.15 ns以内．由此可见,本文基于MADOCA-LEX钟差产品的实时预报精度可以满足厘米级PPP的需求．      

利用非差观测量估计北斗卫星实时精密钟差

研究并实现了基于非差观测量的北斗卫星实时钟差估计算法,利用全球53个多模全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)实验跟踪网(multi-GNSS experiment,MGEX)站的北斗与全球定位系统(global positioning system,GPS)观测数据进行实时钟差估计,分析了实时钟差产品的精度与定位性能。多天统计结果表明,本文生成的GPS实时钟差与事后钟差符合较好,精度优于0.07ns,略低于事后钟差产品,验证了基于非差观测量的实时钟差估计软件的处理精度。本文解算的北斗实时钟差的精度为0.1~0.15ns,略低于GPS卫星。基于实时钟差进行模拟动态精密单点定位(precise point positioning,PPP)实验,北斗与GPS在水平方向的定位精度为0.041m和0.058m,高程方向的精度为0.069m和0.037m,定位结果分别与事后钟差解算的结果符合较好,表明实时钟差与事后钟差差异不大。     

GNSS精密卫星钟差估算与分析

为估算与分析GNSS卫星钟差的精度,利用中国测绘科学研究院国际GNSS监测评估系统分析中心研发的软件,采用全球均匀分布的50个IGS跟踪站和8个我国自建的IGMAS测站的观测数据,对GNSS包含的四大导航系统事后精密卫星钟差进行了估计。计算结果分别与国际上的分析中心结果进行了比对,得出GPS卫星钟差与IGS结果互差在0.2ns,GALILEO卫星钟差精度与GPS相当,在亚纳秒量级,GLONASS卫星钟差精度相对较低,在4ns以内,BDS各轨道类型上卫星之间钟差存在较大的系统性偏差,选择多星基准消除偏差之后,估算的北斗卫星钟差精度在1ns以内。试验结果表明,目前我国分析中心估算的卫星钟差总体上与国际IGS各分析中心估计的卫星钟差精度相当。     

卫星钟差解算及其星间单差模糊度固定

整数相位模糊度解算可以显著提高GNSS精密单点定位（PPP）的精度。本文提出一种解算卫星钟差的方法,通过固定星间单差模糊度恢复出能够支持单台接收机进行整数模糊度解算的卫星钟差,即所谓的“整数”钟差。为了实现星间单差模糊度固定,分别通过卫星端宽巷FCB解算和模糊度基准的选择与固定恢复出宽巷和窄巷模糊度的整数性质。为了证明本文方法的可行性,采用IGS测站的GPS数据进行卫星钟差解算试验。结果表明,在解算钟差时,星间单差模糊度固定的平均成功率为73%。得到的卫星钟差与IGS最终钟差产品相比,平均的RMS和STD分别为0.170和0.012 ns。448个IGS测站的星间单差宽巷和窄巷模糊度小数部分的分布表明本文得到的卫星钟差和FCB产品具备支持PPP用户进行模糊度固定的能力。基于以上产品开展了模拟动态PPP定位试验,结果表明模糊度固定之后,N、E、U和3D的定位精度（RMS）分别达到0.009、0.010、0.023和0.027 m,与不固定模糊度或采用IGS钟差的结果相比,分别提高了30.8%、61.5%、23.3%和37.2%。     

IGS卫星钟差产品采样间隔对PPP收敛速度的影响分析

比较和分析了使用IGS5min、IGS30s以及CODE30s、CODE5s4种精密卫星钟差产品对精密单点定位(precise point positioning,PPP)精度及其收敛性的影响。在达到同等精度水平时,使用30s和5s采样率的钟差产品,其收敛时间要明显短于5min的精密钟差产品。     

基于新陈代谢灰色模型的实时GPS卫星钟差预报研究

实时GPS卫星钟差的可靠性预报是GPS实现实时精密单点定位的关键技术之一。传统的GM(1,1)模型不能及时更新新息数据,致使计算结果精度较差。本文首先介绍了常用的几个钟差模型,并利用新陈代谢GM(1,1)模型,与常用的二次多项式模型进行了对比。通过自编程序,依据某一IGS跟踪站实测的精密卫星星历数据,进行了实时的GPS卫星钟差预报,并与IGS事后精密钟差进行了比较。实验结果表明,基于该新陈代谢GM(1,1)模型估计的卫星钟差与IGS发布的最终精密钟差具有较好的有效性和一致性,这为实时GPS动态精密单点定位提供较高精度的卫星钟差产品。     

GPS卫星轨道及钟差对GRACE卫星定轨精度影响

针对GPS卫星精密轨道和钟差插值对GRACE卫星定轨精度影响进行了分析,分别使用IGS(International GNSS Service)30 s间隔钟差、CODE(the Center for Orbit Determination in Europe)30和5 s间隔钟差以及15 min精密星历进行GRACE卫星定轨实验。结果表明:GPS轨道插值精度可以达到cm级,将15 min GPS轨道插值为30 s间隔利用9阶拉格朗日插值定轨结果精度最高,继续增加阶数定轨精度不会增加;利用CODE钟差计算GRACE非差运动学轨道,码伪距结果精度较IGS产品提高6%,载波相位运动学定轨结果和约化动力学定轨结果精度都提高10%左右;5 s间隔卫星钟数据对定轨结果改进并不明显。采用CODE间隔为30 s钟差进行GRACE运动学定轨的计算精度能满足cm级轨道的应用需求。     

GNSS星载原子钟性能评估

星载原子钟作为导航卫星上维持时间尺度的关键载荷,其性能会对用户进行导航、定位与授时的精度带来影响。介绍了原子钟评估常用的三个指标（频率准确度、飘移率和稳定度）的定义及计算方法,利用事后卫星精密钟差数据,开展了全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）星载原子钟性能评估,分析了GNSS星载原子钟特性。结果表明,GPS（global position system）BLOCKIIF星载铷钟与Galileo星载氢钟综合性能最优;北斗系统中地球轨道卫星与倾斜同步轨道卫星星载原子钟天稳定度达到2~4×10-14量级,与BLOCK IIR卫星精度相当;频率准确度达到1~4×10-11量级;频率漂移率达到10-14量级。     

基于GNSS精密单点定位的高精度云平台授时

采用GNSS精密单点定位(PPP)技术和时钟驯服技术,构建了基于PPP的云平台高精度授时方案,研制了搭载多系统GNSS接收机板卡、恒温晶振(OCXO)和数字信号处理器(DSP)的授时原理样机。利用协同精密定位平台分析中心(武汉)提供的5 s间隔卫星轨道和钟差产品,采用PPP技术实时解算授时终端坐标和钟差,通过驯服恒温晶振输出亚纳秒精度的1 PPS,实现了长时间高精度的授时能力。本文通过短基线比较和与UTC绝对时间基准比较,验证了精密单点授时精度(RMS)优于1 ns。