BDS-3新频点B1C/B2a动态数据特性及PPP精度分析

通过载噪比(CNR)、数据完整率、伪距与载波相位观测值噪声和伪距多路径效应四个指标对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)新频点B1C/B2a车载动态数据的特性进行了分析,测试了BDS-3新频点动态精密单点定位(PPP)的性能,并与其它全球卫星导航系统(GNSS)进行了对比. 试验结果表明,BDS-3新频点B2a平均CNR优于北斗卫星导航系统(BDS)其它频率,但略差于GPS L5;相较于其它GNSS,BDS数据完整率相对较高,其中BDS-3 B2a新频点数据完整率最高;BDS-3 B2b伪距观测值噪声最小,B1C和B2a伪距观测值噪声约为B2b信号的3倍,但不同频率相位观测值噪声处于同一量级;对于伪距多路径而言,BDS-3 B1C/B2a 信号略小于B2b 信号. 总体而言,GPS L5信号抑制多路径效应的能力最强. 在动态PPP性能方面,BDS-3 B1C/B2a双频组合动态PPP定位精度最优,其三维(3D)均方根(RMS)误差为0.439 m,相比BDS B1I/B3I、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2和Galileo E1/E5a双频组合PPP,其精度改善率分别为49%、56%、81%和42%.      

北斗三号观测数据质量及定位精度初步评估

开展BDS-3观测数据质量评估对于即将到来的BDS-3应用研究至关重要。本文从载噪比、伪距多路径及观测噪声3方面评估了BDS-3卫星的观测数据质量,在此基础上分析了其标准单点定位和短基线相对定位性能。初步评估结果表明：在载噪比方面,BDS-3卫星的B1I频点比BDS-2卫星高3~4 dB/Hz,B3I频点最高,其余频点大小相当;在多路径方面,BDS-3卫星伪距B2a、B2b和B3I与BDS-2的B3I大小相当,B1I和B1C与BDS-2的B1I、B2I大小相当,且BDS-3各频点的伪距多路径组合中不存在明显的与高度角相关的伪距偏差;在观测值噪声方面,BDS-3卫星与BDS-2卫星各频点大小基本相当。相比于仅使用BDS-2卫星,增加BDS-3卫星可以改善几何图形结构,一定程度上提高伪距单点定位和短基线相对定位的精度。     

北斗三号最简系统卫星信号质量分析

截至2018年5月,中国共发射了8颗北斗三号(BDS-3)中圆地球轨道(medium Earth orbit, MEO)卫星,组成北斗三号最简系统,播发了B1C、B2a和B2b新卫星信号,仅有17个国际全球导航卫星系统监测评估系统(international global navigation satellite system monitoring and assessment system, iGMAS)跟踪站能够接收到BDS-3卫星信号。选用17个iGMAS观测站10 d的观测数据,从数据完整率、信噪比、多路径效应、电离层延迟和周跳方面进行质量分析,并与GPS L1/L5和Galileo E1/E5a重叠频率对比,评价当前BDS-3卫星信号性能以及iGMAS测站的接收能力。结果表明,装有GNSS_GGR接收机的iGMAS测站的伪距观测值含有较大的粗差,个别装有CETC-54-GMR-4011接收机的跟踪站的周跳现象较严重。通过分析多路径效应可知,BDS-3卫星各个信号中不存在与高度角有关的系统偏差。BDS-3最简系统卫星观测数据质量与GPS L1/L5和Galileo E1/E5a相当,能够满足北斗卫星导航系统正常的工作需求。     

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-3卫星对BDS全球定位性能提升分析

随着北斗卫星导航系统(BDS)建设与组网工作的不断推进,北斗3号（BDS-3）已开始提供全球定位服务,其定位性能是广大用户关注的主要问题之一. 为了评价BDS在全球各地区定位可用性与精度,本文选取了全球范围内可接收北斗2号（BDS-2）与BDS-3卫星播发信号的44个静态观测站,分别使用BDS-2卫星与北斗2/3号（BDS-2/3）卫星的B1I与B3I信号及其无电离层组合观测值进行标准单点定位解算,同时使用广播星历解算BDS在全球范围的可见卫星数与位置精度因子(PDOP)分布情况. 结果表明,相对于BDS-2卫星,BDS-3卫星可以在全球范围内增加2～4颗可见卫星,同时减小了PDOP值和定位结果噪声,将BDS服务范围从亚太地区进一步扩展至全球. 另外,全球参考站双频无电离层组合可实现水平方向1.5 m、高程方向3 m的定位精度,单频定位也可实现水平2.5 m,高程4 m的定位精度. 本文还进行了手持动态实验,结果表明,BDS-2/3动态条件下可实现水平方向约2 m、高程方向约4 m的定位精度. 总的来说,目前BDS可以实现全球水平方向优于2 m,垂直方向优于4 m的伪距单点定位,满足绝大部分全球用户的定位需求.      

北斗三号三频组合观测值特性分析研究

北斗三号卫星导航系统今年已步入全球组网阶段,预计到2018年底BDS-3的服务区域将覆盖“一带一路”国家及周边国家.目前BDS-3已发布B1I、B1C、B2a和B3I四个信号的用户接口控制文件,本文利用函数极值法给出了特定波长和电离层延迟影响系数下的噪声最优线性组合系数,分析得出BDS-3最优超宽巷组合为三频信号(B1C,B1I,B2a)和(B1C,B1I,B3I)中的线性组合(1,-1,0),最优宽巷组合为三频信号(B1I,B3I,B2a) 和(B1C,B3I,B2a)中的线性组合(1,-3,2),这三个组合也是BDS-3、BDS-2和GPS中的最优组合.利用北斗三号的实测数据进行长短基线下宽巷／超宽巷双差模糊度解算,验证了BDS-3最优宽巷与超宽巷组合的结论的同时,还得出三频信号(B1I,B3I,B2a)和(B1C,B3I,B2a)中的宽巷组合(1,-3,2)与超宽巷组合(1,-4,3)和(0,1,-1)在长／短基线情况下均适用,而筛选得到的较优三频信号(B1C,B1I,B2a)和(B1C,B1I,B3I)中的宽巷／超宽巷组合仅在短基线场景下均适用.      

基于北斗三号三频数据的周跳探测与修复

针对载波相位观测值中出现周跳的问题及北斗三号系统(BDS-3)将至少有B_(1I),B_(1C),B_(2a)和B_(3I) 4个信号提供全球公开服务的现状,研究北斗三号系统的周跳探测与修复。提出优化三频相位电离层残差二阶历元差分组合和三频无几何无电离层相位组合的信号排列顺序,可进一步削弱组合观测量的电离层延迟影响和噪声影响,并基于北斗三号的实测数据,联合STPIR法、MW法和无几何无电离层相位组合法进行周跳探测与修复实验。实验结果表明,组合观测量信号的优化排列,削弱组合观测量的电离层延迟影响和噪声影响,且所选的3个组合观测量可以准确探测所有周跳,并有效地修复。     

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。     

北斗三号基本系统伪距单点定位性能分析

北斗三号(BDS-3)已经完成基本系统建设,并于2018年12月27日开始正式提供全球服务. 本文选取了全球分布的12个国际GNSS监测评估系统(iGMAS)跟踪站数据,对北斗二号(BDS-2)和北斗三号(BDS-3)及其组合的定位性能进行研究,分析了空间位置精度因子(PDOP)、卫星可见数,以及单双频伪距单点定位精度. 结果表明:BDS-3各频点单频定位精度由高到低的顺序为B1C、B2a、B1I、B3I,BDS 3双频定位精度B1C／B2组合优于B1I／B3I组合;在亚太区域,BDS-2／BDS-3相对于BDS 2定位精度提升大于14％.      

北斗系统全球电离层建模理论与方法研究

电离层延迟是卫星导航系统的主要误差源.北斗卫星导航系统(BDS )已由区域系统(北斗二号系统,BDS-2 )发展为全球系统(北斗三号系统,BDS-3 ) ,BDS-3星座具有全球覆盖、区域异构的特点,卫星播发了S和L频段多个导航信号,向下兼容 BDS-2的 B1I和 B3I信号,增加B1C、B2a(兼容 GPSL1/L5、GalileoE1/E5a)两个新信号,试验卫星播发了Bs频点信号.     

基于北斗星间链路的卫星自主导航可行性分析

北斗三号卫星导航系统(BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3)在BDS-2基础上,设计实现了高速宽带星间链路网络,以期实现导航和通信的一体化建设,并为卫星自主定轨(autonomous orbit determina-tion,AOD)技术的实现积累宝贵的实测数据.首先,利...     

北斗三号PPP-B2b服务性能评估

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system,BDS-3）精密单点定位（precise point positioning,PPP）-B2b信号为中国及周边地区提供实时PPP(real-time PPP,RTPPP)服务,为了推广PPP-B2b信号的应用,需要对其服务性能进行评估。根据全球连续监测评估系统(international GNSS monitoring and assessment system, iGMAS）在中国的测站2020年9月的观测数据,评估了基于PPP-B2b信号的北斗卫星导航系统的轨道和钟差精度;分析了使用BDS-3PPP-B2b产品的B1I+B3I、B1c+B2a信号组合的定位精度以及北（north,N）方向、东（east,E）方向、天（up,U）方向收敛情况。结果显示:BDS轨道产品径向精度均值为0.1 m,切向精度均值为0.31 m,法向精度均值为0.3 m;钟差精度均方根的均值为2.26 ns,标准差的均值为0.08 ns。关于PPP收敛时间情况,在N、E、U 3个方向上,使用德国地学中心多系统快速产品...     

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。     

风云三号D星天基BDS实时定位性能分析

随着北斗三号卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system-3, BDS-3)开始向全球提供导航服务,独立使用BDS为在轨运行的卫星提供全球覆盖、全时段的定位服务成为可能。结合风云三号D星(FengYun-3D, FY-3D)全球卫星导航系统掩星探测仪(global navigation satellite system occultation sounder, GNOS)的真实在轨数据对天基BDS的定位性能进行了详细的分析。首先,使用BDS真实广播星历计算了在不同轨道高度下的可见卫星数和定位精度因子（position dilution of precision, PDOP）,并结合精密星历分析了广播星历的轨道误差、时钟误差及空间信号测距误差(signal-in-space range error, SISRE)。仿真结果表明,在95%的置信水平下,从地面到2 000 km的轨道高度,BDS在全球范围内最小可见卫星数为6,最大PDOP小于5,星座可用性已经达到100%,全球平均可见卫星数BDS比GPS(global positioning syste...     

BDS-3和Galileo组合的RTK定位性能分析

北斗三号卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）已全面建成并向全球用户提供可靠的定位、导航和授时（positioning, navigation and timing, PNT）服务。为了实现与其他全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）的兼容性和互操作性,BDS-3在BDS-2的基础上调制了B1C和B2a两个新信号,与伽利略系统（Galileo）的E1和E5a实现了频率的复用。系统间偏差（inter-system bias, ISB）对于实现不同GNSS之间的融合处理至关重要,为此提出了基于单差模型的ISB估计与应用算法,并对BDS-3与Galileo重叠频率之间的ISB进行了分析。基于可跟踪BDS-3新信号的几类接收机,揭示了BDS-3和Galileo之间的ISB的特性,在此基础上分析了BDS-3和Galileo组合的实时动态（real-time kinematic, RTK）定位性能。结果表明,基于相同类型的接收机B1C-E1和B2a-E5a之间是不存在ISB...     

一种顾及先验约束的北斗观测数据多路径一步修正模型

卫星观测数据质量是衡量系统服务性能的关键指标之一。多路径延迟作为导航定位服务中的主要误差源,是全球导航卫星系统数据处理领域的研究热点。针对多路径分步处理策略无法获得全局最优解的问题,提出一种基于先验约束的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）观测数据多路径实时修正模型。首先,基于提取的多路径延迟序列,利用全变分正则化算法实现多路径序列的分离与降噪;然后,利用最小二乘和自回归模型对多路径序列中趋势项与随机项进行一步建模处理;最后,以求解的多路径模型系数为先验信息,精化实时服务条件下BDS多路径处理模型。BDS实时精密单点定位实验表明,相较于传统多路径处理策略,经顾及先验约束的BDS观测数据一步修正后,BDS-2定位精度在E、N、U方向分别提升了10.6%～64.9%、0.0%～59.1%和12.6%～67.2%(B1I+B3I),BDS-3定位精度在E、N、U方向分别提升了13.9%、60.0%、45.9%(B1I+B3I)与19.1%、46.5%、23.9%(B1C+B2a)。所提的多路径处理模型可有效改善BDS实时定位应用中...     

Initial assessment of the COMPASS/BeiDou-3: new-generation navigation signals

The successful launch of five new-generation experimental satellites of the China’s BeiDou Navigation Satellite System, namely BeiDou I1-S, I2-S, M1-S, M2-S, and M3-S, marks a significant step in expanding BeiDou into a navigation system with global coverage. In addition to B1I (1561.098 MHz) and B3I (1269.520 MHz) signals, the new-generation BeiDou-3 experimental satellites are also capable of transmitting several new navigation signals in space, namely B1C at 1575.42 MHz, B2a at 1176.45 MHz, and B2b at 1207.14 MHz. For the first time, we present an initial characterization and performance assessment for these new-generation BeiDou-3 satellites and their signals. The L1/L2/L5 signals from GPS Block IIF satellites, E1/E5a/E5b signals from Galileo satellites, and B1I/B2I/B3I signals from BeiDou-2 satellites are also evaluated for comparison. The characteristics of the B1C, B1I, B2a, B2b, and B3I signals are evaluated in terms of observed carrier-to-noise density ratio, pseudorange multipath and noise, triple-frequency carrier-phase ionosphere-free and geometry-free combination, and double-differenced carrier-phase and code residuals. The results demonstrate that the observational quality of the new-generation BeiDou-3 signals is comparable to that of GPS L1/L2/L5 and Galileo E1/E5a/E5b signals. However, the analysis of code multipath shows that the elevation-dependent code biases, which have been previously identified to exist in the code observations of the BeiDou-2 satellites, seem to be not obvious for all the available signals of the new-generation BeiDou-3 satellites. This will significantly benefit precise applications that resolve wide-lane ambiguity based on Hatch–Melbourne–Wübbena linear combinations and other applications such as single-frequency precise point positioning (PPP) based on the ionosphere-free code–carrier combinations. Furthermore, with regard to the triple-frequency carrier-phase ionosphere-free and geometry-free combination, it is found that different from the BeiDou-2 and GPS Block IIF satellites, no apparent bias variations could be observed in all the new-generation BeiDou-3 experimental satellites, which shows a good consistency of the new-generation BeiDou-3 signals. The absence of such triple-frequency biases simplifies the potential processing of multi-frequency PPP using observations from the new-generation BeiDou-3 satellites. Finally, the precise relative positioning results indicate that the additional observations from the new-generation BeiDou-3 satellites can improve ambiguity resolution performance with respect to BeiDou-2 only positioning, which indicates that observations from the new-generation BeiDou-3 satellites can contribute to precise relative positioning.     

北斗三号卫星两种定轨模式精度比较分析

北斗全球卫星导航系统(BDS-3)已经于2018年年底建成基本系统,并计划于2020年建成完整系统,而精确的卫星轨道是实现高性能全球服务的前提。本文基于北斗三号基本系统的18颗中圆轨道(MEO)卫星,评估了北斗三号卫星星间链路的测量噪声与测距精度,利用中国境内12个区域监测站的星地观测和星间链路观测,进行了联合卫星轨道测定试验,并与单纯区域监测站观测定轨结果进行了比较,分析了两种定轨模式重叠弧段轨道误差、轨道预报精度和激光检核精度。结果表明:北斗三号卫星的星间链路测量噪声为2.9cm,测距精度约为4.4cm;仅采用区域测站定轨,重叠弧段三维位置误差RMS为66.7cm,加入星间链路后可降低至15.4cm,提高了76.9%,24h轨道预报位置精度也由114.1cm提升至20.3cm,提升了83.2%,激光检核径向精度为8.4cm左右,明显优于北斗二号卫星轨道精度。     

利用不同时间同步体制钟差评估北斗三号星载原子钟性能

全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)星载原子钟性能的优劣直接影响GNSS观测信号质量、测距精度、钟差预报与卫星自主导航能力,从而间接影响整个导航系统的服务性能。结合北斗三号系统独特的星间链路(inter-satellite link, ISL)和星地时间双向比对(two-way time transfer,TWTT)体制以及常用的精密轨道与钟差确定(orbit determination and time synchronization,ODTS)体制所估计的精密钟差数据,分析评估了北斗三号在轨原子钟服务性能。结果表明,3种钟差确定体制评估的频率准确度和漂移率结果基本一致,所有卫星频率准确度在(-4～2)×10^-11范围以内,氢钟频率准确度优于铷钟,ISL钟差评估的频率漂移率精度略优于ODTS。在评估原子钟稳定度方面,3种钟差确定体制各有优势,短期稳定度方面,ODTS钟差评估优于ISL钟差,基于ODTS评估的3 000 s稳定度可达3×10^-14,且氢钟的短期稳定性优于铷钟;中长期...