单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用

全球导航卫星系统(GNSS)已发展至多频多系统时代,特别以我国北斗卫星导航系统(BDS)为代表的四大全球导航卫星系统可全天时、全天候播发十几个频率的伪距、相位和多普勒等观测信息。多频多系统GNSS为用户提供更多的观测数据和组合选择,为精密定位、导航和授时(PNT)应用带来了新的机遇,如高精度位置服务、大地测量、空间天气和灾害监测等。但多频多系统GNSS观测为精密单点定位(PPP)组合模型和系统偏差及大气延迟估计等带来诸多问题和挑战。本文给出了单频到五频多系统GNSS精密单点定位(PPP)模型,估计和评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位精度、接收机钟差、对流层延迟、卫星和接收机硬件延迟,以及频间偏差。给出了GNSS PPP最新应用进展,包括GNSS气象学、电离层模拟、时间频率传递、建筑物安全和地震监测及其应用。结果表明,多频多系统极大地提高了GNSS PPP参数估计的精度和可靠性,具有重要的应用价值。最后给出了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。     

多GNSS监测下中国区域电离层格网模型可用性分析

多系统全球卫星导航系统(GNSS)的出现为天基增强系统(SBAS)电离层格网模型的性能提升提供了可能,但多系统GNSS测量对电离层格网模型性能提升是有条件的. 为此,利用中国区域GPS观测模拟分析了多系统GNSS测量对中国区域电离层格网模型可用性的影响. 结果表明:多系统GNSS测量可有效提高电离层格网模型的覆盖范围. 中国南方地区存在低纬赤道电离异常(EIA)现象,严重影响SBAS电离层格网模型实现性能,单纯增加GNSS测量不能有效应对低纬电离异常现象影响. 中国北方地区电离层延迟变化平缓,在多系统GNSS测量情况下可以考虑减少地面监测站数量,仍能保持系统原有性能.      

一种改进的加权整体最小二乘GNSS船姿估计方法

为提高GNSS船姿测量精度,该文构建了基于先验模糊度信息的乘性欧拉角GNSS载波观测方程,提出了一种基于部分变量误差模型(Partial-EIV)的加权整体最小二乘(WTLS)动态船姿估计方法。首先利用GNSS动对动加以基线长约束快速精确固定模糊度,然后将整周模糊度固定解作为已知值代入乘性姿态角载波观测误差方程,并将观测方程进行向量化;针对状态方程以及观测方程系数矩阵包含随机元素和固定元素的结构特征,引入Partial-EIV模型,采用一种改进目标函数的WTLS方法估计乘性欧拉角,该方法可以同时顾及状态方程以及观测方程误差,充分利用观测值以及姿态约束信息,减小误差累积。通过实测GNSS三天线匀速测姿算例对本文方法进行验证,结果表明,该文方法优于动态参考站差分(MBD)基线姿态直接解法,对于复杂海洋环境船姿测量具有一定的参考价值。     

GNSS卫星精密定轨综述:现状、挑战与机遇

GNSS卫星精密轨道是高精度GNSS应用的基础与前提,GNSS卫星精密定轨技术也一直都是卫星导航领域的研究重点与热点。本文首先介绍了GNSS星座与跟踪数据概况,梳理了精密定轨函数模型、动力学模型及随机模型构建过程中的关键问题,归纳了低轨星载观测和星间链路观测等多源数据增强GNSS精密定轨的研究进展;然后,从应用的角度总结了当前GNSS精密轨道产品的基本状态,并进行了精度评估;最后,讨论了GNSS精密定轨在大网快速解算、多层次观测数据融合、太阳光压模型精化及高精度实时定轨等方面所面临的挑战,并展望了低轨星座、光钟、激光链路等新技术给GNSS精密定轨带来的机遇。     

电磁环境对GNSS观测数据质量的影响

通过在35、110、220、500、800kV 5种不同电压等级的变电站开展全球卫星导航定位系统(GNSS)观测实验,从数据完整率、多路径、信噪比、观测值与周跳比4项指标对各测试站点的GNSS观测数据质量进行统计分析,研究不同电压等级下电磁环境对各GNSS系统观测数据质量的影响。结果表明:不同电压等级下电磁环境对各GNSS系统的观测数据质量无负影响,该结论为论证变电站建设GNSS连续运行参考站(CORS站)的可行性提供了一定的参考价值,促进了卫星导航定位技术在电力行业的应用。     

多种观测环境下GNSS数据质量分析

随着城镇化进程的加快和民生基础设施的全面建设,对全球卫星导航系统(GNSS)控制点勘选的限制因素越来越多,无形中增加了GNSS控制点勘选工作的难度。为了在有限的自然环境中最大限度地提升GNSS控制点勘选工作效率,减轻GNSS控制点勘选难度,特开展了多种特定观测环境下GNSS数据质量分析,结果表明：GNSS控制点数据质量对距离变电站、水面远近没有影响;光滑连片铁皮建(构)筑物对距离100 m的GNSS控制点观测数据质量无影响;扼流圈天线可以极大地提高GNSS数据质量。     

安卓智能手机GNSS数据质量分析

Android系统开放了全球卫星导航系统(GNSS)原始数据观测值,开发人员可以直接通过应用程序编程接口(API)获取GNSS原始观测数据．本文选取小米8和华为P30手机作为研究对象,对手机输出的原始GNSS观测数据进行研究,从多路径效应、数据载噪比方面分析数据质量．实验结果表明:相对于测量型接收机,安卓智能手机的原始观测值载噪比较低且多路径效应严重.      

长三角地区多模GNSS斜路径观测分布及水汽仿真层析

目前长三角地区GNSS网已应用于该地区上空水汽的日常监测和水汽层析的研究。由于该GNSS网站间距较大、分布不均匀,斜路径观测值不能完全满足高精度水汽三维层析的需要,因此,本文对该地区进行了多模GNSS(GPS、Galileo、GLONASS、BDS)的观测仿真和水汽层析试验。结果表明,多模GNSS观测值角度变化范围大,在空间分布更均匀,相同观测条件下,多模GNSS观测值明显降低了空间格网的空格率,特别是改善了大气中上层格网的观测值覆盖情况。多模GNSS观测值弥补了单系统观测分布不均的状况,为空间格网提供了更为丰富的大气观测信息。通过仿真层析试验可以看出多模GNSS能够明显改善层析效果,尤其能够提高地面5km以上的层析精度。     

抗差自适应无迹Kalman滤波在GPS/INS组合导航中的应用

全球定位系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)与惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)进行组合导航是实现自动驾驶的一种重要组合方式.针对动力学模型本身的非线性特点以及实际环境下存在观测粗差和系统状态异常的情况,提出将无迹Kalman(Unscented Kalman Filter,UKF)滤波方法与抗差自适应方法相结合,根据GNSS/INS组合模型的特点,通过边际无迹转换(Marginalised Unscented Transformation,MUT)的思想降低提出导航方法的计算量.实验结果表明,提出方法能够提高观测时段非同时存在观测异常与动态异常下导航定位的精度,验证了方法的有效性与可行性.     

基于DCB和OSB产品的GNSS精密单点定位性能对比与分析

随着全球卫星导航系统(GNSS)的不断建设，精密单点定位(PPP)可用频率和通道逐步多元化.文中在原始观测方程的基础上，分别推导出适用于差分码偏差(DCB)产品和绝对偏差(OSB)产品的双频无电离层组合(IF)PPP模型，并利用50个MGEX (Multi-GNSS Experiment)测站的10 d连续观测数据对两种策略对比分析了各GNSS系统PPP模型的定位性能.结果表明：采用OSB产品的PPP模型在性能上与传统的DCB产品差异可以忽略不计，而且OSB产品在使用时更便利，更适合未来多频PPP的应用前景.     

Helmert方差分量估计在GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位权比确定中的应用CSCD

多星座组合定位可以提升导航定位性能,但不同星座观测量组合时需要考虑合适的随机模型.传统方法是根据经验直接设定各系统的等价权重,但会导致随机模型确定不精确,从而影响组合系统的性能提升.将Helmert方差分量估计方法应用于GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合精密单点定位(PPP)中,以自适应确定各系统间权比.采用国际GNSS服务(IGS)MGEX(Multi-GNSS Experiment)观测网的10个测站一周的观测数据进行静态和仿动态试验.结果表明:采用Helmert方差分量估计定权方法可显著提高GPS/GLONASS/BDS/Galileo组合PPP的收敛速度,与等权定权方案比较,静态模式下平均提高52%,仿动态模式下平均提高64%.因定位精度主要由载波相位观测值精度和误差修正水平决定,在静态和仿动态测试中Helmert方差分量估计方法对定位精度没有明显改善.     

基于方差分量估计的不同截止高度角下的组合单点定位

BDS/GPS/GLONASS组合系统定位时,由于系统间卫星测距精度的差异性,需要合理确定卫星间权比,Helmert方差分量估计常被用于确定不同类观测值间权比;而当观测值含有粗差时,Helmert方差分量估计定位结果容易被粗差污染或收敛失真,出现大的偏差。文中基于Helmert方差分量估计,引入等价权因子IGGIII函数,建立抗差Helmert方差分量估计权函数模型,对比分析其在低截止高度角10°、15°和20°下,在BDS/GPS/GLONASS组合系统定位中的应用及定位精度,并讨论分析在高截止高度角30°和40°下,组合系统和单系统BDS的定位精度。实验结果表明:当观测值无明显粗差时,Helmert方差分量估计和抗差分量估计的定位精度相当,略低于高度角权函数的定位结果,点位精度RMS优于2.5m;含粗差时,抗差解定位精度最高;当截止高度角为30°时,BDS单系统定位精度RMS优于5m,而组合系统RMS接近3m;为40°时,组合系统平面精度RMS优于2m,三维精度RMS优于6m,而单系统不能定位。     

一种多系统组合单点定位随机模型的确定方法

分析多系统组合单点定位性能,针对组合定位时随机模型不够精确的问题,提出一种基于UERE的Helmert方差分量估计定权方法。结果表明:多系统组合定位时,单历元可用卫星数增大,GDOP值明显减小,精度以及稳定性等定位性能得到有效提升。基于UERE的Helmert方差分量估计定权方法相较传统的先验定权和基于验后方差估计的定权方法,可明显改善多系统组合定位的精确度,且降低迭代计算次数。     

合理权比对GPS／BDS伪距单点定位结果的影响分析

GPS／BDS组合定位综合利用两系统观测值进行定位解算,但GPS系统与北斗系统间存在着系统差异,为了保证组合定位时两系统间数据合理分配,需确定解算时两系统观测值间合理的权比。本文通过对几组不同先验权比时伪距单点定位结果比较选出的最佳权比与利用Helmert 方差分量估计方法求得的两个系统伪距单定位权比进行分析,结果表明, GPS／BDS组合定位时的合理的先验权比为1∶1,但在某些时间段内,其中一个系统的卫星数减少或数据质量不佳等情况时,这会导致该系统观测值在组合定位中的贡献率大大降低,此时就需要分段确定合理权比。      

GPS/GLONASS组合静态相位相对定位算法

论文介绍了GPS/GLONASS组合静态相位相对定位模型,将GLONASS双差观测方程的模糊度参数表示成参考卫星的单差模糊度和双差模糊度参数;用误差分析法证明了单差模糊度按实参数估计不影响基线解算精度,而GLONASS双差模糊度必须按整参数进行解算;用Helmert方差分量估计确定GPS和GLONASS观测值的合理权比。实际观测数据处理结果表明：GPS/GLONASS组合定位较单一系统解算的基线精度均有提高,尤其比GLONASS单系统的解算精度有显著提高,比GPS单系统的精度也有适当提高,其中单历元基线解算精度约提高了10%,当单一系统的可用卫星数少于4颗时,GPS/GLONASS组合定位更具有应用价值。     

北斗系统GEO/IGSO/MEO卫星观测信息随机特性评估与分析

首先从参数估计、精度评定和质量控制角度论证了在精密定位中随机模型的重要性;然后基于短基线单差观测模型,采用严密的方差分量估计方法计算了不同频率、不同卫星的相位和伪距观测值精度,任意频率之间的交叉相关性以及不同频率的相位和伪距观测值在不同时间间隔上的时间相关性;随后分析了随机模型对基线精度和整体检验统计量的影响。结果表明：北斗用户接收机数据精度都与高度角相关,建议采用高度角指数加权函数;北斗二号3个频率相位观测值之间存在不同程度的相关性,其他类型观测值之间的交叉相关性不明显,不同频率的相位和伪距观测值时间相关性较明显,高精度应用中需关注。另外,正确的随机模型计算的基线精度更接近理论精度。本文为用户正确认识北斗系统3个类型卫星观测信息、正确使用北斗系统提供支撑。     

利用基于抗差垂直向方差分量估计的GPS-InSAR数据融合方法反演三维形变场

GPS-InSAR数据融合解算三维形变场模型易受观测值粗差影响,且基于方差分量估计的定权方法不具备抵御粗差能力,计算效率低下。鉴于此,本文提出了一种基于抗差垂直向方差分量估计的GPS-InSAR融合解算模型,利用方差分量估计方法及抗差估计理论,通过对观测值最优化分类并进行选权迭代,精确分配权重,进而有效计算三维形变场。试验结果表明,该方法能有效抵御观测值粗差不利影响,提高三维形变场反演精度,提升逐点式计算的三维形变场效率。     

Helmert方差分量估计在GPS/GLONASS组合定位中的应用

介绍了GPS/GLONASS组合定位模型,探讨了组合定位解算中的时间系统转化和坐标系统转化的问题,研究了利用Helmert分差分量估计进行验后定权的方法及其步骤,对IGS基准站nano某一天的观测数据进行组合定位解算与分析,认为在GPS/GLONASS组合定位解算中选择1∶0.210 6的权比,能够提高单点定位的精度。     

GPS／BDS／GALILEO多系统融合伪距单点定位性能分析

针对在不同截止卫星高度角的情况下,GPS、BDS、GPS／BDS、GPS／GALILEO、BDS／GALILEO 、GPS／BDS／GALILEO间伪距单点定位精度的差异,本文对多系统融合伪距单点定位的数学模型和误差项处理方法进行了研究,以香港CORS站HKMW站点全天的数据为实验数据,在截止卫星高度角10°、15°、20°、30°、40°的情况下,进行了GPS、BDS、GPS／BDS、GPS／GALILEO、BDS／GALILEO、GPS／BDS／GALILEO伪距单点定位解算。结果表明,GPS／BDS／GALILEO组合系统在X、Y、Z各方向的定位精度都优于单系统,定位结果更加稳定,尤其在截止高度角达到30°、40°时,单系统的定位精度急剧下降,历元可用率降低,而GPS／BDS／GALILEO组合系统仍能满足定位的要求。      

北斗三号卫星观测信息高度角相关随机模型统计特性分析

观测信息随机模型在参数估计、质量控制和精度评定过程中具有重要作用,准确的观测信息随机模型是北斗精密定位的基础。首先,利用简化的Helmert方差分量估计方法估计北斗三号卫星观测信息精度,并拟合模型系数;然后,利用全局检验和$\omega$检验对基于分段函数、正弦函数、余弦函数和指数函数的随机模型进行统计检验,分析随机模型统计特性;最后,利用精密单点定位（precise point positioning,PPP）检验各随机模型对定位性能的影响。实验结果表明,北斗三号卫星的伪距和载波相位观测值精度均与高度角相关,且观测类型不同,相关程度不同;基于指数函数的随机模型在拟合误差、全局检验和$\omega$检验中均表现出最优的性能,全局检验浮点解和固定解的误警率仅为5.1%和4.9%,$\omega$检验伪距和载波相位最大误警率分别为5.8%和6.8%,PPP收敛时间最短,定位精度最高。基于指数函数的随机模型能够准确描述北斗观测信息精度,提高北斗三号卫星精密定位结果的精度和可靠性。