精密单点定位整周模糊度快速固定

提出利用GPS参考网估计电离层延迟、卫星相位偏差的算法,用于实现区域内精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)的整周模糊度快速固定.利用站间距约为100~200 km的参考网进行实验,结果表明:电离层延迟的内插和外推精度均优于1 dm,卫星相位偏差估值的日内变化不超过0.2周;此外,单天内不同时刻始,固定PPP整周模糊度所需时长最多不超过10 min,且当模糊度成功固定后,三维位置解较之相应浮点解的精度改善优于80%.新算法可望解决PPP普遍存在的收敛时间过长问题,增强了PPP技术的实用性.     

非差非组合电离层加权PPP-RTK/INS紧组合模型

PPP-RTK是一种可实现快速模糊度固定的精密单点定位(PPP)技术,它的组成包括由多个接收机构成的网端用于生成各类精密改正产品,以及单站构成的用户端以实现快速高精度定位.当网端是中等尺度参考网,即参考站之间的站间距在百余公里,有必要引入电离层加权模型,其优势在于能够增强PPP-RTK函数模型.此外,从非差非组合观测值层面出发,其能够兼容单/双频用户.然而,单凭卫星导航定位技术很难在复杂环境下提供连续导航定位服务.本文从理论到应用,基于非差非组合电离层加权PPP-RTK模型,构建了单/双频PPP-RTK/INS紧组合模型.在距离最近参考站约70 km的区域进行了两次车载实验,并分别利用单/双频PPP-RTK以及PPP-RTK/INS紧组合模型的实时处理结果进行分析.结果表明,双频PPP-RTK/INS紧组合在半城市环境能从分米级定位提升至厘米级定位,重收敛时间从11 s提升至3.6 s.以水平偏差小于0.2 m评估定位可用率,双频PPP-RTK/INS紧组合模型在半城市环境和复杂城市环境中分别可实现100%和96.97%.考虑车道级定位,单频PPP-RTK/INS紧组合模型在半城市和复...     

固定非差整数模糊度的PPP快速精密定位定轨

从GPS基本观测模型出发,给出并推导了分离相位小数偏差求解非差整数模糊度的精密单点定位数学模型和算法.利用少量IGS跟踪站组成服务端观测网计算未检校的相位小数偏差改正信息,用于改正用户端接收机的相位观测值,实现了固定非差整数模糊度的快速精密单点定位与定轨.试验结果表明: 利用30 min的地面动态或静态观测数据进行精密单点定位,非差模糊度固定成整数后,其定位结果较PPP浮点解有明显改善,水平方向提高了近一个数量级,可达到1 cm甚至毫米级的精度;高程方向与对流层延迟解算精度也改善了20%~60%.与浮点解相比,固定解能显著改善PPP的定轨精度,仅用15 min的短弧段观测数据,切向与法向的定轨精度可达到1 cm左右;径向方向为3~5 cm左右,较浮点解定轨精度改善了50%~70%.因此,固定非差整数模糊度后的PPP能够满足毫米至厘米级的快速精密定位和定轨的要求,这在GPS(准)实时应用与服务中具有很好的应用前景.     

改正接收机频间偏差的短基线北斗三频紧组合RTK方法

针对收星受限环境下传统RTK方法定位性能降低的问题,提出了北斗三频紧组合RTK方法.相比于传统RTK方法,该方法通过频间差分增加了双差观测量的数目,在观测卫星数较少时可有效提升整周模糊度成功率及定位精度.然而,频间差分会引入接收机端偏差项,包含接收机间差分码与差分相位偏差(between-receiver differential code and differential phase biases, BR-DCB and BR-DPB),以及与频间差相关的偏差(inter-frequency differential dependent bias, IFDB).为此,文章利用BR-DCB与BR-DPB的时域稳定特性,采用初始估计改正量去改正该偏差.同时采用三频组合技术将北斗原始的三个频点变换到窄频率空间内,用以抑制IFDB的影响.文章采集了4组静态与1组动态的短基线数据对所提方法进行了测试.测试结果表明,当截止高度角达到25°以上时,所提方法较传统RTK方法在整周模糊度成功率方面可提升约46%.     

利用GPS计算TEC的方法及其对电离层扰动的观测

在总结用ＧＰＳ研究电离层电子总量ＴＥＣ的数据处理方法基础上,分析了利用伪距观测量和载波相位观测量计算电离层ＴＥＣ的特点及误差来源．在处理过程中考虑了卫星的硬件延迟偏差,分析了应用ＩＲＩ模型进行接收机硬件延迟偏差修正的可能性,发现利用少量ＧＰＳ数据和ＩＲＩ模型修正接收机硬件延迟偏差有一定的困难．最后,利用一些ＧＰＳ观测数据有针对性地研究了电离层对若干次扰动事件的响应．包括一次大的太阳耀斑期间的电离层ＴＥＣ变化、一次较典型的电离层行扰以及日食期间的电离层ＴＥＣ的相对变化等电离层物理问题．结果表明,利用该方法计算ＴＥＣ的精度可满足电离层扰动现象的研究．     

区域实时对流层网格模型构建及在精密单点定位中的应用

受制于对流层延迟建模方法和建模背景场精度及时空分辨率的影响,目前实时对流层延迟模型的精度和稳定性都有待进一步改善.本文利用甘肃及周围地基共计184个GNSS (Global Navigation Satellite System)站估算的ZTD (Zenith Troposphere Delay),构建了空间分辨率为0.25°×0.25°的甘肃地区实时ZTD网格模型.针对传统的高程归化模型及水平内插模型精度低的问题,本文提出了利用高斯指数函数模型将不同高程的GNSS/ZTD归化到统一的高度,再基于BP神经网络模型从网格顶点周围统一高度后的GNSS/ZTD中内插出网格顶点处的ZTD.为了验证甘肃ZTD网格模型的精度,选取2022年甘肃地区8个未参与建模的陆态网GNSS测站的数据进行了实验.统计结果显示：与事后PPP (Precise Point Positioning)处理GNSS估算的ZTD相比,甘肃ZTD网格模型与真值偏差的RMS优于1.52 cm.此外,将构建的实时ZTD格网模型用于约束PPP处理,对于PPP浮点解施加ZTD约束后U方向精度提升22.9%,U方向收敛时间缩短26.4...     

两种精化的对流层延迟改正模型

对流层延迟是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)导航定位中的重要误差源,其量值主要受气象条件影响.采用传统对流层建模思路,利用GPT2模型来提供相对准确的气温、气压和相对湿度,然后利用Saastamoinen模型来计算天顶对流层延迟,由此构建了GPT2+Saas模型;采用新的对流层建模思路,直接针对天顶对流层延迟的时空特性建模,构建了与GPT2+Saas模型相匹配的GZTDS格网模型.以GGOS Atmosphere格网数据为参考,GPT2+Saas模型(Bias:0.2cm;RMS:4.2cm)和GZTDS模型(Bias:0.2cm;RMS:3.7cm)较UNB3m模型精度分别提升34%和43%.以IGS(International GNSS Service)数据为参考,GPT2+Saas(Bias:0.5cm;RMS:4.7cm)和GZTDS(Bias:-0.3cm;RMS:3.8cm)相对UNB3m模型精度分别提升10%和27%.针对GPT2+Saas模型在少数测站出现精度异常的情况进行了研究,探讨了可能的原因.在两种不同思路构建的精化对流层模型中,GZTDS模型不仅表现出更高的精度,而且在时间稳定性和地理稳定性上也表现出优越性.     

基于BDS-3的定位性能与区域参考框架维持分析

随着北斗卫星导航系统组网成功,分析北斗系统的定位性能及在区域参考框架维持中的应用具有重要意义.本文以陕西和西部某区域北斗基准站为基础,从卫星数据质量、覆盖能力、网解模式和PPP解模式分析了北斗三号卫星定位性能及在区域高精度参考框架维持的可行性与可靠性.结果表明:BDS-3卫星的位置精度衰减因子(PDOP)优于BDS-2卫星;BDS-3和BDS-2卫星在网解和PPP解的BDS-3定位性能优于BDS-2,网解BDS-3较BDS-2在平面与高程方向精度分别提升2.4％、20.1％;BDS-3 PPP收敛速度优于BDS-2,提高了快速定位的精度;基于BDS-3构建的毫米级高精度区域参考框架的可靠性与GPS在同一水平,平面差异量优于3 mm,垂直差异量级优于7 mm;基于BDS的PPP解平面方向平均差异优于9 mm,垂直方向平均差异优于18 mm,可快速识别区域基准站的变化量进行区域参考框架维护;融合BDS-3维持区域参考框架,可提升区域参考框架维持的可靠性.     

国际GNSS服务组织全球电离层TEC格网精度评估与分析

国际GNSS服务组织(International GNSS Services,IGS)发布的全球电离层TEC格网(Global lonospheric Map,GIM)是利用GNSS进行电离层研究的主要数据源之一.IGS电离层工作组于2016年2月正式授予中国科学院为全球第五个电离层数据分析中心,由测量与地球物理研究所和光电研究院联合实施.本文系统地总结和展示了IGS电离层工作组对各分析中心GIM评估的结果;此次评估以基准站实测电离层TEC、测高卫星电离层TEC为参考,给出了各分析中心1998-2015年GIM的总体性能.结果显示:随着IGS基准站日益增多,各分析中心GIM内符合精度由4.5~7.0TECu提升至2.5-3.5TECu;不同分析中心GIM一致性从3.0~4.5TECu提升至2.0~3.5TECu;相对于测高卫星电离层数据,CODE、CAS、JPL和UPC分析中心的GIM精度相对较高(约4.0~4.5TECu),但是在不同测高卫星评估结果之间存在不同的系统性偏差.     

利用COSMIC数据构建全球电离层TEC地图

电离层延迟效应是GNSS精密导航的主要误差源之一,通过建立电离层模型可不同程度地消除电离层延迟效应的影响.然而,目前海洋和气候条件极其恶劣的地区地面参考站建立困难,导致电离层观测资料的全球分布很不均匀,从而限制了现有电离层模型的精度,影响了延迟改正的效果.本文提出在日固坐标系(sun-fixed,地磁纬度和地方时)下,...     

GPS接收机仪器偏差的短期时变特征提取与建模

卫星和接收机仪器偏差(Differential Code Biases,DCB)是利用GPS(Global Positioning System)研究电离层的两类主要误差源.由于所处的空间环境恒定,且可被全球跟踪站连续观测,GPS卫星的DCB具备长期稳定性和较高的估计精度.但针对各类型接收机而言,受测站环境、硬件设施等影响,其DCB可能会呈现明显的短期变化.精确地模型化接收机DCB的短期变化特征,将有助于提高GPS电离层产品的可靠性,以及基于这些产品反演空间和地球科学现象的准确性.采用零/短基线GPS数据,本文改进了提取和分析接收机DCB变化的现有方案.随后,本文推导了一种能直接估计接收机DCB的函数模型.当检验出接收机DCB的短期变化服从随机游走时,通过对比接收机DCB的直接估值与间接提取值之间的符合程度,可"试探出"过程噪声标准差的最优经验值.实验分析选用4台双频接收机(共形成1条零基线和2条短基线,间距最大为15m)多天的观测数据,主要结论包括:1)改进的接收机DCB提取方案能较好地克服低频伪距噪声和多路径效应的影响;2)针对零基线,其接收机DCB在各天内的变化量级小于1TECu,变化趋势则可采用过程噪声标准差为1.0~1.5mm的随机游走加以描述;3)对应于某短基线的接收机DCB在某天内的变化可达12TECu,当采用随机游走描述其趋势时,过程噪声标准差的经验值超过2mm.     

基于CORS网络的单频GPS实时精密单点定位新方法

利用单频接收机实现大范围、高精度快速实时定位是卫星大地测量研究的热点和难点问题之一.本文提出了一套基于连续运行参考站系统(CORS)的误差实时建模数据处理方法,设计并实现了一种新的GPS单频接收机实时精密单点定位服务方法.然后,利用山西省CORS网内一组实测动态数据,以及从湖北省CORS网和武汉市CORS网选取的一组实测静态数据进行测试,验证分析了所提出方法用于实时定位服务的可行性.结果表明:对于站间平均距离小于71 km的参考网,网内单频用户按照实时处理模式,在经过数秒钟的初始化后即可获得厘米级的动态精密单点定位结果.这为GPS单频接收机用户实现快速实时精密单点定位提供了一种可行的新方法.     

A Method for the Ionospheric Delay Estimation and Interpolation in a Local GPS Network

To estimate ionospheric delays from the Global Positioning System (GPS) measurements, satellite and receiver equipment biases have to be modeled. This paper presents a procedure based on the least squares (LS) approach, which implicitly takes into account these equipment biases in the estimation of the ionospheric effect. The second part of this work deals with the interpolation of the ionospheric correction from a permanent GPS network to a single frequency GPS user. The results obtained show that for 10-cm position accuracy the ionospheric delay can be successfully interpolated when the GPS user is within 40 km of the GPS permanent network.     

Recording the Response of the Chelyabinsk Meteoroid Fall by Dual-Frequency and Single-Frequency GPS Equipment

The Chelyabinsk meteoroid fall has been used to show that an appropriate ionospheric response can be recorded from signals of satellite radar systems. This can be done using dual-frequency or single-frequency equipment. The recording time of the response commencement has been used to estimate the propagation rate of primary disturbance in the atmosphere.     

GPS Ambiguity Resolution: Impact of Time Correlation,Cross-Correlation and Satellite Elevation Dependence

In this contribution we discuss the geometry-free GPS single baseline model and show how the least-squares ambiguities are affected by changes in the stochastic model. We particularly pay attention to the effect of time correlation, cross-correlation and satellite elevation dependence. We also differentiate between the impact on the location of the ambiguity search space and the impact on the size and shape of the search space. The analysis is carried out for both the model in which the ionospheric delays are assumed absent, and for the model in which they are assumed present. The former model is applicable to short baselines only.     

Application of predictive regional ionosphere model to medium range RTK positioning

Real Time Kinematic (RTK) GPS positioning over longer distances requires a support of atmospheric (ionospheric and tropospheric) corrections, since the atmospheric errors decorrelate with the growing distances and cannot be completely eliminated by double differencing of the satellite observations. Currently, the most commonly used approach is to derive the atmospheric corrections at the reference station network and provide them in real time to the roving receiver. Another solution, proposed here, is to use predictive atmospheric models in order to derive the atmospheric corrections. This paper presents the test results of the performance assessment of the predictive ionosphere model (UWM-IPM) application to medium-range RTK positioning. The rover data collected within 25 to 67 km from the closest reference station were processed in the kinematic mode with the support of the ionospheric corrections derived from the UWM-IPM model. The RTK solution was derived in both single-and multi-baseline modes, and compared to the two reference solutions obtained without the ionospheric corrections. All numerical tests were carried out using the MPGPS software developed in cooperation with The Ohio State University; a recent extension to the software, developed at the University of Warmia and Mazury in Olsztyn, introduces the predictive ionosphere model to the RTK solution. The test results are very promising, and indicate that predicted ionosphere corrections can effectively support medium-range RTK positioning, and allow for fast ambiguity resolution over distances of several tens of kilometers under moderate ionospheric conditions.     

电离层GPS掩星观测反演技术

在电离层局部地区球对称假设下,推导了利用双频和单频无线电掩星观测数据,反演电离层电子密度剖面的两种方法. 双频反演的误差来自于载波相位的观测误差,单频反演误差则主要由伪距的观测精度决定. 由于载波相位测量精度比伪距测量精度高两个量级,因此双频反演的精度一般比单频反演的高些. 不过,两载波信号L1和L2之间的传播路径差异会给双频方法带来误差. 利用三维射线追踪的程序模拟的无线电掩星数据来评估这些方法,结果表明,反演出的电离层剖面与给定的模式电离层非常吻合,验证了两种方法的可靠性和准确性. 将这两种反演方法应用于处理实测的GPS/MET掩星观测数据,均能获取合理的电离层剖面信息. 且单频方法得到的反演剖面与双频方法相当一致, 这为利用LEO星载单频GPS接收机进行电离层掩星观测提供了理论基础.