BDS/GPS/GLONASS多模融合伪距单点定位性能比较与分析

利用最小二乘法原理推导了多系统组合伪距单点定位的数学模型.然后,对不同组合模式(BDS、GPS、GLONASS、BDS/GPS、BDS/GLONASS、GPS/GLONASS和BDS/GPS/GLONASS)的单点定位进行解算和试验比较分析.试验结果表明:多系统(BDS/GPS/GLONASS)组合单点定位与单系统相比,多系统组合具有更多的可视卫星,从而获得了较小的PDOP值,随着截止高度角的增加,可见卫星数逐渐减少,定位精度也会随之降低.然而,在观测条件恶劣、截止高度角较大情况下,单系统和双系统定位精度都较差,三系统组合仍能获得比较好的定位精度,1 d内的定位精度均在10 m以下,优于GPS单点定位精度.使其在建筑物密集区、山区和卫星遮挡较为严重的恶劣条件下具有实际应用价值.     

北斗区域卫星导航系统基本导航定位性能初步评估

北斗区域卫星导航系统(也称北斗2代1期)于2012年12月27日正式开始运行,系统由14颗卫星组成,包括5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星和4颗中圆地球轨道卫星.本文初步评估了北斗区域卫星导航系统建成运行后的基本导航定位性能,包括卫星可见性、位置精度衰减因子、伪距和载波相位观测量精度、单点定位和差分定位精度以及模糊度解算性能等.通过实验分析可知:北斗伪距和载波相位测量精度已与GPS处在同一水平,伪距测量精度约为33 cm,载波测量精度约为2 mm;北斗伪距单点定位水平精度优于6 m,高程精度优于10 m,已满足设计要求;北斗区域卫星导航系统已具备独立的双频RTK定位能力,其单历元双频模糊度解算成功率几乎与GPS相当;北斗载波相位差分定位精度与GPS相位差分定位处在同一水平,超短基线情况下,定位精度优于1 cm,而在短基线情况下优于3 cm;北斗与GPS组合定位时,模糊度解算的固定率和可靠性均显著提高;在短基线情况下,北斗/GPS组合载波相位差分动态定位精度相对于单一的GPS定位的改善可达20%以上;北斗单频伪距差分定位精度优于2.5 m,与GPS相比仍存在较大差距,其主要原因可能为北斗GEO卫星伪距多路径误差较大.     

在GPS伪距观测值中发现径速偏差

在ＧＰＳ伪距观测值中,发现存在着随测站和卫星距离变化而产生的系统偏差。经过严密、系统的计算,证明它是中自然现象。它的主要部分和径向速度一性关系。在卫星向测站运动时伪距值偏大,在卫星向测站运动时伪距值偏大,在卫星背向测站运动时伪距值偏小,并呈负,偏差最大可达６０ｍ。     

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杂城市环境内分别可实现分米以及亚米级定位,其在水平偏差在0.5 m内的可用率分别为98.97%和76.1%.

     

基于载波相位平滑伪距与精密单点定位获取的TEC在GNSS电离层层析中的对比分析

利用GNSS(Global Navigation Satellite System)建立电离层层析(Computerized Ionospheric Tomography, CIT)模型反演电离层的结构,并探测和研究电离层的活动及其变化规律是目前的研究热点,其中相位平滑伪距(Carrier Phase Smoothing Pseudorange, CPSP)和精密单点定位技术(Precise Point Positioning, PPP)是两种主要的电离层电子含量(Total Electron Content, TEC)获取方式,但这两种方法对电离层层析的性能影响,目前尚未有研究进行比较分析.有鉴于此,本文利用欧洲区域2017年9月7、8两日的GNSS数据,分别基于CPSP和PPP获取TEC进行电离层层析反演并分析比较其精度,这两种反演方法分别称为CPSP-CIT和PPP-CIT.其结果显示,CPSP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.9292×10¹¹ el/m³、PPP-CIT与测高仪之间的RMSE均值为0.6915×10^1...     

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.     

高频BDS/GPS融合PPP确定2021年玛多MW7.4地震三要素

基于GREAT程序,利用GPS和BDS/GPS融合PPP(精密单点定位)获取了2021年玛多M_W7.4地震10个高频GNSS测站的地震时间序列,并通过历元间差分法获得了震前30 min的速度时间序列。分析发现,相对于GPS,BDS/GPS速度时间序列在东西、北南、垂直3个方向的精度分别提高了14.8%、15.2%和3.5%。利用STA/LTA(短时窗平均/长时窗平均)方法,从各测站GPS和BDS/GPS时间序列中提取了地震波初至时刻;利用2种时间序列计算得到的震中位置和发震时刻分别为(34.6°N,98.54°E),18:04:28.8和(34.63°N,98.51°E),18:04:29.2(UTC);利用GPS和BDS/GPS峰值地面位移,根据经验公式反演了玛多地震震级分别为M_W7.34和M_W7.36,BDS/GPS震级与GCMT公布的结果(M_W7.4)更为接近。结果表明：BDS/GPS融合PPP解算可提高时间序列稳定性并降低噪声,更真实地描述震时地表位移变化,从而提高震级解算准确性,更好地为地...     

利用精密单点定位求解电离层延迟

近年来,高时空分辨率的全球导航卫星系统(GNSS)观测信号已成为电离层研究的重要资源.利用GNSS研究电离层,需首先将观测资料转换成包含电离层信息的可观测量(Ionospheric 0bservables,称之为"电离层观测值").目前,最常用的电离层观测值一般采用联合无几何影响组合的码和相位观测,利用相位平滑伪距方法...     

一种能实现单频PPP-RTK的GNSS局域参考网数据处理算法

全球范围内大量布设的GNSS(Global Navigation Satellite System)参考网为精密定位、导航和授时等应用提供了丰富的数据资源.基于局域参考网,先后发展了若干侧重实现双频精密定位的技术,如NRTK(Network Real Time Kinematic),PPP(Precise Point Positioning)和PPP-RTK等.其中,PPP-RTK融合了NRTK和PPP的技术优势,是目前相关研究的热点.本文改进了利用局域参考网提取各类改正信息的算法,以便于实现单频PPP-RTK,具体步骤包括:1) 逐参考站实施非组合PPP,并固定已知站星距和卫星钟差,预估电离层延迟、浮点模糊度等参数;2)联合所有参考站的PPP模糊度预估值,通过重新参数化,形成一组双差整周模糊度和接收机、卫星相位偏差;3) 固定双差整周模糊度,精化求解卫星相位偏差和各参考站PPP电离层延迟.基于网解中用到的卫星轨道和钟差,以及网解所提供的卫星相位偏差和(内插的)电离层延迟,参考网内的单频流动站即可实施PPP-RTK.基于澳大利亚某连续运行参考站网和流动站的实测数据,考察了:1) 参考网数据处理中,双差模糊度的固定成功率(98.89%)和卫星相位偏差估值的时间稳定性(各连续弧段优于0.2周);2)流动站处电离层延迟的内插精度(优于10 cm);3)单天内任一历元起算,固定静态(动态)单频PPP整周模糊度所需时长(均不超过10 min);4) 模糊度固定前后,单频动态PPP的定位精度(模糊度固定后,平面和天顶RMS分别优于5 cm和10 cm;模糊度固定前,相应RMS仅为28~53 cm).     

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．     

Preliminary assessment of the navigation and positioning performance of BeiDou regional navigation satellite system

BeiDou regional navigation satellite system(BDS)also called BeiDou-2 has been in full operation since December 27,2012.It consists of 14 satellites,including 5 satellites in Geostationary Orbit(GEO),5 satellites in Inclined Geosynchronous Orbit(IGSO),and 4 satellites in Medium Earth Orbit(MEO).In this paper,its basic navigation and positioning performance are evaluated preliminarily by the real data collected in Beijing,including satellite visibility,Position Dilution of Precision(PDOP)value,the precision of code and carrier phase measurements,the accuracy of single point positioning and differential positioning and ambiguity resolution(AR)performance,which are also compared with those of GPS.It is shown that the precision of BDS code and carrier phase measurements are about 33 cm and 2 mm,respectively,which are comparable to those of GPS,and the accuracy of BDS single point positioning has satisfied the design requirement.The real-time kinematic positioning is also feasible by BDS alone in the opening condition,since its fixed rate and reliability of single-epoch dual-frequency AR is comparable to those of GPS.The accuracy of BDS carrier phase differential positioning is better than 1 cm for a very short baseline of 4.2 m and 3 cm for a short baseline of 8.2 km,which is on the same level with that of GPS.For the combined BDS and GPS,the fixed rate and reliability of single-epoch AR and the positioning accuracy are improved significantly.The accuracy of BDS/GPS carrier phase differential positioning is about 35 and 20%better than that of GPS for two short baseline tests in this study.The accuracy of BDS code differential positioning is better than 2.5 m.However it is worse than that of GPS,which may result from large code multipath errors of BDS GEO satellite measurements.     

北斗导航定位系统（BDS）下地壳运动监测精度分析

为分析北斗导航定位系统（BDS）在地壳运动监测领域的数据精度,选取中国大陆构造环境监测网络（陆态网络）2018—2019年川滇地区GPS、BDS多系统观测站点数据,分别对GPS、BDS记录的数据进行解算,从三维坐标解、位置时间序列及速度场等方面,对比分析二者在地壳运动监测中的不同,综合分析BDS对地壳运动监测精度。结果表明,BDS定位精度达到cm级,但仍低于GPS精度,BDS、GPS速度场模型运动方位和速度值有所不同,垂向差异较为明显。总体来看,北斗系统数据满足高精度定位解算要求,可用于监测形变量较大的区域地壳运动。     

2015年3月磁暴期间中国中低纬地区电离层变化分析

2015年3月17日爆发了本太阳活动周最大的地磁暴,Dst指数达到-233 nT.本文利用电离层测高仪f_oF₂和h_mF₂、北斗同步卫星（BDS GEO）TEC以及GPS电离层闪烁S4指数对此次磁暴期间中国中低纬地区（北京、武汉、邵阳和三亚）的电离层变化进行分析,并对此次磁暴所引发电离层暴的可能机制进行了探讨.磁暴期间,中低纬电离层暴整体表现为正相暴之后长时间强的负相暴.3月17日白天中纬正相暴为风场抬升电离层所致,而驼峰区及低纬地区正相暴由东向穿透电场所引起;3月18日白天长时间的强负相暴为西向扰动发电机电场和成分扰动所引起;3月17和18日夜间的负相暴可能是日落东向电场受到抑制以及赤道向风场对扩散的抑制导致驼峰向赤道压缩所致,同时被抑制的日落东向电场强度不足以触发产生赤道扩展F,导致低纬三亚和邵阳夜间电离层闪烁在磁暴期间受到完全抑制.这是我们首次基于北斗同步卫星TEC组网观测开展的电离层暴研究.

     

基于服务系统的实时精密单点定位技术及应用研究

讨论了实时精密单点定位的若干关键技术,着重研究了实时精密钟差估计算法;利用全球40个IGS跟踪站连续、实时的观测数据流进行实时精密卫星钟差估计,解算出的实时精密钟差与CODE事后精密钟差具有较好的一致性,二者互差的RMS优于0.2 ns.采用实时估计的卫星钟差和IGS发布的超快速精密卫星轨道进行实时精密单点定位模拟实验,结果表明：经过大约15~30 min初始化后,实时精密单点定位滤波收敛之后水平方向的定位精度优于5 cm,高程方向的精度优于10 cm,能满足在该精度级别的实时用户的定位需求.处理汶川地震期间震区的GPS观测数据,结果表明实时精密单点定位能够探测地震发生期间的地面同震位移.     

基于北斗、GLONASS和GPS系统的中低纬电离层特性联合探测

基于GNSS(Global Navigation Satellite Systems)的发展,我们利用具有北斗、GLONASS和GPS三系统信号接收功能的接收机观测的数据,结合电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演算法,提取出GNSS三系统观测的电离层TEC;同时,将GNSS三系统获取的TEC应用到电离层TEC地图、行进式扰动、不规则体结构和电离层的太阳耀斑响应等方面的研究中,这也是首次使用三种GNSS系统数据对电离层进行联合探测研究.研究结果表明,增加了北斗系统的GNSS三系统在研究中国地区电离层TEC地图、周日变化、逐日变化,行进式扰动以及电离层的实时监测等方面较单系统的GPS具有明显的优势.     

Glonass Laser Ranging Accuracy With Satellite Signature Effect

GLONASS satellites have been tracked by the worldwide laser ranging networkas well as by the GLONASS-borne microwave-based technique. Owing to thelarge size of their corner cube reflector arrays, the amount of ranging data is enough to determine their orbits from laser ranging data alone. We found, however, that the large size of the array affected the accuracy of measurement to an extent that is dependent on the characteristics of the ranging systems. An azimuthal variation of the reflector array response was also detected in observations from single-photon laser ranging. Orbital analysis reveals that the effect makes the measured range on average 22 mm shorter than expected in the absence of the large array, which explains more than half of the offset of 39 mm previously discovered between microwave and laser orbits.     

星基增强系统L1频段信息服务性能分析

在北斗全球导航服务进程中,北斗星基增强服务的建设是我国卫星导航事业自身建设和不断完善发展的内在需求,更是我国卫星导航系统标准化建设的必然要求。本文基于星基增强信息定位原理,研究并实现星基增强系统的标准定位算法,采用IGS站点数据及增强信息电文,对WAAS与EGNOS系统服务性能进行分析评估,在“陆态网络”数据处理中,加入SBAS信息也可对相关误差进行改正。结果表明,加入播发的差分改正信息定位精度相对于伪距单点定位显著提高,平面方向统计均方根残差优于1m,高程方向优于1.2m;研究发现受地面参考站分布区域以及电离层、观测星座的影响,WAAS和EGNOS在定位服务性能覆盖范围内均表现出一定的区域性。从总体分析来看,不同系统空间段GEO卫星播发SBAS消息特性不一,均满足单频定位需求,EGNOS稳定性低于WAAS系统,播发消息时有中断现象,在实时单频定位性能方面,WAAS的服务性能较EGNOS得到更优的解算结果。     

The BDS statistic and residual test

 The conventional nonparametric tests have been widely used in many fields for the residual analysis of a fitted model on observations. Also, in recent, a new technique called the BDS (Brock–Dechert–Scheinkman) statistic has been shown that it can be used as a powerful tool for the residual analysis, especially, of a nonlinear system. The purpose of this study is to compare the powers of the nonparametric tests and BDS statistic by residual analysis of the fitted models. This study evaluates stochastic models for four monthly rainfalls in Korea through the residual analysis by using the conventional nonparametric and BDS statistics. We use SARIMA and AR Error models for fitting each rainfall and perform the residual analysis by using the test techniques. As a result, we find that the BDS statistic is more reasonable than the conventional nonparametric tests for the residual analysis and AR Error model may be more appropriate than SARIMA model for modeling of monthly rainfalls. This work was supported by grant No. R01-2001-000-00474-0 from the Basic Research Program of the Korea Science & Engineering Foundation.     

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.     

高频GPS双差残差模型监测强震地表运动

根据震时地表震动持续时间短的特点,以及双差残差的相关性,提出了基于双差残差建模的高频GPS强震位移监测方法.首先对震前若干历元各双差残差进行建模,地震发生后,利用模型对各双差残差进行预报,最后利用预报残差实现短时间尺度内的位移解算.利用一条长约1100 km基线的静态数据和El Mayor-Cucapah 7.2级地震的94个测站数据进行试验分析,结果表明,5 min预测时间内,静态数据的动态位移在N、E、U三个方向的定位中误差分别为6 mm、6 mm和13 mm,地震数据的解算结果与实际情况有较好的一致性.