北斗电离层模型改正精度分析

电离层误差是影响单频用户机定位精度的主要误差源。卫星导航系统播发电离层模型改正参数供用户使用,模型改正精度会对定位结果产生直接影响。北斗卫星导航系统根据连续监测站实测数据,计算并发播地理坐标系下8参数Klobuchar电离层模型参数,且每2 h更新一次。为了科学评估北斗电离层模型改正效果,文中基于北斗最新观测数据,首先,以CODE提供的GIM模型作为比对基准,详细分析了不同纬度地区、不同时间段内的电离层模型改正精度;其次,分别按照以下定位模式进行计算:1)北斗单频不加电离层改正,2)北斗单频+北斗K8模型,3)北斗单频+GPS K8模型,并分析了电离层改正残差对定位结果影响大小。结果表明,北斗电离层模型改正精度在北半球优于南半球,中纬度地区改正效果最好,其改正残差RMS均值在0.6 m左右,往低纬和高纬度地区呈递减趋势;北京地区北斗单频+北斗K8模型定位精度优于GPS K8模型。     

北斗三号全球导航卫星系统全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM)应用性能评估

2020年6月23日,我国北斗三号全球导航卫星系统正式完成星座全球组网.北斗三号全球导航卫星系统采用新一代全球广播电离层延迟修正模型(BDGIM),为用户提供电离层延迟改正服务.本文利用高精度全球电离层格网(GIM)以及实测BDS/GPS数据提供的电离层TEC作为参考,从延迟改正精度及北斗单频伪距单点定位应用、模型系数...     

中国区域CODE全球电离层地图精度分析

电离层延迟是精密单点定位的主要误差源,双频用户可利用组合观测值消除其影响,单频用户只能利用电离层模型对其加以改正.因此电离层模型的精度对单频精密单点定位(single-frequency precise point positioning,SF-PPP)的精度至关重要.为分析欧洲轨道确定中心(Center Orbit Determination Europe,CODE)提供的全球电离层地图(global ionospheric map,GIM)在中国区域内的精度,在不同纬度范围内选取25个均匀分布的陆态网基准站,从STEC(slant total electron content,STEC)精度及单频动态定位精度两个角度对CODE GIM进行精度评估.结果表明STEC均方根(root mean square,RMS)7天内的平均值为6.38 TECU,应用CODE GIM进行单频动态精密单点定位的精度在水平方向达到亚米级,高程方向达到米级,在高纬度地区CODE GIM精度更高.     

利用GPS双频数据进行区域电离层TEC提取

从利用GPS提取区域电离层总电子含量(total electron content,TEC)的基本原理出发,解决了伪距观测值优化以及硬件延迟(DCB)处理问题,并将提取的TEC信息与欧洲定轨中心(CODE)计算的全球电离层(GIM)模型内插值应用在单频精密单点定位中,进行电离层延迟改正实验。结果表明,利用本文提取的TEC值进行单频精密单点定位电(PPP)离层延迟改正时,点位精度能提高到0.2~0.4m左右,明显优于利用GIM内插值的改正精度。     

GNSS基本服务性能评估

针对现有全球卫星导航系统性能评估无规范的评估标准问题,该文提出了以统一模型和算法为评估体系的方法,较详细的评估了全球卫星导航系统公开服务信号的基本性能,主要评估了空间信号误差、广播电离层模型改正效率及伪距单点定位精度等。结果表明:空间信号误差方面,伽利略最优、GPS和北斗三号相当;广播电离层模型方面,北斗全球广播电离层模型改正效果最优,GPSK8与NeQuick模型在低中纬度改正效果相当,北斗区域电离层模型在其服务区内具有较高改正效果;定位方面,北斗、GPS和伽利略静态伪距单点定位的三维位置均方根误差优于5m,格洛纳斯优于10 m;动态伪距单点定位方面,北斗在中国境内定位精度最高;基于统一评估体系下,可以直观对比得到目前各卫星导航系统的性能差异,同时也为后续的建设提供相应的参考。     

NTCM广播电离层模型性能评估

对于全球卫星导航系统单频用户而言,广播电离层模型是改正电离层误差的主要方法之一。对NTCM-BC模型、MNTCM-BC模型、NTCM-Klobuchar模型和传统Klobuchar模型的性能进行了对比分析。结果表明,在一个太阳活动周期内,NTCM-BC和MNTCM-BC模型计算的垂直总电子含量精度相当,且精度最高,NTCM-Klobuchar模型次之,Klobuchar模型最低。在低纬度测站,NTCM系列模型较Klobuchar模型最高能减少20 TECU左右的误差。与Klobuchar模型相比,采用NTCM-BC和MNTCM-BC模型进行伪距单点定位,高程精度提高约38%,特别是太阳活动高峰期间,低纬度测站最高能提高3 m左右。     

卫星测高资料的电离层延迟改正交叉检验与误差分析

对单频和双频卫星测高电离层改正进行了分析和比较。以Topex卫星双频电离层改正噪声影响为例,采用沿轨高斯低通滤波后,其交叉点不符值RMS可减小5.7～7.3mm。将平滑后的双频Topex电离层改正与DORIS模型、新发展的IRI2007同化模型和根据全球连续GPS跟踪站实测数据建立的GIM模型进行了交叉比较,结果表明,根据实测数据建立的DORIS和GIM模型精度高于IRI2007模型;与上述3个模型的差值统计结果还显示了平滑后的Topex双频电离层改正存在的10～15mm的系统偏差。     

不同电离层改正模型的SF-PPP定位精度分析

电离层延迟可严重制约单频接收机的定位精度.基于此,本文介绍了四种单频接收机常用的电离层延迟改正方法,包括广播电离层改正模型(策略1),顾及太阳位置的变化全球电离层格网产品(Global Ionosphere Map, GIM)时间旋转内插(策略2), GIM投影函数改正(策略3)和半合改正模型(策略4).同时,选择不同太阳活动期,不同纬度的测站验证不同电离层改正方法的单频精密单点定位(single-frequency point positioning,SF-PPP)定位结果偏差.经过对比分析,得到如下结论：1)总体来说,半合改正模型得到的定位效果最佳,其次是使用GIM产品对电离层延迟进行改正,最后是广播电离层模型;2)在不同太阳活动跃期,不同策略在低纬度测站的定位偏差最大,其次是高纬度测站,中纬度测站的定位偏差最小;3)策略2和策略3在不同太阳活动期不同纬度测站的水平定位平差约0.150 m,三维定位偏差约0.700 m;策略4在不同太阳活动期不同纬度测站的水平定位偏差为0.100 m,三维定位偏差为0.500 m.     

不同Klobuchar模型参数的性能比较

对于GPS单频用户而言,电离层延迟是最重要的误差来源之一。GPS系统使用Klobuchar模型对电离层延迟进行改正,其改正数从370组常数中选取。目前全球分布的GPS测站可以获得高精度的全球电离层监测结果,GPS为什么不发播采用实测数据计算得到的Klobuchar模型参数呢？本文针对这一问题进行分析。首先对欧洲定轨中心CODE提供的全球电离层图GIM预报COPG电离层进行精度评估,然后根据COPG电离层进行Klobuchar模型参数拟合并利用IGS提供的事后高精度电离层图进行精度分析,最后将不同的电离层模型参数应用于单点定位以评估其对单频用户的影响。分析结果表明：受8参数的Klobuchar模型本身结构限制,采用全球实测数据计算的电离层模型参数与导航电文中发播的电离层模型精度相当,为55%左右。而仅采用地磁纬度45oS以北的数据拟合得到的模型参数,其电离层改正精度有明显提升,可达65%左右,但其对单频用户定位精度改善不明显。本文研究结果为我国全球电离层建模提供参考。     

星间差分GRAPHIC观测量单频精密单点定位算法

提出了一种基于星间差分GRAPHIC观测量的单频精密单点定位算法,采用正反向滤波实现了静态和动态解算功能。该算法的优点是不需要外部电离层模型进行电离层延迟改正。采用4个IGS站7d的数据和一组机载GPS动态数据进行解算实验,结果表明:静态定位E,N和U方向的RMS分别为0.035,0.007和0.080m;动态定位E,N和U方向的RMS分别为0.117,0.122和0.180m。     

多系统非差非组合精密单点定位电离层延迟约束权阵的确定

非差非组合精密单点定位需要估计电离层延迟参数,采用电离层先验改正模型约束可以辅助电离层参数解算。针对先验电离层改正量与实际观测量之间权比关系难以确定的问题,本文提出一种电离层约束权因子搜索算法,采用权因子对先验电离层改正量的方差进行调整,根据验后残差加权平方和最小原则通过搜索找出较优的权因子,利用验后残差动态调整先验电离层改正量的方差从而达到改善定位结果的目的。采用8个MGEX跟踪站的GPS/BDS观测数据对该算法进行验证。静态结果表明：对比传统约束方法,采用搜索算法后平均三维定位精度由3.96 cm提高到3.40 cm,平均收敛时间由76.3 min缩短为59.9 min。     

GPS+BDS中长距离RTK定位算法及结果分析

GPS/BDS中长距离RTK定位因为电离层和对流层残余误差的影响,其性能相对于常规RTK有所降低。将GPS/BDS卫星双差电离层误差和对流层误差作为参数,采用卡尔曼滤波进行实时估计。为了验证算法的有效性,利用武汉地区103 km静态基线24 h双频观测数据,分析了GPS和BDS单系统以及二者组合双系统中长距离RTK定位性能。实验结果表明,精确估计的双差电离层残余误差达到米级、对流层误差达到分米级;经过改正后,GPS/BDS单系统的定位精度在1 cm左右,组合双系统则实现了中长距离基线毫米级的高精度定位。     

电离层闪烁下的PPP-RTK定位性能评估

精密单点定位(PPP)-实时动态(RTK)技术借助区域大气改正数可实现快速精密定位,被认为是未来自动驾驶的首选技术.然而，PPP-RTK在电离层闪烁环境下难以维持稳定可靠的定位，闪烁已成为PPP-RTK面临的重大挑战之一.本文阐述了PPP-RTK模型和电离层闪烁特性，并基于香港卫星定位参考站网(SatRef)的实验数据从观测质量、周跳探测、大气产品和终端定位性能四个层面评估了电离层闪烁对PPP-RTK的影响.结果表明：闪烁会降低观测质量，增大周跳误判的概率；GPS、Galileo、BDS三系统改正数精度分别降低了64.7%、64.0%、247.5%，改正数总数减少了4.5个；PPP-RTK定位误差较平静期增大了11.8倍，固定率下降了55.76%;GPS、Galileo、BDS三系统融合解算可大幅改善定位性能，较单GPS解算定位精度提升了93.06%，固定率提升了51.88%，但仍无法达到平静期的效果.     

GPS/BDS组合实时动态精密单点定位

针对常规模式下。单系统实时精密单点定位精度受接收机环境和可视卫星数量影响严重等问题,研究了GPS/BDS双系统实时精密单点定位,采用非差无电离层组合载波和伪距观测值,详细推论了Kalman滤波参数估计方法的基本原理,并利用其进行参数估计,最后通过IGS站和实测数据进行了实时PPP实验,实验表明:GPS/BDS双系统定位模式较GPS单系统有明显改善,在E、N、U方向收敛后RMS值分别达到0.125 m、0.117 m、0.289 m,较单系统在各方向分别改善了11.9%、18.1%、22.5%。证明了GPS/BDS实时PPP能够达到分米级到厘米级定位精度。     

嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位方法

实时性和动态性是精密单点定位面临的关键问题。本文基于实时轨道钟差改正产品,讨论了GPS/BDS实时精密单点定位数学模型及误差处理方法。搭建嵌入式软硬件平台,研制出一套具有实时GPS/BDS双系统高精度定位功能的嵌入式设备。测试结果表明,对于嵌入式GPS/BDS实时精密单点定位,静态条件下平面方向优于3 cm,高程方向优于8 cm;动态条件下平面方向优于12 cm,高程方向优于15 cm。     

GPS现代化后电离层折射误差高阶项的三频改正方法

研究了电离层对GPS观测信号的主要影响及电离层折射误差模型,总结了电离层双频改正模型。针对GPS现代化中增加的第三频率,系统推导了三个频率的电离层改正模型及相位观测值无电离层组合(LC组合)模型。该模型将电离层折射误差模型改正至二阶项,可进一步提高GPS定位精度,同时,为GPS定位中其他误差的改正及分离、周跳的探测等提供了有力的技术手段。     

单频GPS接收机定位中的电离层延迟改正

针对单频GPS接收机受电离层影响较大的特点，从定性的角度比较、分析了两种常用经验电离层模型的使用特点和改正精度。利用4个IGS测站的多天GPS实测数据，采用单点定位的方法，从定量的角度，研究了两种常用经验电离层模型应用于单频GPS用户定位时的改正效果，为单频GPS用户修正电离层延迟，选择合适的电离层模型提供了参考性建议。     

多系统广播电离层模型精度评估

电离层误差是导航定位主要的误差源之一,广播电离层模型为单频用户修正电离层延迟提供了简便有效的方法。本文采用CODE提供的GIM产品作为评估的基准,对4大广播电离层模型进行了多方面精度评估,旨在为后续的模型改进及应用提供参考。结果表明：各个模型北半球改正率高于南半球,白天改正率高于晚间;NeQuick模型在中低纬度服务性能一般,但在高纬度地区明显高于BDSK8、GPSK8模型,改正率高出BDGIM模型约5%,BDSK8、GPSK8、BDGIM模型在中低纬度改正率较高,高纬度带改正率稍差;BDGIM模型性能总体优于其他模型,全球范围改正率可达76.91%。     

北斗卫星导航系统电离层模型应用评价

利用北斗接收机接收到的北斗系统K8电离层模型,与同时段欧洲定轨中心提供的电离层模型为基准进行对比,对北斗卫星导航系统在不同地区不同时段的改正效果进行分析;并以中纬度北京地区为例对不同电离层改正模型下的定位误差进行分析比较,从而对北斗系统K8电离层模型的改正效果进行评价。     

基于实时Kalman滤波的电离层建模及精度分析

文中使用CORS实时数据,基于Kalman滤波建立区域电离层TEC球谐函数模型。使用CORS相位平滑伪距电离层观测值,逐历元滤波求解电离层模型参数,分离卫星与接收机硬件延迟,并应用于单双频PPP定位中。实验结果表明,区域电离层模型精度约为1.9 TECU,较IGS发布的电离层格网数据(GIM)提高58.8%;采用区域电离层模型改正后单频PPP定位精度约为0.2 m,较GIM提高60.3%;模型提供的高精度电离层改正信息能够有效提升双频PPP收敛速度及初始定位精度。