一种改进的北斗导航卫星伪距偏差修正策略

针对北斗第二代导航卫星系统的伪距观测值中存在与卫星相关的系统性伪距偏差的问题,该文提出采用加权分段曲线建模方法建立北斗IGSO/MEO卫星观测数据三频改正模型。试验表明,改正后IGSO与MEO卫星的伪距偏差明显削弱。针对GEO卫星伪距偏差问题,提出了一种基于Tikhonov正则化的建模方法;修正后的GEO卫星MP序列的RMS在B1、B2、B3频率上分别下降了35.9%、29.6%、35.8%。为了验证策略的可行性,设计了3套单频PPP定位方案,结果表明:通过改正IGSO/MEO卫星伪距偏差,N、E方向定位精度平均提高了20.2%和13.4%,U方向定位精度平均提高了62.8%;同时改正GEO/IGSO/MEO卫星的伪距偏差时,U方向的定位精度将进一步提高至70%左右。因此本研究提出的BDS-2卫星伪距观测值的修正模型,能有效减弱这些伪距偏差的影响。     

北斗卫星伪距偏差模型估计及其对精密定位的影响

现阶段北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）的同步地球轨道（geostationary orbits,GEO）卫星、中倾斜地球同步轨道（inclined geo-synchronous orbits,IGSO）卫星和中圆地球轨道（medium earth orbit,MEO）卫星均存在伪距偏差,该伪距偏差的存在对精密定位的研究及其应用产生了较大的影响。根据北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差与高度角和频率相关的误差特性,本文分析了测站数目及分布,以及观测时长对建模的影响,选择18个测站2015年全年的数据作为MEO卫星的建模数据,其中可以连续观测到全弧段IGSO卫星的4个测站用于IGSO卫星的建模,采用加权分段线性拟合联合抗差估计的方法建立了北斗卫星伪距偏差改正模型。模型改正后,北斗IGSO和MEO卫星的伪距偏差得到明显的削弱,相比于传统的伪距偏差改正模型,精密单点定位（precise point positioning,PPP）的定位精度和收敛时间均得到提升。     

北斗卫星伪距码偏差特性及其影响分析

在北斗导航卫星伪距码偏差特性分析的基础上,建立了倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和中轨卫星（MEO）的伪距码偏差多项式改正模型;并利用星间单差宽巷小数周一致性,分析建立北斗地球同步轨道卫星（GEO）卫星伪距码偏差改正模型。采用武汉大学北斗试验网、中国陆态网络和MGEX网不同位置、不同类型接收机观测数据进行分析验证,结果表明,北斗卫星伪距码偏差特性与观测值频率、卫星类型相关,所有GEO和IGSO卫星变化规律相同,所有MEO卫星变化规律相同,与接收机类型、测站位置和观测时间无关,偏差值大小随卫星高度角变化,其变化规律稳定,可以采用建立的两类改正模型（GEO/IGSO和MEO）进行修正。通过偏差修正后的伪距无电离层组合的残差、双频SPP以及单频PPP三个方面验证了伪距码偏差改正模型的正确性。     

北斗系统星源伪距偏差特性分析及改正

北斗卫星伪距观测值存在一类与卫星相关的系统误差,称为星源伪距偏差,MEO和IGSO卫星可以通过其与高度角的关系建立改正模型,而GEO卫星由于其静止特性难以建立基于高度角的改正模型。据此,本文在分析GEO卫星伪距偏差特性的基础上,提出了一种基于奇异谱分析(SSA)的修正方法,并通过双频无电离层组合伪距单点定位(SPP)对比试验来验证修正效果。结果表明:修正后GEO卫星伪距观测值基本上消除了伪距偏差,MP观测值精度在B1、B2、B3频率上分别提高了39.9%、17.9%、29.4%,MW观测值精度提高了41.3%;传统改正模型修正IGSO和MEO卫星伪距偏差对SPP影响很小,而奇异谱分析方法修正GEO卫星伪距偏差使SPP的精度在平面、高程方向上分别提高了11.1%、21.1%。     

北斗伪距码偏差对基线解算的影响分析

北斗二代系统伪距码中存在与高度角相关的系统性偏差,该偏差会影响高精度的数据处理。基于Melbourne-Wübbena（MW）组合,分别利用现有的伪距码偏差改正模型和实测基线的双差宽巷模糊度残差,分析了伪距码偏差对基线解算的影响。理论分析表明,随着基线长度的增加,伪距码偏差对MW组合确定双差宽巷模糊度的影响越来越大,对300 km基线的影响可达0.36周。实际算例表明,无论基线长短,地球同步轨道（geostationary earth orbit,GEO）卫星的双差宽巷模糊度残差中始终存在偏差;而对于倾斜地球同步轨道（inclined geostationary orbit,IGSO）和中轨（medium earth orbit,MEO）卫星而言,当基线小于300 km时,双差基本可以消除伪距码偏差,其双差宽巷模糊度固定率基本和GPS一致,但当基线超过300 km时,部分卫星的双差宽巷模糊度残差就会存在明显偏差,其双差宽巷模糊度固定率也较低,此时需考虑伪距码偏差的影响。     

联合GEO/IGSO/MEO的北斗PPP模糊度固定方法与试验分析

由于北斗地球静止轨道（geostationary earth orbiting,GEO）卫星轨道精度较低且其观测值受多路径误差和伪距偏差影响严重,目前各分析中心尚未针对北斗GEO卫星提供长期稳定的相位小数偏差（uncalibrated phase delay,UPD）产品,北斗精密单点定位（precise point positioning,PPP）模糊度固定技术研究主要针对倾斜轨道（inclined geosynchronous orbiting,IGSO）和中地球轨道（medium earth orbiting,MEO）卫星。本文采用Wanninger和Beer的高度角模型消除了IGSO/MEO观测值伪距偏差,并通过小波变换提取低频分量修正伪距观测值的方法削弱了GEO卫星多路径和伪距偏差的影响。由于窄巷UPD估值受未模型化误差影响较大,本文改进了窄巷UPD估计的策略,该策略利用上一历元成功估计的窄巷UPD对当前历元的浮点模糊度进行改正,剔除了残差较大的浮点模糊度,修正固定错误的整周模糊度,从而提高了窄巷UPD的精度和稳定性。利用估计得到的UPD产品,本文实现了联合GEO、IGSO和MEO卫星的北斗非差PPP模糊度固定,并对其定位性能进行分析。结果表明：联合GEO、IGSO和MEO卫星的PPP固定解的首次固定时间和收敛时间均可以缩短到30 min以内;6 h后的E、N、U方向的定位误差由（1.35、0.35、2.75）cm减少到（1.07、0.26、2.24）cm,分别减少了20%、27%和18%。     

北斗卫星伪距多路径系统偏差的修正方法及其对单频PPP的影响分析

北斗伪距观测值存在特有的多路径系统性偏差,偏差的数量级达到几个分米到米。该系统偏差可分为两类:一类是IGSO/MEO卫星随高度角变化的伪距系统性偏差;另一类是GEO卫星(高度角仅微小变化)明显的伪距系统性偏差。系统性的伪距偏差导致GEO卫星MP序列的标准偏差较大,本文针对GEO卫星伪距偏差问题提出了一种基于卡尔曼滤波的修正方法,修正后的GEO卫星MP序列的标准偏差下降了10%~16%。基于伪距相位组合的单频PPP技术的伪距权重较大,会受到北斗伪距偏差的影响,分析表明该系统性偏差将导致单频PPP定位结果高程方向产生约1m的偏差。对GEO伪距偏差采用提出的卡尔曼滤波修正方法进行修正,并应用Wanninger和Beer的高度角模型消除IGSO/MEO观测值伪距偏差,本文对修正后的单频精密单点定位精度进行了分析。4个multi-GNSS experiment(MGEX)站10d观测数据的分析结果表明:仅改正和卫星多路径误差,高程方向定位结果精度可改善65%左右;采用本文方法对GEO卫星的多路径修正后,该方向定位结果精度改善比例将进一步提高至75%左右。     

BDS卫星星内多径及其对宽巷FCB解算的影响分析

针对BDS卫星的伪距星内多径(SIMP)问题,提出和强调了在进行SIMP建模时应该采用天底角而非高度角作为自变量,这样获得的模型才能用于不同高程的接收机。收集全球分布的iGMAS和MGEX监测站数据,以天底角为自变量构建了北斗IGSO和MEO两类卫星B1、B2和B3频点的SIMP分段线性模型。利用FY3C星载北斗数据对北斗GEO、IGSO和MEO的SIMP作进一步分析。结果表明,当天底角小于7°时,GEO和IGSO卫星的SIMP非常接近,对B2频点尤其明显。这也许预示着可以将地面数据获得的IGSO卫星的SIMP模型用于GEO卫星。同时还发现在天底角小于12°(MEO)和7°(IGSO)时,所得到的SIMP估值与地面数据获得的模型有非常好的一致性。在此基础上,采用MGEX全球监测网数据进行宽巷小数周偏差(FCB)解算试验,结果表明,经过SIMP改正后,各颗卫星的星端宽巷FCB序列的重复性都有显著提高,改进幅度都超过了60%。具体的,IGSO和MEO的星端FCB重复精度小于0.05周;采用IGSO卫星的SIMP模型对GEO卫星进行改正后,C01和C02星的FCB重复精度分别达到0.023和0.068周。     

BDS伪距多路径效应误差分析及修正

北斗星座包含3类卫星,即GEO、IGSO和MEO,GEO卫星高度角变化微小,伪距多路径观测序列系统偏差较明显;IGSO、MEO卫星随多路径序列系统偏差随卫星高度角变化,多路径误差对单个接收机定位结果影响较大.本文针对GEO卫星伪距观测值偏差问题提出了一种基于卡尔曼滤波的修正方法,利用3 d的多路径效应误差观测序列进行拟合后,利用拟合值修正,修正后的GEO卫星多路径观测序列标准差下降了31％.     

一种北斗星源伪距波动改正方法

北斗伪距观测值中存在与卫星相关的误差,这种误差称为星源伪距波动。为了进一步探究北斗星源伪距波动误差规律,提高定位精度及可靠性,对12个IGS multi-GNSS测站提供的三频数据进行了分析,并在此基础上建立了基于卫星高度角的多项式改正模型。实验表明,星源伪距波动主要存在于北斗IGSO和MEO卫星中,没有在GPS,GLONASS,GALILEO和北斗GEO卫星中发现类似的现象。经改正,自测测站三频伪距多路径组合的RMS分别减少了41.3%,37.2%及11.4%,与卫星高度角相关系数小于0.01。     

北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站构型影响分析及其优化

GNSS卫星定轨精度主要取决于卫星动力学模型精度和GNSS几何观测信息。由于北斗GEO/IGSO卫星静地、高轨特性,以及力学模型不精确等原因,地面几何观测信息对轨道改进至关重要。本文讨论了北斗GEO/IGSO/MEO卫星定轨地面站分布影响及优化改进方法。在简化动力学定轨模型基础上,探讨多历元几何观测信息累积对轨道的改进;研究了北斗导航卫星定轨理想几何构型条件,得到影响定轨精度的几何因子,包括测站数量、覆盖范围、分布密度;利用离散概率密度方法研究地面站构型,分析了3类卫星轨道改进机理和优化方法。通过算例,讨论了增加5个中国区域基准站改善离散概率密度指标,优化全球北斗卫星定轨构型,发现GEO和IGSO卫星精度改善最为明显,MEO卫星改善最小;其中GEO卫星提高了10%,IGSO卫星提高了16%,MEO卫星提高了4%。     

Improving BeiDou precise orbit determination using observations of onboard MEO satellite receivers

In recent years, the precise orbit determination (POD) of the regional Chinese BeiDou Navigation Satellite System (BDS) has been a hot spot because of its special constellation consisting of five geostationary earth orbit (GEO) satellites and five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites besides four medium earth orbit (MEO) satellites since the end of 2012. GEO and IGSO satellites play an important role in regional BDS applications. However, this brings a great challenge to the POD, especially for the GEO satellites due to their geostationary orbiting. Though a number of studies have been carried out to improve the POD performance of GEO satellites, the result is still much worse than that of IGSO and MEO, particularly in the along-track direction. The major reason is that the geostationary characteristic of a GEO satellite results in a bad geometry with respect to the ground tracking network. In order to improve the tracking geometry of the GEO satellites, a possible strategy is to mount global navigation satellite system (GNSS) receivers on MEO satellites to collect the signals from GEO/IGSO GNSS satellites so as that these observations can be used to improve GEO/IGSO POD. We extended our POD software package to simulate all the related observations and to assimilate the MEO-onboard GNSS observations in orbit determination. Based on GPS and BDS constellations, simulated studies are undertaken for various tracking scenarios. The impact of the onboard GNSS observations is investigated carefully and presented in detail. The results show that MEO-onboard observations can significantly improve the orbit precision of GEO satellites from metres to decimetres, especially in the along-track direction. The POD results of IGSO satellites also benefit from the MEO-onboard data and the precision can be improved by more than 50% in 3D direction.     

Estimation of antenna phase center offset for BDS IGSO and MEO satellites

The BeiDou satellite navigation system (BDS) is different from other global navigation satellite systems (GNSSs) because of its special constellation, which consists of satellites in geostationary earth orbit, inclined geosynchronous earth orbit (IGSO), and medium earth orbit (MEO). Compared to MEO satellites, the observations of IGSO satellites cover only a small range of nadir angles. Therefore, the estimation of phase center offsets (PCOs) suffers from high correlation with other estimation parameters. We have estimated the phase center offsets for BeiDou IGSO and MEO satellites with a direct PCO parameters model, and constraints are applied to cope with the correlation between the PCOs and other parameters. Validation shows that the estimated PCO parameters could be used to improve the accuracy of orbit and clock offset overlaps. Compared with the Multi-GNSS Experiment antenna phase center correction model, the average improvements of the proposed method for along-track, cross-track, and radial components are 19 mm (31%), 5 mm (14%), and 2 mm (15%) for MEO satellites, and 13 mm (17%), 12 mm (21%), and 5 mm (19%) for IGSO satellites. For clock offset overlaps, average improvements of standard deviation and root mean square (RMS) are 0.03 ns (20%) and 0.03 ns (12%), respectively. The RMS of precise coordinates in the BDS-only positioning was also improved significantly with a level of 24 mm (30%) in the up-direction. Finally, the overall uncertainty of the estimated results is discussed.     

北斗混合星座分层约束下的精密定轨方法

针对北斗导航卫星系统首创的GEO+IGSO+MEO混合星座设计,本文研究了根据不同星座,采取不同约束条件和数据处理策略的北斗卫星精密定轨方法,提出了一种针对北斗系统混合星座的分层约束精密定轨方案.该方案首先将北斗卫星分为非GEO(IGSO/MEO)和GEO两部分进行解算,利用GPS解算的公共参数对北斗IGSO/MEO精...     

模糊度固定的北斗卫星多系统融合精密轨道确定

利用全球分布的IGS和MGEX站多模观测数据,研究了北斗卫星多系统融合双差动力学精密定轨方法,提出了适应北斗系统的双差模糊度固定策略。结合实测数据,对比了单系统与多系统融合、模糊度固定解与浮点解的定轨效果。结果表明：相比单系统定轨,多系统融合定轨能有效改进IGSO和MEO卫星轨道精度,但对于GEO卫星,多系统融合定轨并无优势;利用改进的模糊度固定策略对IGSO和MEO卫星双差模糊度进行固定,有效提高了长基线模糊度固定率,整体固定成功率由40%提高到60%以上;模糊度固定对定轨精度改进作用明显,IGSO和MEO卫星三维定轨精度分别提高了48%和36%,达到0.048 m和0.066 m。     

星蚀期北斗卫星轨道性能分析——SLR检核结果

星蚀期北斗卫星的轨道性能是北斗卫星导航系统性能分析的重要部分。了解北斗卫星导航系统星历中星蚀期轨道的精度,不仅可为系统服务性能评估提供支持,还有助于了解星蚀期精密定轨中相关模型可能存在的问题,进而为精密定轨函数模型改进提供参考。本文基于2014年1月至2015年7月的卫星激光测距资料,重点分析了星蚀期对北斗不同类型卫星轨道的影响,同时也对北斗广播星历和精密星历中整体轨道径向精度进行检核。结果表明:星蚀期内(尤其是偏航机动期间),IGSO/MEO卫星的广播星历和精密星历轨道均存在明显的精度下降;广播星历轨道径向误差达1.5~2.0m,精密星历轨道径向误差超过10.0cm。但仅从轨道径向残差序列中难以发现星蚀期对GEO卫星轨道是否有显著影响。非星蚀期间,IGSO/MEO卫星和GEO卫星的广播星历轨道径向精度分别优于0.5 m和0.9 m。IGSO/MEO卫星的精密星历轨道径向精度优于10.0cm,GEO卫星的轨道径向精度约50.0cm,且存在40.0cm左右的系统性偏差。     

区域卫星导航系统GEO卫星定轨观测模型

根据GEO导航卫星的轨道特性，给出了数学上严密的卫星伪距观测和载波相位观测模型，讨论了GEO卫星轨道和卫星钟差的解算条件以及单星定轨、多星组差定轨的可行性。     

Precise orbit determination of BeiDou constellation: method comparison

Chinese BeiDou navigation satellite system is in official service as a regional constellation with five geostationary earth orbit (GEO) satellites, five inclined geosynchronous satellite orbit (IGSO) satellites and four medium earth orbit (MEO) satellites. There are mainly two methods for precise orbit determination of the BeiDou constellation found in the current literatures. One is the independent single-system method, where only BeiDou observations are used without help from other GNSS systems. The other is the two-step GPS-assisted method where in the first step, GPS data are used to resolve some common parameters, such as station coordinates, receiver clocks and zenith tropospheric delay parameters, which are then introduced as known quantities in BeiDou processing in the second step. We conduct a thorough performance comparison between the two methods. Observations from the BeiDou experimental tracking stations and the IGS Multi-GNSS Experiment network from January 1 to March 31, 2013, are processed with the Positioning and Navigation Data Analyst (PANDA) software. The results show that for BeiDou IGSO and MEO satellites, the two-step GPS-assisted method outperforms the independent single-system method in both internal orbit overlap precision and external satellite laser ranging validation. For BeiDou GEO satellites, the two methods show close performances. Zenith tropospheric delays estimated from the first method are very close to those estimated from GPS precise point positioning in the second method, with differences of several millimeters. Satellite clock estimates from the two methods show similar performances when assessing the stability of the BeiDou on board clocks.