卫星精密定轨的三频观测量IF组合法

随着全球卫星导航系统的发展,GNSS卫星发播多频观测量已成必然趋势。然而,目前IGS分析中心依然使用双频观测量的策略进行轨道、钟差等产品的解算,并没有顾及额外频点观测量对定轨产品带来的效益。本文使用两个双频无电离层组合（IF）作为观测模型,研究第三频点观测量对轨道、钟差及测站位置精度的改善。在观测方程中将卫星端的相位偏差分成时变和时不变分量,通过对两个IF组合的观测方程进行参数重组,推导了与IGS钟差产品基准一致的满秩观测模型。基于超宽巷、宽巷和窄巷双差模糊度构建策略,给出了三频观测量的模糊度固定方法。首先以12颗GPS Block IIF卫星为例,在两种测站布局情况下进行L1/L2 IF双频定轨（S1）、L1/L5 IF双频定轨（S2）、L1/L2和L1/L5两个IF组合的三频定轨（S3）试验。结果表明S3方案最优,测站均匀、不均匀情况下轨道结果S3相较S1分别改善10%以内、10%左右,钟差的RMS略有改善,STD分别改善6.4%、10.0%,而S3相较S2的改善幅度更小,改善百分比基本在5%以内。随后进行了BDS单系统定轨,并使用激光检核轨道,表明三频定轨较B1/B3定轨结果改善显著,但是较B1/B2方案结果改善微弱,可能的原因是天线相位中心误差改正值不准确。     

北斗导航卫星相位中心修正

北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）发播电文时利用卫星钟差a₀参数修正了B3频点相位中心与质心差异的大部分偏差,利用卫星群延时间参数（timing group delay,Tgd）修正不同频点相位中心的差异部分。该方法实质是利用各向同性的卫星钟差修正具有各向异性的天线相位中心偏差,改正精度有限。为进一步提高广播星历精度,提出了先对卫星位置进行相位中心改正,再对相位中心的轨迹进行广播星历拟合的处理方法,分别比较了两种改正方法对用户距离误差（user range error,URE）以及精密单点定位精度的影响。分析表明,两种方法都能使URE和定位精度得到提高,且新方法比利用卫星钟差a₀参数的修正精度提高了约76%,定位精度提高了约12.5%,同时新方法的改正精度不受时空因素影响。利用广播星历拟合修正天线相位中心与不进行天线相位中心比较,定位精度提高约38.1%。最后分析了Tgd参数修正各频点天线相位中心不一致的残差,影响在毫米级,可以用于修正相位中心的频间差异。     

BDS三频PPP时间传递精度分析

针对BDS三频PPP时间传递精度及其在国际时间比对中应用的可行性问题,基于无电离层影响、几何距离不变以及最小噪声原则构建三频消电离层组合PPP模型。选取2个MGEX测站2019年第14天至第20天共7 d的观测数据,采用WUM精密卫星轨道和钟差,进行BDS三频PPP时间传递实验。研究表明:BDS三频较双频消电离层组合观测值具有更小的观测噪声;以IGS钟差产品时间传递结果为参考,BDS三频和双频PPP时间传递精度分别为0.61 ns和0.75 ns,三频较双频PPP时间传递精度提高了18.67%。研究成果验证了BDS三频PPP在时间传递中的可行性和优势,为推动BDS时间传递应用提供了参考。     

北斗三频数据的两个无电离层组合轨道钟差估计及其应用

本文针对全球连续监测评估系统（iGMAS）和国际多系统GNSS试验计划（MGEX）两个观测网接收到不同频率北斗卫星数据的情况,提出了一种北斗卫星（BDS）3个频率（B1I、B2I、B3I）的两种无电离层组合（B1/B3和B1/B2）数据精密定轨（POD）和钟差估计（CE）方法。该方法可以统一处理上述两个观测网收到的北斗二代（BDS-2）,北斗三代试验系统（BDS-3e）和北斗三代全球系统（BDS-3g）3个频率的观测数据,并在一次程序运行中对所有北斗卫星进行联合处理,可有效提高一次运行的数据使用率,从而提高参数估计精度。采集了多天iGMAS、MGEX的GPS和BDS数据进行试验。结果表明,对BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨时,采用三频两组合方法后由于增强了观测几何,BDS轨道重叠RMS为15.9 cm,比传统双频法定轨精度提高11.3%。新方法引入了与卫星端3个频率相关的码偏差,该量多天估计结果稳定,证明了模型和方法可靠。将新方法用于BDS-3g+BDS-3e+BDS-2+GPS联合定轨,6颗BDS-3g的MEO卫星轨道重叠RMS为14.5 cm,钟差重叠RMS为0.43 ns,与BDS-3e的15.1 cm和0.49 ns相当。开展了北斗卫星精密单点定位（PPP）试验,结果显示增加了BDS-3g的6颗MEO的精密轨道和钟差后,测站定位精度水平为39.6 mm,天顶为37.8 mm,比仅用BDS-2和BDS-3e卫星定位精度提高了11.1%。     

BDS参考站三频整周模糊度单历元确定方法

参考站载波相位整周模糊度的准确确定是实现BDS网络RTK定位的关键。本文研究了BDS参考站三频载波相位整周模糊度单历元确定方法。首先推导了参考站三频载波相位整周模糊度之间的多个整数线性关系,根据双频载波相位整周模糊度的整数线性关系,以及B1载波相位整周模糊度备选值,确定B1/B2和B1/B3载波相位整周模糊度的备选组合。然后利用不受误差影响的三频载波相位整周模糊度间整数线性关系,对整周模糊度备选值进行约束和确定。根据大气误差的空间相关性,采用以卫星高度角和方位角为依据的基准卫星选择方法,降低了对流层延迟误差残差对多频载波相位整周模糊度之间线性关系约束能力的影响。试验结果表明,本文方法能够实现参考站三频载波相位整周模糊度的单历元准确确定,且计算效率高,算法简单。     

GPS信号改正参数研究

精确的信号改正参数是提高导航定位精度的关键。为了对导航定位服务进行有效的经营,需要在每一个信号离开卫星发播天线的时间内,考虑钟差、通道延迟、码相位位移、用户钟偏差,以及电离层、对流层等大气因素的影响。通过对GPS导航电文结构的研究,给出了单、双频用户的钟差改正参数、设备群延迟改正参数、电离层改正参数等参数算法,并在此基础上给出了信号间改正参数(ISCs)的算法。最终结合改正参数的应用范例,对改正参数应用的可行性进行了分析。     

单差模糊度的BDS/GLONASS多频RTK算法

针对GLONASS的双差模糊度失去整周特性以及附加模糊度参数的卡尔曼滤波模型,该文提出了一种基于站间单差模糊度分别求解的方法和一种能够在实时动态定位中获得卡尔曼滤波参数的方法,从而实现了BDS/GLONASS双系统联合实时动态差分(RTK)定位。对在石家庄采集的BDS三频与GLONASS双频短基线数据进行了解算,并对比分析了其他定位模式的结果。实验表明,该方法能够正确固定GLONASS模糊度,其单频和双频的模糊度固定率分别为91.2%、99.6%。GLONASS的定位精度与BDS相当。BDS/GLONASS组合定位精度和稳定性相较于单系统也有所改善,其中BDS三频+GLONASS双频的定位精度最高,总体精度为2.22 cm。频率增加缩短了初始化时间,为实现单历元获得固定解提供了可能性。     

北斗天线电气相位中心偏差检验试验研究

为满足北斗双星定位系统精密定位、定向的工程需要,提出一种北斗天线电气相位中心常值偏差3维检验方法,并建立了相应的数学模型.该方法通过基线旋转、单天线旋转、交换天线,利用载波相位单差、基线长度、天线高差测量信息来估计天线电气相位中心偏差,并且在单天线旋转条件下对不同方向、不同天线间单差观测方程求差,以减少未知参数个数.最后,应用此模型检验一对北斗天线,检验结果表明,在单差均方差为0.005周,基线长度、天线间高差均方差为1 mm的条件下,天线间电气相位中心偏差水平分量的检验精度达0.3 mm.论文所述方法操作简单,适合在野外对北斗天线进行电气相位中心偏差检验.     

BDS接收机天线相位中心标定

在高精度GNSS定位中,接收机天线相位中心偏差(PCO)和天线相位中心变化(PCV)的影响不可忽略。目前,IGS发布的绝对天线相位模型文件中包含了GPS/GLONASS系统的标定值,但是没有发布北斗系统(BDS)的标定值。本文借助机械臂可以控制天线自由旋转,在数小时内实现全方位GNSS观测的特性,采用历元间差分的方法对接收机天线包括GPS L1/L2和BDSB1I/B2I/B3I等多个频点的PCO和PCV分别进行标定和拟合。标定结果表明,比较最小二乘估计的GPS PCO与IGS发布值,其STD和RMS在L1/L2上均小于1 mm;BDS PCO估计值的STD在B1I/B2I/B3I上分别为0.5、0.3、0.3 mm。利用球谐函数拟合的GPS PCV格网值与IGS发布值相比,其偏差在天顶距小于75°时均小于1.5 mm。BDS PCV拟合值范围均在-5~8 mm,且随天顶距变化曲线呈现波谷状。BDS PCV在低高度角处拟合值波动较大,随方位角变化曲线峰值-峰值最大达到了5.6 mm。     

北斗天线相位中心偏差改正对精密单点定位的影响

利用厂商模型、MGEX模型和ESA模型对BDS卫星天线相位中心偏差进行改正,结果表明,3种模型对BDS精密单点定位精度均有所提升,其中,水平方向提升1～2 cm,高程方向定位精度由1 dm提升为厘米级,ESA模型优于另外两种模型。利用GPS接收机天线相位中心偏差改正值对BDS接收机天线相位中心偏差进行改正,其精度改善情况随天线类型的不同而存在差异,水平方向精度影响为毫米级,高程方向与天线类型有关,精度影响最大可达厘米级。