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10cm);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10min);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5cm和10cm;模糊度固定前,相应RMS仅为28~53cm).     

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.     

单频GPS接收机动态定位的相位与伪距联合算法及其周跳检测

利用单GPS接收机进行实时动态差分时，相位观测值周模糊度的实时确定比较困难；而利用伪距观测值求解位置虽不存在解算整周模糊度问题，但观测噪声较大，将相位和伪距联合起来处理，给予相位和伪距观测值不同的权，在一定程度上改善了法方程的病态性质，解算精度高于单纯的伪距差分，接近单纯的相位差分精度，同时给出了相位与伪距联合算法的数学模型和数值结果，并讨论了动态定位中的周探测方法。     

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．     

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.     

附加电离层延迟约束的实时动态PPP快速重新初始化方法

传统模式下,由于卫星信号中断等原因导致的实时动态PPP重新初始化问题将严重影响PPP的实际应用效果.针对上述问题,本文提出了一种有效的解决思路,首先设计了电离层延迟变化预报模型,并提出预报信息的定权方法,进而将上述预报结果作为虚拟观测值,联合历元间/星间差分观测数据估计得到周跳参数浮点解,并尝试固定,从而实现PPP快速重新初始化.该方法通过实现电离层预报结果权重的自适应确定,改善了参数估计结果的精度,提高了周跳修复成功率及可靠性.利用不同区域和不同时期的大量观测数据分析表明,周跳修复效果与测站位置、太阳活动及中断时长存在密切关系,当中断时间较短（90 s以内）时,均可以获得较高的成功率,平均达到90%以上,由此验证了本方法的有效性;随着中断时长进一步增大,不同地区和太阳活动情形下的修复效果存在显著差异,纬度越低,太阳活动越剧烈,成功率越低.     

动态PPP定位中周跳自动探测与处理策略

周跳的自动探测与有效处理是动态PPP定位中关键和棘手的问题.本文提出利用L₁、L₂、L₄、L₅历元间差分,并联合doppler积分综合探测与定位周跳.对准确判定发生周跳的卫星,不进行周跳的固定和修复,而是将其作为新升起的卫星重新估计模糊度.这一处理策略避免了周跳修复不准对整个定位精度的影响,当保证不少于4颗卫星连续跟踪时,PPP动态定位的精度是稳定的.实验结果表明：在相对比较恶劣的动态环境下,动态PPP定位精度可以达到0.1~0.2 m水平.     

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...     

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...     

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...     

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.     

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...     

Anamolous ionospheric TEC variations prior to the Indonesian earthquake (M 7.1) of November 15, 2014

This paper investigates preearthquake ionospheric variations with the use of TEC of Global Ionospheric Maps (GIMs) and regional maps based on Precise Point Positioning (PPP) during the 7.1-M Indonesian earthquake that occurred on November 15, 2014. TEC maps corresponding to 10 days before to 4 days after the event were examined. In addition, a time series of TEC values according to the PPP maps were also evaluated. In addition to GIMs, it was possible to detect TEC variations with PPP maps. The results showed that ionospheric TEC decreased strikingly 4 days prior to the earthquake. This TEC variation was highly likely related to seismic activity.     

Effect of horizontal gradients on ionospherically reflected or transionospheric paths using a precise homing-in method

A homing-in method is presented for determining ionospheric reflected or transionospheric paths between fixed transmitter and receiver locations in the presence of ionospheric gradients or ripples. Both initial elevation and azimuth are automatically adjusted to find the path that arrives exactly at the receiver. The method can be used for any 3D ionospheric model to find precise ray paths and phase and group delays for both magneto-ionic modes. The method takes full account of path location, geomagnetic field orientation and the bending of the ray path resulting from horizontal as well as vertical gradients of electron density. It can also find multiple paths e.g. low and high angle, 1- and 2-hops for both ordinary and extraordinary modes. Examples of its use are given for both terrestrial HF links and Earth to Satellite paths. For paths reflected from the ionosphere, the effect of gradients of both critical frequency and height of maximum electron density are determined and the comparative effect of gradients on high and low angle and 1- and 2-hops paths for both magneto-ionic modes investigated. Path variation with frequency for a fixed link is also studied and the bandwidth of the ionospheric background channel (dispersive bandwidth) and its reciprocal (the pulse rise time), important for wideband digital HF broadcasting or spread spectrum HF communications, is estimated for a range of frequencies, for high- and low-angle rays and 1- and 2-hop paths. For Earth–satellite paths, the effect of the ionosphere and horizontal ionospheric gradients is determined for a range of frequencies and elevation angles. It is shown that the method can also enable the determination of second-order errors in satellite navigation methods, such as GPS, due to ionospheric gradients and the effect of the geomagnetic field.     

中低纬地区电离层对CIR和CME响应的统计分析

本文利用中低纬日本地区(131°E,35°N)GPS-TEC格点化数据,分析了2001—2009年间109个共转相互作用区(CIR)事件、45个日冕物质抛射(CME)事件引起的地磁扰动期间电离层的响应.结果表明,电离层暴的类型随太阳活动的变化而有不同的变化,CIR事件引发的电离层正相暴、正负双相暴多发生在太阳活动下降年,负相暴多发生在高年,负正双相暴多发生在低年;CME事件引发的电离层正相暴和负相暴多发生在高年.CIR和CME引发的不同类型的电离层暴的季节性差异不大,在夏季多发生正负双相暴.电离层暴发生时间相对地磁暴的时延大部分在-6~6h之间,但CIR引发的电离层暴时延范围更广,在-12~24h之间,而CME引发的电离层暴时延主要在-6~6h之间.中低纬的电离层暴多发生在主相阶段,其中CIR引发的双相暴也会发生在初相阶段.电离层负暴多发生在AE最大值为800~1200nT之间.CIR引起的电离层扰动持续时间较长,一般在1~6天左右,而CME引起的电离层扰动持续时间一般在1~4天左右.     

基于陆态网络GPS数据的电离层空间天气监测与研究

中国大陆构造环境监测网络(简称陆态网络)是以全球卫星导航定位系统(GNSS)为主,辅以多种空间观测技术,实时动态监测大陆构造环境变化,探求其对资源、环境和灾害的影响的地球科学综合观测网络.基于陆态网络约200个基准站的GPS观测数据,本文探讨了其在电离层空间天气监测与研究方面的应用.包括磁暴期间电离层暴扰动形态,大尺度电离层行进式扰动,太阳耀斑引起的电离层骚扰和低纬电离层不规则体结构等.研究结果表明:陆态网络布局合理,观测数据质量良好,完全可用于中国及周边地区电离层空间天气监测与研究,为进一步开展我国电离层空间天气预警和预报奠定了观测基础.