GNSS多系统组合PPP解算方法与成果分析

研究GPS、GLONASS和BDS三系统组合精密单点定位（PPP），包括函数模型、对流层延迟参数和差分码偏差(DCB)参数的解算方法。利用C++语言编制3系统组合PPP程序，分析MEGX网12个连续跟踪站1周观测数据，结果表明，无电离层组合模型和非组合模型的收敛速度和定位精度相当，同一测站在不同时间的收敛速度无明显差异，但非组合模型采用先验电离层信息约束可提高定位的收敛速度。多系统组合定位能改善PDOP值，提高收敛速度和定位精度；3系统组合PPP的水平坐标精度约3 cm，高程精度约5 cm，优于3个系统单独定位或2个系统组合定位的精度；当卫星遮挡较大时，多系统PPP结果较单系统更为稳定。     

LEO星座增强GNSS的精密单点定位初步分析

本文选取GPS系统和Iridium系统，采用数学仿真技术初步分析了LEO星座对GNSS在精密单点定位中的增强作用。在仿真了BJFS站GPS和Iridium观测数据的基础上进行Iridium增强GPS的伪动态下精密单点定位实验，结果表明：与GPS单系统相比，GPS＋Iridium双系统的可视卫星数平均增加1.5颗，GDOP值和PDOP值降低0.25左右；Iridium增强GPS后PPP滤波矩阵的条件数快速减小，提升了PPP滤波矩阵的稳定性，提高了天顶U方向的定位精度，从而提高了三维的定位精度，PPP收敛时间缩短了30%以上；采用单差MW法固定PPP模糊度，分别以Ratio=1.5、3、5作为模糊度固定成功的指标，并与模糊度仿真值对比，PPP模糊度首次固定成功所需的时间缩短40%以上。     

极地地区多模GNSS精密单点定位精度分析

基于多模全球导航卫星系统（GNSS）与精密单点定位(PPP)技术,分析极地多模GNSS精密单点定位策略。通过一天一站解和一天多站解,对11种不同导航卫星系统组合下的精密单点定位结果进行实验分析。结果表明：1）各组合中BDS和Galileo组合的定位结果最差,与平均值相比定位精度的差值范围在0.4~1.3 cm之间;2）极地地区各组合N方向收敛时间的平均值为7~11 min,定位精度的平均值优于1.3 cm,明显优于E方向和U方向;3）相同环境下三系统组合较双系统组合在E、N、U方向的收敛时间分别缩短10.3%、14.1%、7.3%,在定位精度上分别提升9.6%、4.6%、11.7%;四系统组合较三系统组合在E、N、U方向的收敛时间分别缩短6.8%、－2.1%、2.0%,在定位精度上分别提升4.9%、－7.1%、5.3%。研究结果表明,三系统组合的定位性能较双系统组合提升明显,四系统组合较三系统组合定位性能改善不明显。     

北斗在南/北极地区的基本定位性能评估

基于BDS、GPS系统的星座结构，对当前的BDS二代导航系统（BD2）、全部建成后的BDS系统在极地科考站（黄河站、昆仑站、中山站、长城站）和北极圈的可见卫星数、DOP值、定位精度等进行评估，并将建成后的BDS、GPS及其组合系统在南/北极的基本定位性能进行对比分析。仿真结果表明，当前的BD2只实现了极地的部分覆盖，对极地提供导航定位的能力有限，大范围内的定位精度大于30.0 m； BDS在极地的定位精度将与GPS相当，可见卫星数可达13颗左右，PDOP值优于1.6，定位精度优于8.0 m；GPS/BDS组合后在极地的PDOP值优于1.4，定位精度优于6.0 m。
     

GEO卫星对BDS相对定位性能的影响分析

对BDS高精度相对定位中GEO卫星的影响进行研究和分析。首先实现非差观测模型的BDS定位解算,在非差观测模型的基础上实现BDS高精度相对定位解算模型,然后分别利用全星座卫星和IGSO+MEO组合进行高精度相对定位处理,分析GEO卫星对BDS相对定位收敛时间和定位精度以及PDOP值的影响。结果表明,GEO卫星能稳定增加观测卫星数量,改善PDOP值,提高定位收敛速度和精度,BDS全星座高精度相对定位静态单天解与动态解均达到或优于cm级。     

系统偏差常数弧段估计策略对多系统静态精密单点定位的影响

为探讨系统偏差最优估计策略，利用IGS提供的GPS、BDS、GLONASS和Galileo 四系统的观测数据以及GFZ提供的精密卫星钟差和精密轨道产品，将系统偏差（ISB）按照高斯白噪声、20 min、30 min、1 h、2 h分段常数进行单天静态解，分别获得E、N、U方向上的坐标偏差，分析不同系统偏差求解策略下多系统融合PPP的收敛时间和定位精度。结果表明，在多系统融合静态PPP中，从观测模型强度与定位结果稳定性和可靠性角度综合考虑，对ISB采用20 min分段常数估计策略是最优的，静态PPP收敛时间在30 min左右，收敛后的定位精度E方向优于2 cm、N方向优于1 cm、U方向优于5 cm。     

混合构型低轨卫星增强GPS精密单点定位性能分析

低轨卫星具有信号强度高、运动速度快的特点,引入低轨卫星可改善矿区、城市、峡谷等复杂环境下GNSS接收机观测数据质量差、定位精度较低的问题。采用混合构型低轨星座进行定位增强,利用仿真低轨卫星数据对不同数量、不同构型的低轨卫星在不同截止高度角情况下增强GPS PPP性能进行分析。结果表明：1)GPS联合LEO定位可以显著增加可见卫星数,降低PDOP值。2)在截止高度角为30°时,低轨卫星可显著提高GPS定位性能,改善定位精度并减少收敛时间。其中,主子星座(96+9)联合GPS定位与同卫星数低轨卫星相比,在提升子星座覆盖区域测站(HKSL)N、U方向定位精度及减少收敛时间方面效果更好。     

信号易遮挡地区GPS/BDS双频单历元短基线解算精度分析

信号易遮挡地区GPS、BDS单系统可见卫星个数少，无法达到相对定位的最低要求。讨论了GPS/BDS组合单历元基线解算模型，在多种模拟环境下将GPS/BDS联合解算结果与GPS和BDS单系统在可见卫星数、模糊度固定成功率、定位精度等方面进行对比分析。结果表明，相对于单系统单历元基线解算，GPS/BDS组合大大增加了可见卫星数，提高了模糊度固定成功率，并在极端的观测条件下有效地改善了定位精度，使信号易遮挡地区双频单历元基线解算精度可以达到cm级甚至mm级。     

极地地区北斗三号单点定位精度分析

为分析BDS-3在极地地区的定位精度,选取两极地区10个MGEX站连续7 d的观测数据进行SPP和PPP实验。结果表明,BDS-3在两极地区可见卫星数及PDOP基本一致,平均可见卫星数约为9颗,PDOP约为2.3。BDS-3各频点间定位精度相差不大,南极地区SPP定位精度略优于北极,特别是U方向。北极地区E、N、U方向定位精度分别优于1 m、1 m和5 m,南极地区E、N、U方向定位精度分别优于1 m、1 m和2 m。BDS-3在两极地区PPP定位精度相当,与GPS定位精度基本一致,各频点组合定位精度在E、N、U方向均优于2 cm。     

顾及不同LEO卫星数量及轨道误差的GPS/LEO联合PPP

为解决现有单系统GPS PPP收敛速度较慢的问题,选取不同卫星数量构成的LEO星座系统,根据观测值仿真原理得到待估点来自低轨卫星的伪距观测值和相位观测值;选取CPVG、WUH2、KOUG、IISC、FUCN测站,利用GPS及仿真附加轨道误差的LEO星座观测数据进行静态精密单点定位,以分析LEO星座的增强效果。结果表明： 1）在原有GPS系统中加入LEO星座后,3种组合场景下平均可见卫星数量分别增加9.7、19.4、31.3颗,PDOP值分别减少0.7、0.9、1.1; 2）收敛时间快速缩短,由单系统GPS卫星的17.1 min分别降至4.7 min、2.1 min、1.5 min,收敛时间分别缩短67.3%、84.4%、89.5%; 3）E方向上的RMS值分别提升34.4%、59.4%、72.9%,N方向上分别提升37.4%、60.3%、67.3%,U方向上分别提升55.9%、71.7%、79.6%。LEO星座对GPS PPP的性能提升巨大,对于指导LEO星座增强GPS系统设计及拓展精密单点定位的应用场景具有一定价值。     

基于系统间交叉验证的海上精密单点定位质量检核方法

基于MGEX(multi-GNSS experiment)测站实测数据,采用系统间交叉验证方法检核海上BDS/GNSS精密单点定位质量。分析不同系统组合的精密单点定位精度和收敛速度,结果表明,相对于单BDS,不同系统组合可有效提高精密单点定位的收敛速度和定位精度;组合系统的数目越多,相应的精密单点定位精度越高,收敛速度越快。同时,在静态、仿动态、海上动态不同定位模式下,采用系统间交叉验证方法检核精密单点定位的精度和可靠性。     

城市复杂环境下GNSS/INS组合导航算法研究

针对城市环境下GNSS车辆导航存在卫星信号易受影响的问题,利用GNSS/INS组合算法提高复杂环境下城市车辆定位性能。基于城市环境下实测GNSS数据评估分析定位结果,使用GNSS/INS组合的常规卡尔曼滤波算法实现卫星失锁区域导航。同时,提出一种基于新息的自适应卡尔曼滤波算法,可有效增强卫星数较少及信号干扰严重区域的车辆导航定位能力。该方法利用量测与预测的关系构造自适应因子,改善定位精度。结果表明,常规卡尔曼滤波可在20 s卫星信号失锁情况下保证亚m级导航精度,自适应卡尔曼滤波算法在卫星信号受到严重干扰时,其定位精度相比于常规卡尔曼滤波算法提高30%,可满足在城市复杂环境下的高精度、高可靠性车辆导航定位服务需求。     

基于凸包Graham扫描法的多系统融合精密单点定位快速选星算法

鉴于传统选星算法不能快速获得理想的卫星空间构型，在讨论定位精度计算模型、多系统融合GDOP值影响因素和分析基于凸包Graham扫描的选星算法原理的基础上，编程实现了基于凸包Graham扫描法的多系统融合精密单点定位快速选星算法，并对该算法的选星效果及定位效率进行仿真实验。结果表明，该算法的选星数能够稳定在8~10颗，其星座GDOP得到明显优化，空间构型得到明显改善；与传统方法相比，X、Y、H方向收敛时间的优化率分别达到40%、20%和7%，且定位精度更高，对于促进模糊度快速固定和改善定位效率有重要意义。     

BDS/GNSS精密单点定位性能分析

首先采用国际上通用的德国地学中心（GFZ）与武汉大学（WHU）精密产品,对GNSS精密卫星轨道和精密钟差产品精度进行初步评估;然后基于WHU精密轨道和钟差产品对18个分布于东半球的MGEX地面站进行多系统定位测试,同时也对BDS的B1I/B3I与B1C/B2a两组新、旧频点的精密单点定位性能进行对比分析。结果表明：1）四大导航系统（GPS、GLONASS、BDS、Galileo）的卫星轨道产品精度均在cm级,精密钟差内符合精度均优于0.1 ns,北斗三号（BDS-3）卫星钟精度相比北斗二号（BDS-2）有显著提升。2）亚太地区BDS的定位精度优于其他3个系统;在其他地区,GPS定位精度最优（与Galileo基本相当）,优于BDS和GLONASS的定位结果。3）BDS PPP平均收敛时间静态模式约为50.33 min、动态模式约为77.83 min,收敛速度略低于GPS、Galileo,优于GLONASS。4）B1C/B2a与B1I/B3I双频消电离层组合PPP定位性能基本相当。     

不同截止高度角多模GNSS组合单点定位性能分析

讨论多模GNSS时空统一方法,建立多模单点定位数学模型。采用8个测站的实测数据,对比单GPS与GPS/GLONASS/BDS/Galileo四大GNSS组合多模系统在截止高度角分别为15°、30°、45°时的单点定位性能。结果表明,15°时,多模较单GPS定位精度有一定改善,但效果不明显| 30°、45°时,单GPS不能实现实时定位,多模则能提供稳定可靠的实时定位结果。在北斗卫星导航系统可见卫星数较多的亚太区域,95%以上历元可用,水平方向偏差RMS<8 m,高程方向偏差RMS<20 m,对城市峡谷和密林中导航具有一定的参考价值。     

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城市动态环境下GNSS RTK部分模糊度固定算法性能分析

针对当前GNSS RTK算法在城市环境下可用率较低，特别是动态条件下满足cm级精度定位的观测历元少的现状，将部分模糊度固定算法应用于城市动态环境GNSS RTK定位，并采用城市环境下车载数据验证部分模糊度固定算法的可用性。测试结果证明，该算法能显著提高城市环境下GNSS RTK模糊度固定率，增加cm级定位历元数量。