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...     

BDS-2/BDS-3伪距单点定位精度分析

北斗三号(BDS-3)基本系统于2018年底开始提供全球服务．通过处理37个全球GNSS服务组织(IGS)多模实验跟踪网(MGEX)观测站90天北斗数据,评估了北斗二号(BDS-2)和BDS-3在全球范围内的可见卫星数、几何精度衰减因子(GDOP)和单频伪距单点定位精度,分析了BDS-2／BDS-3组合对BDS-2、BDS-3单系统空间几何构型、伪距单点定位(SPP)精度的改善程度．结果表明,BDS-3的空间几何构型较BDS-2有明显的提升,定位精度在东方向、北方向和高程方向分别为1.490、2.610、5.238 m(RMS),相较于BDS-2分别提高了58％、1％、24％．BDS-2／BDS-3组合在东方向、北方向和高程方向分别为1.45、2.36、4.90 m(RMS),较BDS-2与BDS-3单系统分别提高了59％、11％、29％,以及3％、10％、6％．并且BDS-2／BDS-3组合明显削弱了BDS-2定位精度与地理经度相关的边缘效应.      

北斗卫星导航系统Klobuchar模型精度评估

目的 目前,我国北斗卫星导航系统已完成星座区域组网,系统每2h提供一组电离层延迟 Klobuchar模型参数。利用欧洲定轨中心(CODE)的高精度电离层格网数据作为参考,对北斗卫星导航系统电离层参数性能进行了精度评估分析,并进行了定位分析。数据表明,其修正精度一般在70%以上,北半球的修正误差在1.5m 左右,而南半球的修正误差在3.5m 左右;在北半球中纬度地区的修正精度比高纬度、低纬度地区高;北斗单频伪距定位采用北斗 Klobuchar模型在平面上的精度为3m 左右,高程上为7m 左右,与采用 GPS的 Klo-buchar模型相比较,定位精度提高了约10%,高程方向尤为明显。     

北斗不同电离层模型精度分析

目前北斗系统播发多种电离层模型参数,用户使用时容易产生以下问题:①同一历元不同卫星播发同一电离层模型,其值不完全相同;②北斗二号、北斗三号分别播发的Klobuchar电离层模型参数值存在差异;③对于能同时接收到3种电离层模型(BDS-2Klobuchar、BDS-3 Klobuchar及北斗全球电离层延迟修正模型(BDGIM))的基本导航用户如何选取合适的电离层模型。针对以上问题,本文首先提出采用最大投票法策略,对同一历元相同电离层模型但值不同的参数进行合理合并,然后以IGS分析中心的电离层产品为基准,对以上3种北斗电离层模型进行了精度分析和对比,最后基于等效距离误差进行了验证分析。试验结果表明,BDS-2 Klobuchar、BDS-3 Klobuchar虽然模型值差异较大但模型精度十分接近,而BDGIM模型精度最高,相对于前两者在中低纬地区平均提升10%,在两极地区的提升更加明显,平均提升61%。     

北斗三号观测数据质量及定位精度初步评估

开展BDS-3观测数据质量评估对于即将到来的BDS-3应用研究至关重要。本文从载噪比、伪距多路径及观测噪声3方面评估了BDS-3卫星的观测数据质量,在此基础上分析了其标准单点定位和短基线相对定位性能。初步评估结果表明：在载噪比方面,BDS-3卫星的B1I频点比BDS-2卫星高3~4 dB/Hz,B3I频点最高,其余频点大小相当;在多路径方面,BDS-3卫星伪距B2a、B2b和B3I与BDS-2的B3I大小相当,B1I和B1C与BDS-2的B1I、B2I大小相当,且BDS-3各频点的伪距多路径组合中不存在明显的与高度角相关的伪距偏差;在观测值噪声方面,BDS-3卫星与BDS-2卫星各频点大小基本相当。相比于仅使用BDS-2卫星,增加BDS-3卫星可以改善几何图形结构,一定程度上提高伪距单点定位和短基线相对定位的精度。     

北斗系统电离层模型参数改正精度分析

本文讨论了电离层垂直电子总含量比较法和单频单点定位法两种电离层模型参数改正精度评估方法,介绍了北斗系统发播的电离层模型参数的使用方法,基于欧州定轨中心提供的全球电离层数据评估北斗系统发播的电离层模型参数精度,分析结果表明：北斗系统发播的Klobuchar电离层模型参数在西安地区的改正比例,白天为80％左右,夜间为75％左右。     

北斗三号系统标准单点定位精度分析

根据我国北斗卫星导航系统（BDS）建设情况以及发展战略,目前我国北斗导航系统已经进入第三阶段的建设．本文以IGS连续跟踪站的数据为基础,首先对北斗三号(BDS-3)星信号数据质量进行分析,然后对BDS-3准单点定位精度进行分析,并与北斗二号(BDS-2)标准单点定位精度进行对比,结果表明,在观测区域内,BDS-3的数据质量较好,单系统定位精度优于BDS-2的定位精度．      

“北斗二号”导航定位系统与GPS伪距单点定位性能对比研究

对GPS系统、北斗二号系统以及GPS/北斗组合系统伪距单点定位的关键技术进行研究,分析了3种导航系统的DOP值。单一系统随卫星高度角的增加,DOP值增大,定位精度下降。GPS伪距单点定位的精度达到2 m,北斗伪距单点定位的精度在5 m以内,GPS/北斗联合定位的精度和GPS相差不大。     

亚太区域北斗三号对北斗二号精密单点定位的增强效果分析

北斗二号卫星导航系统主要由GEO和IGSO星座卫星构成,其整体星座的几何结构变化缓慢,导致应用于精密单点定位（PPP）时需要较长收敛时间。而北斗三号卫星导航系统的建成将有利于缓解上述问题,获得更优的定位效果。为了探究北斗三号对北斗二号PPP的增强效果,本文选取10个位于亚太区域内的iGMAS测站3 d的观测数据,首先分析3家IGS分析中心对北斗三号卫星精密产品的支持情况;然后分别对静态和模拟动态两种模式的定位性能进行展开分析。结果表明：①亚太区域内北斗三号卫星数量达到9颗。②加入北斗三号卫星后,静态PPP的收敛时间缩短了40%,收敛后的精度提高了46.5%;模拟动态PPP的收敛时间缩短了42.8%,收敛后的精度提高了45.7%。     

北斗二号对北斗三号伪距单点定位精度影响分析

针对当前BDS-2/BDS-3组合定位性能,基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站对BDS-2/BDS-3的组合定位实测数据,分析了北斗二号(BDS-2)不同类型卫星对北斗三号(BDS-3)卫星B1I、B3I与B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响. 经研究发现,BDS-2不同类型星座卫星都能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在20%以内,而全部BDS-2卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在30%以内,整体提升关系为:BDS-2全部卫星>IGSO卫星>GEO卫星>MEO卫星.      

基于北斗GEO的电离层延迟修正方法比较与分析

电离层延迟是影响导航定位精度的最主要因素。北斗卫星导航系统采用Klobuchar模型修正单频接收机用户的电离层延迟误差,对于双频接收机,可以利用不同频率信号的伪距观测数据解算得到电离层延迟值。为比较两种方法在天津地区的电离层延迟修正效果,利用NovAtel GPStation6接收机(GNSS电离层闪烁和TEC监测接收机)采集到的卫星实测数据进行计算。以国际全球导航卫星系统服务组织(IGS)发布的全球电离层格网数据为参考,对两种方法的修正效果进行比较分析。结果表明,在天津地区,利用双频观测值解算电离层延迟比Klobuchar模型计算结果更加精确,且平均每天的修正值达到IGS发布数据的82.11％,比Klobuchar模型计算值高948％      

一种基于泰勒级数展开的电离层延迟改正模型

针对电离层延迟误差对定位精度的影响,本文将泰勒级数展开应用于电离层延迟的求解过程中,提出了一种基于泰勒级数展开的电离层改正模型（TSE模型）。将该模型与传统的Klobuchar模型和NeQuick模型在VTEC的求解精度和定位精度上进行了对比分析,用IGS网站提供的测量数据,通过仿真试验验证,得出了TSE模型在提高定位精度上具有较好的可行性与时间适应性的结论。     

电离层延迟修正方法评述

电离层延迟是卫星导航定位的重要误差源之一,为了有效消除该误差的影响,需要选择适当的电离层延迟改正方法。对电离层延迟修正精度和实时性要求不同,选用的改正方法也不尽相同。本文在分析各修正方法原理的基础上,论述了各方法的优缺点、存在问题、以及适用范围,该研究对于选用电离层修正方法具有指导意义。     

一种顾及先验约束的北斗观测数据多路径一步修正模型

卫星观测数据质量是衡量系统服务性能的关键指标之一。多路径延迟作为导航定位服务中的主要误差源,是全球导航卫星系统数据处理领域的研究热点。针对多路径分步处理策略无法获得全局最优解的问题,提出一种基于先验约束的北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）观测数据多路径实时修正模型。首先,基于提取的多路径延迟序列,利用全变分正则化算法实现多路径序列的分离与降噪;然后,利用最小二乘和自回归模型对多路径序列中趋势项与随机项进行一步建模处理;最后,以求解的多路径模型系数为先验信息,精化实时服务条件下BDS多路径处理模型。BDS实时精密单点定位实验表明,相较于传统多路径处理策略,经顾及先验约束的BDS观测数据一步修正后,BDS-2定位精度在E、N、U方向分别提升了10.6%～64.9%、0.0%～59.1%和12.6%～67.2%(B1I+B3I),BDS-3定位精度在E、N、U方向分别提升了13.9%、60.0%、45.9%(B1I+B3I)与19.1%、46.5%、23.9%(B1C+B2a)。所提的多路径处理模型可有效改善BDS实时定位应用中...     

区域电离层延迟模型研究

电离层延迟是GPS定位中主要误差源之一。本文针对中国区域的电离层延迟问题,首先使用区域电离层延迟模型理论和IGS提供的IONEX数据,分析了中国区域点(120°E,30°N)的不同时间尺度的TEC变化情况,总结出该地区的TEC变化规律。然后采用IGS公布的监测数据对中国区域的电离层延迟进行PPP解算,并利用Matlab对解算结果进行仿真,结果表明:球谐函数模型对于中国区域电离层电子含量解算的特征更具有区域代表性。     

一种顾及电离层延迟信息的长基线北斗三频模糊度解算方法

北斗卫星导航系统播发3个频点的导航信号,有利于载波相位模糊度解算。鉴于传统的三频模糊度解算方法由于受基线距离的限制难以在中长基线情形下可靠地固定模糊度,本文提出一种适用于北斗卫星系统中长基线模糊度固定的新方法。实验结果表明,改进的新算法不受基线长度的约束,在保证超宽巷、宽巷模糊度正确固定的同时,宽巷模糊度估值误差在0.3周以内;窄巷模糊度估值误差在3周以内。相比于传统算法,新方法的改进效果较好。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

海量地基GPS双频观测为电离层延迟建模提供了高分辨率时空覆盖的数据源。尽管如此,穿刺点的数量及空间分布、观测精度影响着建模精度。GLONASS/GPS兼容接收机增加了可观测的卫星数,改善了穿刺点的几何分布。基于此,完整地给出了GLONASS/GPS联合全球电离层延迟建模的算法实现以及数据处理策略。实测数据表明,在当前IGS站网分布下,GLONASS数据改善了全球电离层延迟模型化效果;卫星的DCB稳定性优于接收机的DCB,但GLONASS卫星DCB稳定性差于GPS卫星。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

为了对区域电离层延迟进行实时模型化,利用中国区域GPS实测资料,基于球冠谐函数模型、低阶球谐函数模型、多项式模型和Kriging内插方法,构建了电离层延迟模型。重点讨论了电离层垂直总电子含量(vertical total electron content,VTEC)的空间变异性、相关性的统计计算和Kriging内插估计方法,实现了中国区域VTEC格网实时建模。验证结果表明,高纬度地区VTEC拟合精度优于低纬度地区,Kriging内插估计和多项式模型结果的拟合内符合精度明显优于球冠谐函数模型和低阶球谐函数模型。但多项式拟合的格网,其方差则存在明显的边际效应,拟合区域中央精度较高,区域边缘地带精度明显下降;Kriging算法估计的格网点VTEC方差更符合实际情况,穿刺点多的地方,格网点精度较高。     

地基GNSS全球电离层延迟建模

中国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)是全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)中唯一全星座提供3频信号的卫星导航系统,其信号频率间共存在3种频间偏差(differential code bias,DCB),分别是DCB_C2I-C7I、DCB_C2I-C6I、DCB_C7I-C6I。理论上,这3种DCB之间存在代数和为零的关系。基于3种频间偏差闭合差约束,加入DCB观测方程,以北斗中轨道(medium earth orbit,MEO)和倾斜地球同步轨道(inclined geosynchronous satellite orbit,IGSO)卫星作为参考卫星,采用附加限制条件的间接平差方法同步估计BDS的3种DCB。选取2018年1月1日—30日多模GNSS实验(multi-GNSS experiment,MGEX)基准站的BDS 3频数据,分别采用附加闭合差约束估计和独立求解两种方法计算北斗二代卫星的3种频间偏差。以中国科学院(Chinese Academy of Sciences,CAS)和德国宇航中心(Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt,DLR)的DCB产品作为参考,分析了所提方法估计的DCB精度、稳定性及部分典型卫星的DCB时间序列,验证了所提方法对北斗3频DCB估计的适用性和科学性,并通过BDS单频标准单点定位(standard point positioning,SPP)实验验证了DCB对单点定位精度的影响效果。     

顾及f~3项的电离层延迟模型

给出了顾及f3项时消除电离层延迟的两种方法:用三频观测值来消除电离层延迟,直接用地磁场模型来计算f3项。提出了一种用一个三次曲面来拟合30°×40°的区域内的场强H的简化算法。用两种方法求得的电离层延迟之差小于0.5 mm。