GNSS时差及其在多系统组合定位中的应用

随着卫星导航系统的发展及不断升级,越来越多的GNSS测站开始配备多模GNSS接收机。一方面,多模接收机的应用能够跟踪更多的GNSS卫星,从而改善观测几何条件,提高定位精度和可靠性;另一方面,不同GNSS导航系统采用不同的系统时间定义,存在着系统时差,从而多模GNSS接收机对于不同导航系统卫星的观测值存在着相应的偏差。为实现GNSS系统的兼容与互操作,各个GNSS导航系统目前都提出了系统时差监测的要求。基于此,研究GNSS系统时差的监测及其在多模定位中的应用。首先介绍目前导航系统时差监测的几种方法;然后分析GPS/GLONASS系统时差以及相对硬件延迟的特性;最后将GPS/GLONASS系统时差应用到多模用户导航定位,并详细讨论GPS/GLONASS时差及测站硬件延迟对导航定位的影响。     

多GNSS系统精密定轨ISB/IFB估计及特性分析

多全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）系统联合精密定轨需要考虑系统间及频率间偏差的影响。推导了多GNSS定轨系统间偏差（inter system bias,ISB）/频率间偏差（inter frequency bias,IFB）解算模型,以GPS系统硬件延迟为基准,给出了一种消除ISB/IFB秩亏的约束方法。试验数据结果表明,各系统ISB/IFB均表现出良好的稳定性及同一系统各卫星时间序列的一致性,BDS ISB的标准差为0.36 ns,Galileo ISB的标准差为0.18 ns,GLONASS IFB的标准差为0.51 ns;在接收机类型相同的情况下,不同跟踪站的ISB比较接近,但仍可达到ns级差异;GLONASS IFB在同一跟踪站相同频道号的卫星及不同跟踪站相同频道号卫星均表现出了良好的一致性。     

多系统双频精密单点定位不同模型下性能比较分析

通过2018年1月多全球卫星导航系统（GNSS）实验(MGEX)的十个测站数据,采用无电离层模型和非差非组合模型,对单系统、双系统和四系统精密单点定位（PPP）进行定位性能分析,定位性能包括收敛时间和定位精度. 实验结果表明,两种PPP模型定位性能相当,但优于单频PPP,在E、N和U方向收敛时间缩短20 min左右,定位精度提高1.6 cm左右;联合多系统能够增加卫星数,改善卫星间几何构型,提升PPP的定位性能. 对GLONASS伪距频间偏差（IFB）采用估计每颗GLONASS卫星的伪距IFB模型和伪距IFB为频率二次多项式模型提升PPP的定位性能,结果表明估计每颗GLONASS卫星的伪距IFB模型要优于伪距IFB为频率二次多项式模型,估计伪距IFB相比忽略伪距IFB在PPP定位性能上有不同程度的提升.      

顾及码频间偏差的GPS/GLONASS实时卫星钟差估计

在进行GPS/GLONASS联合卫星钟差估计时,GLONASS码频间偏差（inter-frequency bias,IFB）因卫星频率间的差异而无法被测站接收机钟差参数吸收,其一部分将进入GLONASS卫星钟差估值中。通过引入多个"时频偏差"参数（inter-system and inter-frequency bias,ISFB）及附加基准约束对测站GLONASS码IFB进行函数模型补偿,实现其与待估卫星钟差参数的有效分离,并对所估计实时卫星钟差和实时精度单点定位（real-time precise point positioning,RT-PPP）进行精度评估。结果表明,在卫星钟差估计观测方程中忽略码IFB,会明显降低GLONASS卫星钟差估值精度;新方法能有效避免码IFB对卫星钟差估值的影响,所获得GPS、GLONASS卫星钟差与ESA（European Space Agency）事后精密钟差产品偏差平均均方根值分别小于0.2 ns、0.3 ns。利用实时估计卫星钟差进行静态RT-PPP,当观测时段长为2 h时,GPS单系统、GPS/GLONASS组合系统的3D定位精度优于10 cm,GLONASS单系统3D定位精度约为15 cm;三种模式24 h单天解的3D定位精度均优于5 cm。     

顾及频率间偏差的GPS/GLONASS卫星钟差实时估计

GPS/GLONASS卫星钟差联合估计过程中,由于GLONASS系统采用频分多址技术区分卫星信号,因而会产生频率间偏差（IFB）^[1]。本文在GPS/GLONASS卫星定轨过程中的IFB参数特性分析的基础上,引入IFB参数,实现顾及频率间偏差的GPS/GLONASS卫星钟差实时估计。同时,为解决实时估计中待估参数过多导致的实时性较弱等问题,基于非差伪距观测值和历元间差分相位观测值改进实时估计数学模型,实现多系统卫星钟差的联合快速估计。结果表明：GPS/GLONASS联合估计时需引入IFB参数并优化其估计策略,采用MGEX和iGMAS跟踪站的实测数据进行实时钟差解算,快速估计方法可实现1.6 s逐历元快速、高精度估计,与GBM提供的最终精密卫星钟差相比,GPS卫星钟差实时精度约为0.210 ns,GLONASS卫星约为0.298 ns。     

单站多参数GLONASS码频间偏差估计及其对组合精密单点定位的影响

在分析传统GPS/GLONASS组合PPP数学模型中忽略GLONASS码IFB不足的基础上,提出一种基于"多参数"的组合PPP与码IFB估计算法。将"频间偏差"与"系统时差"参数进行合并,通过引入多个独立的"时频偏差"参数对组合PPP中的GLONASS码IFB进行函数模型补偿,同时可实现基于单个测站观测数据的码IFB精确估计。对配备6种GNSS品牌接收机的30个IGS站实测数据进行GLONASS码IFB估计与分析。结果表明:各品牌接收机不同频率通道的GLONASS码IFB可达数米,且表现出与频率的明显相关性,但难以通过简单函数建模为其提供精确的先验改正值;相同品牌接收机的GLONASS码IFB整体上具有相似的特性,而在个别测站会表现出异常特征;即使接收机类型、固件版本及天线类型完全相同的测站,GLONASS码IFB值也可能存在显著差异。新算法能实现对GLONASS码IFB的有效补偿,明显加快组合PPP的收敛速度。虽然引入多个附加参数会导致函数模型自由度减小,但对定位精度的影响有限,与传统"单参数"法进行组合PPP的定位精度相当。     

顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法EI北大核心CSCD

为解决不同GNSS间信号差异引起的多GNSS RTK/INS紧组合导航应用中卫星系统间模糊度固定失败的问题,本文提出顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法,以进一步发挥多GNSS在复杂环境下的互补性和灵活性。本文推导了顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航观测方程,给出了综合利用抗差估计方法和粒子群优化的ISB/IFB参数估计方法。试验结果表明,顾及ISB/IFB参数可以在一定程度上提高卫星系统间模糊度固定成功率;结合抗差估计方法提高卡尔曼状态估计浮点解精度,可显著提高多GNSS RTK/INS紧组合导航系统在复杂环境下的系统间模糊度固定成功率与导航精度。     

长基线GLONASS模糊度固定方法及实验分析

格洛纳斯（Global Navigation Satellite System,GLONASS）采用了频分多址技术,接收机在接收不同卫星信号时会产生频间偏差,阻碍了GLONASS长基线模糊度固定,限制了其定位定轨的精度。提出了一种新的GLONASS模糊度固定方法。该方法基于全球电离层格网产品,根据频间偏差率的变化范围,采用搜索的方法和线性模型去除相位频间偏差对宽窄巷模糊度的影响,实现了GLONASS无电离层组合模糊度固定。利用平均基线长度为763 km的全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）服务站实验网数据对该方法进行分析,结果表明:连续30 d内,模糊度固定成功率最高为95.4%,最低为88.8%,平均为93.45%;模糊度固定后,北（north,N）、东（east,E）、高（up,U）各分量重复性和均方根误差（root mean square er-ror,RMSE）值均得到不同程度的改善,E分量重复性和RMSE值分别改善了20%和14%,改善效果最为明显。     

利用高精度PPS测量进行GPS-GLONASS时差监测

首先对三类不同卫星导航系统时间基准偏差监测途径进行简要介绍,并首次把高精度PPS(pulse per second)测量这种方法成功应用到GPS-GLONASS时差监测中。针对PPS测量方案作了较为详尽的论述和说明,包括硬件配置、数据采集和后处理等内容,在试验中利用两台GPS和GLONASS双模接收机分别输出1PPS的GPS和GLONASS秒脉冲信号,使用斯坦福大学的SR620精密时间间隔计数器进行PPS精密测量,从而得到GPS和GLONASS的系统时间偏差测量值,并通过带有汉宁窗的FIR滤波器得到GPS和GLONASS的系统时间偏差估计结果,其平均值为317.1ns,标准差为5.01ns。     

GNSS精密卫星钟差估算与分析

为估算与分析GNSS卫星钟差的精度,利用中国测绘科学研究院国际GNSS监测评估系统分析中心研发的软件,采用全球均匀分布的50个IGS跟踪站和8个我国自建的IGMAS测站的观测数据,对GNSS包含的四大导航系统事后精密卫星钟差进行了估计。计算结果分别与国际上的分析中心结果进行了比对,得出GPS卫星钟差与IGS结果互差在0.2ns,GALILEO卫星钟差精度与GPS相当,在亚纳秒量级,GLONASS卫星钟差精度相对较低,在4ns以内,BDS各轨道类型上卫星之间钟差存在较大的系统性偏差,选择多星基准消除偏差之后,估算的北斗卫星钟差精度在1ns以内。试验结果表明,目前我国分析中心估算的卫星钟差总体上与国际IGS各分析中心估计的卫星钟差精度相当。     

基于单差模糊度的 GPS／GLONASS 组合相对定位模型研究

采用频分多址技术(FDMA),GLONASS系统双差模糊度固定存在两个问题:不同卫星波长不一致,双差后不能保持模糊度整数特性;共视卫星频率不同,不同卫星之间存在大小不同的频间偏差(IFB)。传统的双差不能很好处理GLONASS相对定位模糊度固定问题。文中考虑将双差所涉及的两颗卫星的站间单差模糊度分别求解,不受共视卫星波长不一致的影响。同时采用参数估计法消除不同厂商接收机的频间偏差影响。试验结果表明采用文中方法可以正确固定GLONASS模糊度,并且达到与GPS相当的解算精度,GPS/GLONASS组合定位精度和可靠性也比GPS单系统有所提高。     

多系统GNSS卫星钟差和偏差产品综合：IGS第3次重处理

2019年10月,国际卫星导航服务组织（international GNSS service,IGS）开始了第3次重处理（the third data reprocessing campaign, repro3）,对各分析中心的全球卫星导航定位系统（global navigation satellite system, GNSS）卫星钟差和偏差产品（包括伪距偏差和相位偏差）进行综合成为其重要任务之一。提出了多系统GNSS卫星钟差和偏差产品综合的模型和方法,并受IGS协调分析中心委托,对repro3发布的2000—2020年的钟差和偏差产品进行综合。通过对产品综合情况进行统计与分析,得出如下结论：各GNSS系统的综合钟差产品完整率稳定后可达到95%以上,优于多数分析中心产品;GPS和伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system,Galileo）卫星钟差间的综合均方根误差分别达到6.13ps和5.63 ps,证明了综合方法中的各项改正模型能显著提升产品一致性;格拉茨技术大学产品参与合并的平均权重达到21.83%,其相对精度优于其他分析中心;基于...     

GNSS空间信号法时差监测方法与结果分析

比较了3种基于GNSS空间信号进行时差监测的方法,其中,单站精密单点定位（PPP）时差监测法依赖于卫星轨道和钟差的精度,高精度PPP一般采用事后处理的方法;网解时差监测法受卫星轨道误差的影响较小,且不受卫星钟差误差的影响,因此能够用于高精度时差实时监测。为分析不同方法时差监测的差异,在距离不同的时间实验室之间进行了时差试验,试验中将外接相同原子钟的两个测站的时差用于评定时差监测的精度,而相距2000 km的测站用于验证高精度实时时差监测的精度。结果表明：①实时网解与事后PPP时差监测的精度相当,达到了0.16 ns;②采用PPP方法,是否固定站坐标时差结果差异的RMS为0.04 ns;③采用实时网解的方法,对于相隔数千千米的测站实时时差监测,其与PPP后处理结果的差异约为0.14 ns。     

实时GLONASS相位频间偏差粒子群优化估计方法

针对GLONASS相位频间偏差与模糊度线性相关所导致的难以对两者进行快速分离的问题,提出了一种实时GLONASS相位频间偏差估计方法。通过分析相位IFB与RATIO值之间的关系,将相位IFB估计问题归结为求解最优化问题,并将优化方法中的粒子群优化算法引入相位IFB估计中,该方法可在不增加待估参数数量以及先验信息的条件下,高效可靠地搜索出IFB变化率参数,实现GLONASS模糊度实时固定。测试结果表明,该方法在单历元解算条件下每历元平均搜索次数为32次,远低于基于粒子滤波的相位频间偏差估计方法的200次;在采用Kalman滤波方法进行解算条件下,每历元平均搜索次数仅为9次。无论采用单历元解还是滤波解,模糊度固定成功率均高于96.2%,模糊度固定解的最大坐标偏差均小于4 cm。     

GNSS广播协调世界时偏差误差评估方法与分析

全球卫星导航系统(GNSS)广播协调世界时偏差误差(UTCOE)近年来成为卫星导航供应商和用户关注的焦点之一。本文研究了UTCOE的定义,提出了基于中科院国家授时中心保持的协调世界时UTC(NTSC)和国际权度局(BIPM)时间公报的UTCOE间接评估方法,并采用GPS UTCOE直接评估方法对该方法的有效性进行了验证,给出了评估的不确定度预算。利用搭建的GNSS系统时间偏差监测系统输出数据,评估了BDS、GPS、GLONASS的UTCOE。在2018年全年的评估周期内,BDS UTCOE的均方根(RMS)为17.33 ns。BDS、GPS、GLONASS 3大系统的UTCOE的95%统计值分别为35.47、2.08以及8.64 ns。结果表明,BDS、GPS和GLONASS的UTCOE都符合性能承诺,但GPS远优于系统承诺,GLONASS次之,BDS的UTCOE结果临界,且呈现出明显的系统误差特性。BDS的UTCOE具有较大的提升空间。     

多频多模接收机差分码偏差的精密估计与特性分析

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）探测大气电离层需要精确处理由接收机差分码偏差（differential cade bias,DCB）引起的系统误差。准确掌握接收机DCB的多时间尺度精细变化等特性是联合美国GPS、中国北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）和欧盟Galileo等多GNSS技术监测电离层所面临的主要科学问题之一。为此,提出了基于零基线精密估计站间单差接收机DCB的方法,并对站间单差接收机DCB的日加权平均值进行了分析。基于4台多模接收机采集于2013年的双频观测值,揭示了站间单差接收机DCB的变化可能受3种因素的影响,即接收机内置软件的版本升级（实验中引起了约3 ns的显著增加）、拆卸个别接收机所导致的观测条件改变（实验中引起了约1.3 ns的显著减少）和估计方法的误差（引起了与导航系统卫星几何结构重复性相一致的周期性变化）等。     

偏航姿态对GPS和GLONASS精密轨道和钟差的影响

利用全球约110个国际GNSS服务（International GNSS Service,IGS）测站2013年全年观测数据,分析和研究了GPS和全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GLONASS）卫星偏航姿态对其精密轨道和钟差的影响。结果表明,偏航姿态对不同型号GPS卫星轨道和钟差的影响程度不同,当采用偏航姿态改正后地影期的BLOCK ⅡA型卫星轨道改善可达17 mm,BLOCK ⅡF为近5 mm,而BLOCK ⅡR几乎不受影响。由于偏航姿态对GLONASS-M卫星定轨精度影响较大,因此,当改正偏航姿态后所有GLONASS卫星相对于IGS最终轨道平均一维差异提高10 mm,相对于德国地学中心（German Research Center for Geosciences,GFZ）最终钟差平均标准差提升0.034 ns。     

网格化GNSS弱干扰源定位方法

介绍了网格化全球卫星导航系统(GNSS)弱干扰源定位的系统组成,针对该场景下现有方法对信噪比低的情况适应能力较差的问题,提出了一种基于信号噪声分离的差方均值函数拟合(MFDSS)的网格化GNSS弱干扰源定位方法,方法采用MFDSS方法实现时差估计,并利用Chan双曲线定位算法解算干扰源位置.文章对比仿真了该方法和常用网格化定位方法的定位效果,在对GNSS弱干扰源定位的场景下,该方法表现出优越性能.      

GNSS广播星历轨道和钟差精度分析

为了对多个全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）当前的广播星历精度进行一个全面的分析,对比了2014—2018年共5 a的GNSS广播星历与精密星历,并对全球定位系统（global positioning system, GPS）、格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）、伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system, Galileo）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system, BDS）、准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）等5个系统的广播星历长期精度变化进行了分析。结果表明:5 a中GPS的广播星历轨道及钟差精度最稳定;GLONASS的广播星历轨道精度稳定性较好,但其钟差精度存在较大的离散度;Galileo得益于具备全面运行能力（full operational capability, FOC）卫星的大量发射及运行,其广播星历轨道、钟差精度大幅度变好,切向轨道、法向轨道与钟差精度已赶超GPS;BDS的广播星历轨道精度离散度较大,钟差精度出现不稳定现象;QZSS的广播星历轨道与钟差精度的稳定性与离散度相对最差。以2018年1 a的广播星历与精密星历为例分析了各个系统当前的广播星历精度,结果表明,当前GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS的考虑轨道误差与钟差误差贡献的空间信号测距误差（signal-in-space ranging error,SISRE）分别为0.806 m、2.704 m、0.320 m、1.457 m、1.645 m,表明Galileo广播星历整体精度最高,GPS次之,其次分别是BDS、QZSS和GLONASS。只考虑轨道误差贡献的SISRE分别为0.167 m、0.541 m、0.229 m、0.804 m、0.675 m,表明GPS广播星历轨道精度最高,其次分别是Galileo、GLONASS、QZSS和BDS。GPS卫星广播星历中新型号卫星的钟差精度总体要优于旧型号卫星。     

GNSS接收机伪距偏差确定方法及其对定位的影响

全球导航卫星系统（global navigation satellite system,GNSS）接收机伪距偏差是指卫星导航信号非理想特征导致的不同接收机的伪距测量常数偏差。研究表明,接收机伪距偏差无法被钟差参数吸收,将影响GNSS精密应用。选取了多GNSS实验全球跟踪网的9条零/短基线,将基线按照接收机类型分为3组,即相同厂商相同型号、不同厂商以及相同厂商不同型号,通过双差法确定了每组基线GPS/北斗卫星导航系统(BeiDou satellite navigation system,BDS)/伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system,Galileo）的接收机伪距偏差,并分析了接收机伪距偏差的稳定性及其对整周模糊度解算和伪距相对定位的影响。结果表明,不同厂商接收机构成的基线,伪距偏差可达160 cm,即使同一厂商不同型号的接收机间也存在不可忽略的伪距偏差;对于GPS、BDS和Galileo,Galileo伪距偏差最小,BDS伪距偏差最大。此外,接收机伪距偏差具有良好的稳定性,60 d标准差不超过12 cm。接收机伪距偏差改正后,GPS、...