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适用多gnss时间互操作的实时卫星钟差估计

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适用多GNSS时间互操作的实时卫星钟差估计

作者：毛飞宇武汉大学

学位级别：硕士

目前有四大全球卫星导航系统(gnss)共同运行,包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo和中国北斗系统。联合多gnss可以提升位置速度和时间(PVT)解算性能,不过这需要不同gnss系统间具备一定的互操作性,特别是时间互操作性,即解决由卫星... 详细信息

目前有四大全球卫星导航系统(gnss)共同运行,包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo和中国北斗系统。联合多gnss可以提升位置速度和时间(PVT)解算性能,不过这需要不同gnss系统间具备一定的互操作性,特别是时间互操作性,即解决由卫星钟差产品系统间参考时间偏差和接收机内系统间硬件延迟差异共同引起的时间偏差。目前,通常通过引入额外的待估参数解决以上两类偏引起的系统间偏差(ISB),不过增加ISB参数要求用户有更多的观测卫星。对于可视卫星减少的情况,估计ISB参数的方式可能限制多gnss联合解算性能。本文提出了保持稳定参考时间偏差的实时卫星钟差估计方法,旨在帮助用户使用多gnss数据解算时持续使用确定的ISB值,而无需增加额外的待估参数,进一步提升多gnss实时PPP的时间互操作性。首先,本文使用超过5年的数据进行PPP解算估计得到长期的ISB序列。在对参考时间偏差引起的ISB进行统一后,ISB序列的变化表现出接收机硬件延迟差异的变化特性,结果表明大多接收机的硬件延迟差异是长期稳定的,其标准偏差(STD)值可以优于0.3 ns。同时,也有部分接收机的硬件延迟差异表现出季节性变化,与季节温度变化有较强的相关性。对于相同类型的接收机和天线,其硬件延迟差异可能产生超过30 ns的差异。综合以上分析结果,本文以常数或常数加周期项模型对每个接收机的ISB值进行了拟合建模。接着本文介绍了保持稳定参考时间偏差的实时卫星钟差估计方法,该方法以ISB模型为参考调整钟差产品参考时间。使用该方法估计的卫星钟差参考时间偏差大多保持在±0.03 ns范围内;此外,本文以GFZ事后精密卫星钟差产品为参考评估分析了估计的钟差产品精度,结果证明了本文提出的方法不会损害卫星钟差的估计精度。最后,本文通过精密单点定位(PPP)验证了以上钟差产品的应用性能。通过静态PPP解算得到的ISB序列表现出较高的长期稳定性,对于估计值与模型值的绝对偏差值,小于1 ns的比例超95%,绝对偏差的RMS值也大多小于1 ns。本文通过动态PPP解算实验比较分析了使用以上产品固定ISB策略与估计ISB策略的定位解算精度,在可视环境良好时,两种策略解算精度相似;然而在45°截止高度角情况下,固定ISB对可用性的提升达到了21.6%,同时可以显著加快收敛速度,水平方向与高程方向定位误差的平均RMS值分别减小了35.2%和41.6%。基于本文提出的实时卫星钟差估计方法,可以提供具有稳定参考时间偏差的实时卫星钟差产品。用户可以使用该产品对接收机的ISB值进行事先确定,由于接收机硬件延迟是长期稳定的,因此用户在持续使用该钟差产品时,可以在这一时段内固定ISB值进行多gnss联合解算;对于可视卫星数较少的环境,使用该产品固定ISB值也可以提升定位解算的可用性、收敛速度和精度。

关键词：多gnss 实时卫星钟差估计参考时间偏差时间互操作

多gnss数据质量全流程分析软件设计与实现

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城市勘测 2020年第4期 94-96页

作者：窦邵华何骞程铭宇刁锦通广州市城市规划勘测设计研究院广东广州510060

gnss数据质量的好坏直接影响着定位的精度和可靠性。针对目前gnss数据质量分析的主流软件大多操作复杂,需要有一定科研基础,并且每个软件有自己的侧重点,有的不支持四系统,有的不支持可视化。从实际出发,设计并实现了一套多gnss数据质... 详细信息

gnss数据质量的好坏直接影响着定位的精度和可靠性。针对目前gnss数据质量分析的主流软件大多操作复杂,需要有一定科研基础,并且每个软件有自己的侧重点,有的不支持四系统,有的不支持可视化。从实际出发,设计并实现了一套多gnss数据质量全流程分析软件,可以满足从卫星端、传播路径到接收机端的多gnss数据质量分析要求。

关键词：多gnss 数据质量分析广播星历误差伪距多路径接收机噪声零基线

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gnss历元间电离层延迟实时预测

中国矿业大学学报 2019年第5期48卷 1152-1161页

作者：杨旭王潜心常国宾吕伟才中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室江苏徐州221116 安徽理工大学测绘学院安徽淮南232001

为了预测历元间电离层延迟(DID),对其建模,基于方差分量估计的方法在线估计其噪声水平,在分析全球导航卫星系统(gnss)载波相位时间差分观测量的有色噪声特性基础上,提出了有限冲激响应(FIR)有色噪声条件下自适应卡尔曼滤波算法,并进行... 详细信息

为了预测历元间电离层延迟(DID),对其建模,基于方差分量估计的方法在线估计其噪声水平,在分析全球导航卫星系统(gnss)载波相位时间差分观测量的有色噪声特性基础上,提出了有限冲激响应(FIR)有色噪声条件下自适应卡尔曼滤波算法,并进行实时估计与预测;结合该预测值辅助进行分步式双/三频非差观测量的周跳探测与修复,首先求取宽/超宽巷周跳,然后考虑DID预测值与载波信号的相关性,估计载波信号第三频率上周跳(N3),最后周跳修复后的载波信号用于估计DID.不同频率下的北斗卫星导航系统(BDS)实测数据实验表明:1)求取的DID预测值、估计值、二者差值的标准差不超过1.4,1.5,0.7 cm;2)该DID辅助双/三频周跳探测与修复,其成功率为100%.

关键词：多gnss 电离层延迟自适应卡尔曼滤波方差分量估计周跳探测与修复

MGEX和iGMAS的多系统轨道和钟差产品精度分析

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大地测量与地球动力学 2019年第1期39卷 13-19页

作者：计国锋杨志强贾小林长安大学地质工程与测绘学院西安市雁塔北路126号710054 地理信息工程国家重点实验室西安市雁塔中路1号710054 西安测绘研究所西安市雁塔中路1号710054

采用分析中心间互比、SLR残差检核、卫星钟差拟合以及阿伦方差等方法对MGEX和iGMAS提供的多系统轨道和钟差产品精度进行综合分析。结果表明,GPS和GLONASS卫星的轨道精度分别在1.0～1.3cm和2.0～3.6cm,其中iGMAS提供的轨道产品较优。Gali... 详细信息

采用分析中心间互比、SLR残差检核、卫星钟差拟合以及阿伦方差等方法对MGEX和iGMAS提供的多系统轨道和钟差产品精度进行综合分析。结果表明,GPS和GLONASS卫星的轨道精度分别在1.0～1.3cm和2.0～3.6cm,其中iGMAS提供的轨道产品较优。Galileo卫星的轨道一致性在10～17cm,采用ECODE2模型或附加先验模型可有效提高轨道精度。BDS GEO卫星的轨道一致性在数m级,径向精度约为25cm;IGSO和MEO卫星的轨道一致性分别在21～40cm和11～18cm左右,且径向精度分别优于10cm和5cm。MGEX和iGMAS提供的GPS和GLONASS卫星的钟差精度较好,但稳定性和可靠性仍有待提升。Galileo卫星的钟差一致性约为0.2～0.4ns,且钟差产品中吸收了未被模型化的轨道误差。BDS GEO、IGSO和MEO卫星的钟差一致性分别在0.35～0.46ns、0.25～0.33ns和0.11～0.21ns,其中CODE提供的BDS IGSO/MEO卫星的钟差产品受偏航姿态模式影响较大。

关键词：多gnss MGEX iGMAS 轨道和钟差阿伦方差

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一种卫星钟自相关的实时钟差预报算法

测绘科学 2021年第1期46卷 24-35,48页

作者：杨旭王潜心吕伟才安徽理工大学空间信息与测绘工程学院安徽淮南232001 中国矿业大学自然资源部国土环境与灾害监测重点实验室江苏徐州221116

针对实时精密单点定位(RT-PPP)中实时数据流存在中断、延迟等问题,该文构建了顾及卫星钟自相关的随机模型,提出了一种基于方差分量估计的自适应卡尔曼滤波钟差超短期/短期预报算法,评估了连续27d实测法国空间研究中心(CNES)实时数据流CL... 详细信息

针对实时精密单点定位(RT-PPP)中实时数据流存在中断、延迟等问题,该文构建了顾及卫星钟自相关的随机模型,提出了一种基于方差分量估计的自适应卡尔曼滤波钟差超短期/短期预报算法,评估了连续27d实测法国空间研究中心(CNES)实时数据流CLK93产品完整率和精度水平,利用哈达玛方差对比分析了该实时产品与德国地学研究中心(GFZ)事后GBM产品的频率稳定性。利用本文算法与传统卡尔曼算法对两类产品进行预报,结果显示:CLK93产品BDS系统(C)、GPS系统(G)、GLONASS系统(R)、Galileo系统(E)30s和1min预报精度分别平均提升了8.50%、8.44%、7.20%、6.96%;GBM产品相应4个系统12h和24h预报精度分别平均提升了3.14%、3.53%、0.96%、10.01%。

关键词：实时钟差预报自相关性多gnss 自适应Kalman滤波

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BDS-2/BDS-3精密数据处理理论与方法研究

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BDS-2/BDS-3精密数据处理理论与方法研究

作者：方震龙山东大学

学位级别：硕士

gnss卫星精密轨道和钟差产品是gnss高精度应用的核心产品。当前,针对GPS和GLONASS卫星精密定轨和钟差估计的算法研究和软件开发等方面已有大量研究成果。随着我国北斗三号系统(BDS-3)的建设完成(2020年中旬完成组网),及时提供BDS卫星轨... 详细信息

gnss卫星精密轨道和钟差产品是gnss高精度应用的核心产品。当前,针对GPS和GLONASS卫星精密定轨和钟差估计的算法研究和软件开发等方面已有大量研究成果。随着我国北斗三号系统(BDS-3)的建设完成(2020年中旬完成组网),及时提供BDS卫星轨道和钟差等高精度产品,对BDS定位服务及其应用拓展具有重要意义。因此,本文主要针对BDS-2/BDS-3卫星精密服务产品解算及应用,开展相关研究与分析工作,主要内容包括:1.系统分析了 BDS数据质量,实现GPS单系统以及BDS单系统精密轨道和钟差确定,并分析了 GPS单系统地球自转参数产品解算精度。首先,在BDS数据质量分析方面,采用MGEX网MGUE站观测数据进行分析,结果表明:在伪距多路径误差方面,对于BDS-2卫星:B3IB2I>B1I,而对于 BDS-3 卫星有:B3I>B1I>B1C>B2a。可以看出,BDS的B3I伪距多路径误差最小,且载噪比最高。其次,在GPS单系统精密轨道和钟差确定方面,基于2019年12月两周的实验数据,计算表明,GPS轨道一维均方根误差(1D-RMS)平均值为1.72cm,相应的精密钟差RMS平均值为63.25ps。解算的地球自转参数与IGS最终ERP产品互差的 RMS 分别为:Xp 为 0.060mas,Yp 为 0.087mas,LOD 为 0.035ms。在BDS单系统精密轨道和钟差确定方面,BDS-2和BDS-3卫星精密轨道平均1D-RMS分别为14.64cm和7.91cm,相应的精密钟差RMS平均值分别为222.29ps和156.97ps。实验表明:BDS-3卫星精密轨道和钟差精度均优于BDS-2卫星。最后,鉴于目前BDS-3卫星观测站分布有限,提出采用三天弧段叠加解算BDS卫星轨道的策略。计算结果表明:与外部产品互差比较方面,BDS-2和BDS-3轨道三天解相比单天解分别提高了 13.7%和9%;重叠弧段对比方面,BDS-3卫星轨道精度略优于BDS-2卫星。2.实现GPS/BDS以及GPS/GLONASS/Galileo/BDS联合精密定轨和钟差确定,分析了 GPS/BDS联合定轨的优势,尤其是对BDS轨道和钟差精度的提升情况,并分析了 GPS/GLONASS/Galileo/BDS四系统联合解算地球自转参数的精度。首先,在GPS/BDS联合处理方面,BDS-2和BDS-3卫星轨道1D-RMS平均值分别为7.85cm和5.32cm。与BDS单系统相比,GPS/BDS联合解算BDS-2和BDS-3轨道精度平均提高46.4%和32.7%,BDS-2卫星较BDS-3卫星定轨精度提高更多。钟差解算方面,联合解算BDS-2和BDS-3卫星钟差平均精度分别为152.88ps和116.79ps,相比BDS单系统解算钟差,平均精度分别提高31.2%和25.6%,充分显示了 GPS/BDS联合定轨的优势。其次,在GPS/GLONASS/Galileo/BDS四系统联合解算方面,联合解算GPS卫星轨道1D-RMS平均值为1.54cm,优于IGS精密轨道标称精度。BDS-2和BDS-3 卫星轨道 1D-RMS 平均值分别为 8.24cm 和 5.33cm,GLONASS 和 Galileo卫星轨道1D-RMS平均值分别为3.16cm和3.41cm;钟差解算方面,联合解算GPS、GLONASS、Galileo、BDS-2 和 BDS-3 卫星钟差平均精度分别为 61.14ps、132.76ps、203.56ps、161.72ps和120.59ps。地球自转参数解算方面,四系统联合解算结果与IGS最终ERP产品互差的RMS分别为:Xp为0.052mas,Yp为0.048mas,LOD为0.030ms。充分显示了四系统联合定轨的可行性。3.基于卫星轨道和钟差等精密服务产品,开展了静态和动态gnss精密单点定位(PPP)研究,分析了电离层闪烁对gnss精密单点定位的影响,以及多系统gnss精密单点定位在电离层闪烁期间的优势。基于精密轨道、钟差以及地球自转参数产品,首先实现GPS静态精密单点定位(PPP)实验,结果表明:站坐标定位精度在北向、东向和天顶方向(NEU)以及三维精度分别为2.8mm、4.1mm、6.7mm和8.3mm,相对应的对流层ZTD平均精度为2.1mm。其次,实现GPS动态PPP定位实验,结果表明:平均精度在N、E、U方向和3D综合平均精度分别为1.2cm、1.4cm、3.6cm和4.0cm。相对应的GPS/GLONASS/BDS多系统组合动态PPP定位平均精度在N、E、U方向和3D综合平均精度分别为1.2cm、1.8cm、3.0

关键词：多gnss BDS-3 观测数据质量精密产品解算电离层闪烁

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地影期精密单点定位性能分析

地影期精密单点定位性能分析

作者：朱爽辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

当gnss卫星运行至太阳、地球近似共线时,卫星很难维持名义姿态,将出现一段时间的偏航姿态异常。如果使用不正确的姿态控制模型,由于卷绕效应和卫星天线相位中心偏移引起的误差将会影响定位精度。由于不同代卫星采用不同的姿态控制模型,... 详细信息

当gnss卫星运行至太阳、地球近似共线时,卫星很难维持名义姿态,将出现一段时间的偏航姿态异常。如果使用不正确的姿态控制模型,由于卷绕效应和卫星天线相位中心偏移引起的误差将会影响定位精度。由于不同代卫星采用不同的姿态控制模型,对其定位性能的影响值得进一步研究。然而,以往的研究主要集中在卫星姿态控制模型的建立上。同时,PPP也被广泛应用于科学研究和民用领域。为了获得高精度和可靠的定位性能,还应了解当卫星处于地影期时对精密单点定位的影响。固针对以上问题,本文具体工作有以下几个方面:(1)首先介绍了gnss精密单点定位的基础理论。包括坐标与时间的转化;gnss观测值及其观测方程、观测方程的线性化和多频观测值常用的线性组合;gnss定位中的主要误差来源和相应的误差处理方法,最后介绍了参数估计的方法。(2)总结了现在有卫星偏航姿态模型,及开源软件的姿态估计方法。并结合动态定位结果分析现有开源软件在姿态异常时期的定位表现。最后基于实测数据进一步分析了卫星偏航姿态对其精密定轨的影响。(3)根据地影期监测结果,选择2020年7月31天的65个全球分布的MGEX站,在静态和动态模式下进行G/R/E/C/GR/GREC的PPP定位实验。结果表明,当卫星处于地影期时跟姿态控制模型无关和PCO值的大小、最大偏航角差、机动时间、太阳角和卫星几何强度有关。对于单系统,采用建模姿态而非名义姿态将大大提高GLONASS和BDS的定位精度,而对GPS和GALILEO PPP的影响较小。删除地影期卫星有时可能会导致较长的收敛时间和较差的几何结构。当多个gnss数据可用时,特别是四个导航系统,使用模型姿态或删除地影期卫星的精度提高不显著。(4)选择2020年110-139天共30天的GPS观测数据进行精密定轨,光压模型选择选择5参数的ECOM模型(ECOM1)和先验BW模型。其中,BW的系数分别选择IGS重处理3推荐的BW系数和ABW系数。随后选择7个站进行PPP实验。实验结果表明,ECOM1和ABW组合得到轨道精度最高,非地影期的三维轨道精度优于4cm。对于静态PPP,收敛后水平方向优于1.0cm,垂直方向优于1.2cm;对于动态PPP,收敛时间在30min左右,收敛后水平方向1.5cm,垂直方向优于2.0cm。该论文有图幅33个,表15个,参考文献72篇。

关键词：姿态控制模型光压模型轨道法向模式多gnss 精密单点定位

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gnss PPP模糊度固定方法研究

GNSS PPP模糊度固定方法研究

作者：李江伟西安科技大学

学位级别：硕士

精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）是当今gnss定位技术发展的热点,它由上世纪九十年代逐渐发展起来,具有适用性强,灵活性高,作业条件简单等优点。精密单点定位受基站和观测网络限制,通过单台接收机即可完成作业,应用范围广... 详细信息

精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）是当今gnss定位技术发展的热点,它由上世纪九十年代逐渐发展起来,具有适用性强,灵活性高,作业条件简单等优点。精密单点定位受基站和观测网络限制,通过单台接收机即可完成作业,应用范围广阔,但这也造成了模糊度固定困难的问题,因此大量学者将PPP的研究聚焦在了模糊度固定上。随着各国gnss的发展,多gnss融合也受到越来越多的学者关注,利用多gnss融合提供的更为丰富的观测量,可以极大程度上提高平差的冗余度,对于加速PPP定位收敛,提升模糊度的固定率和固定速度都有积极意义。本文针对PPP模糊度固定问题进行了如下研究工作:（1）针对相位偏差改正理论和小数周偏差改正算法展开了介绍,包括误差结构、小数周偏差估计理论和算法等,并分析评价了本文生成的改正数的稳定性与可用性。实验表明,在15天的尺度范围内,除部分BDS-2的GEO卫星外,各gnss卫星的宽巷小数周偏差均有较为稳定的表现,窄巷小数周偏差随时间的变化量也较为稳定。（2）梳理了模糊度固定的基本理论和算法,针对模糊度可靠性检验和不完全模糊度算法进行了讨论,并基于相应算法模型在开源软件包上实现了 PPP模糊度固定解。此外,还对固定解的固定速度、收敛性、历元固定率和定位精度进行了评估,实验表明,利用小数周偏差产品改正相位偏差并使用不完全模糊度固定算法后,GPS模糊度历元固定率可达80%以上,收敛速度综合提升26.07%,最终定位精度综合提升19.15%。（3）针对BDS-2星座的特殊性提出了相应的误差处理策略,并就多gnss融合的关键问题——系统间偏差和模糊度融合策略展开了研究,确立了以随机游走模型和系统内单差为基础的多gnssPPP固定解处理策略。实验表明,多gnss较单gnss定位性能提升明显,平均固定所需时间缩短为28.42min,平均历元固定率达88.42%,平均三维位置精度可达1.087cm。

关键词： PPP 多gnss 模糊度固定小数周偏差历元固定率收敛速度

系统时间偏差数据对四系统定位性能的改善评估

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时间频率学报 2017年第4期40卷 231-239页

作者：王欢张慧君李孝辉中国科学院国家授时中心西安710600 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室西安710600 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学天文与空间科学学院北京100049

随着全球导航卫星系统GPS,GLONASS,Galileo以及BDS的快速发展,多gnss(全球卫星导航系统)联合定位因其有诸多优点而越来越受到关注。然而,系统之间的时间偏差是多系统联合定位导航时需要重点解决的问题之一。研究了多系统组合定位中系统... 详细信息

随着全球导航卫星系统GPS,GLONASS,Galileo以及BDS的快速发展,多gnss(全球卫星导航系统)联合定位因其有诸多优点而越来越受到关注。然而,系统之间的时间偏差是多系统联合定位导航时需要重点解决的问题之一。研究了多系统组合定位中系统时间偏差的处理算法。在此基础上,利用四系统测地型接收机的实测数据,结合中国科学院国家授时中心的gnss系统时间偏差监测数据,初步研究并分析了四系统的定位性能,详细比较分析了不同截止高度角情况下,使用先验的系统时差以及用户端解算系统时差的多系统组合定位精度。试验结果表明:利用系统时间偏差监测数据进行多系统组合定位可以有效的改善定位精度。此外,在截止高度角大于30°的环境下,由于可见卫星数目不多导致单系统无法连续定位,而多系统仍可以连续定位并且达到较高的精度,这对半城市化、城市峡谷等环境具有一定的应用价值。

关键词： gnss系统时差多gnss 组合定位定位精度 DOP