卫星导航空间信号用户测距误差评估方法

空间信号（SIS）精度是卫星导航系统的基本性能之一,而卫星的用户测距误差（URE）是SIS 精度的重要指标。基于轨道误差及钟差误差研究了GPS（全球定位系统）和BDS（北斗卫星导航系统）的SIS URE评估方法,并利用实测数据评估了GPS和BDS的SIS性能。验证结果表明：GPS的SIS URE均优于2.2 m,BDS SIS URE除GEO-01和GEO-04卫星外均优于2.5 m,符合GPS 标准定位服务性能规范（2008年）及北斗卫星导航系统公开服务性能规范（1.0版）对SIS URE的指标要求。     

基于北斗卫星导航系统非组合精密单点定位算法的精密授时精度研究

全球导航卫星系统(GNSS)精密单点定位(PPP)技术具有操作简单、成本低廉、定位精度高等优点，在精密授时领域得到了广泛应用。针对现有研究中消电离层PPP模型的组合噪声大、卫星系统多采用全球定位系统(GPS)及实时动态场景少等问题，该文采用非组合PPP模型对北斗卫星导航系统(BDS)精密授时精度开展了研究，并利用Kalman滤波静态模型和动态加速模型进行参数估计。给出了静态和实时动态场景PPP处理策略，并利用超快速预报星历保证动态实时性。结果表明:在静态和实时动态条件下，非组合PPP模型精密授时精度均优于消电离层组合PPP模型；在静态条件下，考虑到BDS和GPS定位精度相当，且亚太地区BDS定位精度更高，BDS授时精度略高于GPS；在实时动态条件下，BDS和GPS精密授时精度在2 ns以内，但BDS授时精度略低于GPS，这是由于空间位置精度因子(PDOP)、载体速度突变和环境因素等的影响，而当完成收敛后，两种系统的授时精度相当，其钟差项中误差均在0.3 m以内。     

低轨卫星广播星历参数设计

导航增强卫星从高轨拓展到低轨(Low Earth Orbit,LEO),需要针对低轨卫星设计可靠的广播星历参数模型。传统的广播星历主要针对中高轨卫星设计,如果直接用于受摄动力更复杂的LEO卫星,星历拟合的URE精度难以达到要求。针对低轨卫星的受力特性,在ECEF坐标系内分别利用多项式和多项式+周期项2种方案来进行经验力(除地球扁率以外的摄动力)建模,设计了2种基于轨道列表型的16参数广播星历参数模型;将拟合时间设定为卫星的地面最大可见时间,以减少用户更新星历频率。300～1 500 km高度的轨道拟合实验表明,利用多项式+周期项建立经验力的16参数星历拟合精度更高,其R/T/N三个方向拟合误差分别优于10/10/3 cm,URE优于9 cm。     

GPS空间信号可用性评估算法

在民航等应用领域,卫星导航系统的可用性是决定其能否作为唯一或主要导航系统的关键性能指标。主要对GPS卫星导航系统的空间信号(SIS)可用性进行评估分析,研究一种基于马尔可夫过程的卫星导航单星可用性算法模型,并研究对卫星导航星座可用性的评估模型。结合GPS实测数据和GPS标准定位服务性能标准(GPS SPS PS)中的可用性指标,证明提出的空间信号评估模型有效且符合GPS SIS可用性指标要求。研究结果对我国北斗卫星导航系统可用性的评估具有一定的参考价值。     

BDS/GPS组合导航RAIM可用性分析

采用RINEX数据实验比较了北斗卫星导航系统(BDS)和全球定位系统(GPS)电离层Klobuchar模型在BDS/GPS组合导航中的性能。选择相对较优的电离层模型分析了基于卫星星座类型和卫星类型两种加权情况下,单一北斗、单一GPS与BDS/GPS组合导航系统在非精密进近(NPA)阶段和一类垂直引导进近(APVⅠ)阶段的RAIM可用性。实验表明,在BDS/GPS组合导航中,BDS的Klobuchar模型在中国区域内能修正大量的电离层误差,相比于GPS的Klobuchar电离层模型,电离层延迟修正有0-3.4364 m左右的提高。对于两种加权RAIM算法,在NPA阶段,单一导航RAIM可用性为90%左右,BDS/GPS组合导航的RAIM可用性达到100%。而在APVⅠ阶段,单一导航不具备APVⅠ能力,组合导航APV I阶段RAIM可用性达到100%,具有提供APV I应用的能力。      

利用GAMIT研究北斗三号中、短基线解的精度

为验证北斗三号系统在省级区域基线解的精度,以某省11个可观测到北斗全星座信号的测站,对BDS/GPS观测数据质量进行了分析,利用高精度GNSS解算软件GAMIT 10.75结合精密星历进行了分组解算。实验结果表明,GPS卫星较BDS卫星有更多的周跳,BDS全星座基线解内符合精度优于GPS系统,各方案基线相对精度均达到了10^-8,方案之间基线解较差不超过12 mm,可满足工程控制网测量精度。     

北斗三号卫星伪距测量误差特征分析

随着卫星导航系统广播星历和钟差参数的精度提升,下行导航信号伪距测量误差对于用户定位授时精度的提升益发显著。由于独特的卫星星座和系统体制,北斗二号卫星伪距测量与仰角呈现线性相关的变化特征,且幅度显著于 GPS 卫星,是北斗二号服务性能提升的关键瓶颈。 随着北斗三号系统的建设,空间星座逐步以 MEO 卫星为主。本文利用 iGMAS 公开数据全面评估北斗卫星下行伪距测量的多路径误差特征,结果表明,北斗三号卫星伪距多路径误差随仰角变化的趋势已得到明显改善,峰峰值为±1m,分布较为随机,与 GPS 卫星特征类似。     

星钟/星历完好性监测技术研究

星基增强导航系统(SBAS)通过向用户提供用户差分距离误差(User differential range error, UDRE)，来保证广播星历和星钟改正数的精度。本文设计了 UDRE 的一种改进算法， 建立卫星导航系统星钟和星历误差的状态方程和量测方程，进行卡尔曼滤波计算星历与星钟误差改正数与改正精度，通过滤波误差估计精度矩阵计算 UDRE，针对基准站对卫星 UDRE 影响因素， 仿真分析基准站高度截止角和数目分布对三种卫星倒 DOP 及 UDRE 的影响，仿真结果表明：基准站的高度截止角选为 15°，基准站数目选择 20 个以上较为合适。     

GNSS空间信号连续性监测与评估

针对全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System）连续性指标性能评估对民航领域的用户的重要影响,本文以GPS（Global Position System）为代表,从可靠性原理出发提出了一种空间信号SIS（Signal-In-Space）连续性的基本评估模型;然后,对联邦航空局FAA（Federal Aviation Administration）发布的从1999年到2015年的GPS故障报告进行统计分析,得到每颗卫星的连续性概率;最后,与GPS 2008年版的标准定位服务性能标准（GPS SPS PS）发布的连续性指标进行对比,验证了GPS SIS的连续性的符合性。另外,文中针对我国北斗卫星导航系统的现状,提出了北斗卫星导航系统连续性性能监测与评估的建议。本文对北斗导航系统关于连续性的研究具有重要的参考价值。     

北斗卫星导航系统URE与定位精度分析

北斗卫星导航系统已具有区域无源导航能力,为了研究当前可用星座情况下的系统定位精度,首先分析用户等效测距误差(UERE)结合精度因子(DOP)值的精度评估方法计算模型,然后利用上述方法采用实际数据对比分析了北斗卫星导航系统和GPS系统一段时间内的静态定位精度。通过分析得出,在该段时间内北斗系统定位精度在水平方向上误差优于5 m,在高程方向上误差优于15 m。     

GPS系统解的误差因素探究

由GPS卫星导航系统确定的位置与时间解的精度最终可表示为三维位置几何精度因子和站星伪距的测量误差因子之积。几何因子表示卫星与用户的相对几何布局对GPS系统解的误差的复合影响。一般地,将它称作卫星/用户几何布局相关的三维位置几何精度因子(DOP)。文章详细论述了影响GPS卫星导航定位的各种误差和几何精度因子的数学推导,揭示了GPS系统解的误差因素。     

BDS实时精密单点定位性能分析

以GFZ事后精密轨道与钟差产品为参考,评估CNES实时轨道与钟差精度。基于CNES实时轨道和钟差,对18个MGEX地面站进行了实时精密单点定位(Real-Time Precise Point Positioning, RT PPP)测试,以GPS为参考分别对比分析了BDS3、BDS2+3的RT PPP的性能。结果表明,GPS实时轨道三维精度优于11 cm,实时钟差精度约为0.02～0.06 ns, BDS非GEO卫星实时轨道三维精度优于33 cm,钟差精度约为0.05～0.29 ns。BDS与GPS三维定位精度基本相当,约为5～6 cm。GPS平均收敛速度约为59 min, BDS平均收敛时间约为124 min。相对于BDS3、BDS2+3在E、N、U三方向的定位精度分别提升9.9%、6.7%、2.6%,3D定位精度提升5.8%,收敛速度提升20.2%。     

通用航空GPS/BDS机载设备研究及设计

本文描述了 GPS/BDS 机载设备的总体架构和详细设计方法。基带处理部分,给出了基于 PMF-FFT 的捕获算法。基带处理电路主要完成对射频通道传送过来的中频信号进行采样、 数字滤波、信号处理、功能解算等功能。GPS/BDS 机载设备具备兼容 GPS、BDS 和 GLONASS 卫星导航系统的能力;具备卫星导航系统历书、星历、原始测量数据输出、RAIM 处理、差分处理、多种数据格式输出、BIT 系统自检、工作状态提示等能力。     

BDS/GPS精密单点定位性能分析

北斗特殊的卫星星座布局导致不同地域用户的卫星观测结构存在差异,基于XMIS、POHN和MAYG站的数据讨论了北斗星座结构对精密单点定位(PPP)技术定位性能的影响,分析了BDS观测数据对BDS/GPS联合PPP定位的改善。分析表明,北斗卫星几何结构和卫星频繁升降是导致北斗动态PPP定位精度差的重要原因,因此,对于北斗系统地面观测条件较差的用户站而言,无法基于单北斗动态PPP实现高精度定位,但是可将北斗系统作为有效补充,采用BDS/GPS联合PPP动态定位方式进行高精度定位,虽然该方式对定位精度改善不明显,但是可有效改善收敛速度(约为20%~45%)。     

“北斗”卫星导航系统仿真与全球覆盖分析

为了解“北斗”卫星导航系统( BDS)的星座分布及其正式运行后卫星在全球范围内的覆盖情况,依据BDS卫星轨道参数,使用卫星工具包( STK)构建了完整的BDS空间星座,对BDS卫星轨道信息、可见性以及对地覆盖品质进行分析。在对可见性及覆盖品质的分析中,分别仿真分析了在4个不同的城市和全球范围进行观测得到的几何精度因子( GDOP)和导航精度等参数性能。研究结果对分析BDS系统的服务性能以及提高BDS的导航精度有一定的参考意义。     

GPS历书与星历相结合的完整星座预测方法

针对用GPS历书预测卫星位置精度不高的问题,分析了历书和星历参数之间的差别,重点研究了卫星位置预测的算法,提出了历书和星历相结合预测可视范围内完整星座的方法,在此基础上对不同时间点的卫星位置进行了预测仿真。结果表明,采用历书和星历相结合的方法预测卫星位置,可以局部提高可见卫星的位置精度。该方法能满足对卫星位置预测精度有一定要求的GPS应用。     

GPS系统的关键性能分析（中、下）

第十五讲 3.3 GPS系统服务可用性 由于例行的导航卫星维护需求、导航卫星星座漂移以及用户测距误差URE特性变化等原因，服务可用性每天都会有小的变化。导致上述变化的原因有以下五个方面。     

BDS RTK定位性能分析

目前,我国北斗三号基本系统已经建成并向全球提供公开服务,随着北斗卫星导航系统服务范围的扩大,北斗定位技术的应用正在逐渐增加,因此北斗的定位性能显得尤为重要。采用扩展卡尔曼滤波（EKF）和MLAMBDA算法基于天津地区实测数据,从卫星可见性、PDOP值、定位误差等方面对BDS及GPS、BDS/GPS的RTK定位性能进行较全面的对比分析。试验结果表明:?静态基线下,BDS RTK平面定位精度约为3.25cm,垂直定位精度约为5.98cm;?动态基线下,速度对定位精度有一定影响,BDS RTK最差定位精度不超过9cm。说明BDS在不依赖于其他卫星系统的情况下定位精度可达厘米级,足以满足日常测绘定位需求。以上研究内容为BDS用户提供了相关参考信息。      

GPS L1频点授权信号质量评估

GNSS信号的空间信号(SIS)质量直接影响用户的定位、测试和授时(Positioning, Velocity and Timing, PVT)服务精度,但由于授权信号保密等原因,授权信号的伪码序列未知,卫星导航系统授权信号质量评估存在一定的困难性。该文主要分析GPS BIIF-5卫星L1频点的相干自适应副载波调制(CASM)信号,利用匹配滤波理论恢复出采集数据中的P(Y)码和M码两个授权信号分量的伪码符号,采用极大似然估计结合信号分布特点准确求解出各信号分量之间的功率分配。重点分析P(Y)码和M码信号相关性能,包含相关曲线、相关损失和S曲线过零点偏差(S-Curve bias),定量地评估了授权信号的空间信号质量。提出完整的基于GPS L1频点授权信号质量评估方法,研究成果可作为其他卫星导航系统授权信号质量评估的参考。     

GPS卫星精密星历插值在靶场数据处理中的比较

为了提高目标在地心坐标系的绝对定位精度,降低星历误差对单点定位和相对定位的影响,必须采用GPS卫星的精密星历。精密星历在GPS数据处理时需构造合适的插值模型进行内插,才能得到任意时刻卫星的位置。分析比较了2种经典的多项式插值及逐次线性插值的Neville算法的数学模型及插值结果,探讨了3种插值算法的适用范围,得到了适用于靶场精密星历的处理的插值方法。