北斗卫星天线相位中心改正在PPP中的应用研究

基于我国时间基准UTC(NTSC)系统,开展北斗天线相位中心(APC)改正在精密单点定位(PPP)以及高精度时间比对中的应用研究。通过接收机实测的北斗数据以及国际GNSS服务(IGS)中心提供的北斗精密钟差产品、轨道产品和IGS发布的多系统APC改正文件,进行北斗精密单点定位数据处理。结果表明,APC改正前后的精密单点定位X、Y、Z 3个方向上的误差均方根分别为0. 011 0、0. 021 2、0. 009 5 m以及0. 002 6、0. 007 1、0. 003 7 m,可以看出修正后的定位精度具有明显的提高。同样在零基线共钟时间比对以及远距离时间比对方面,两接收机同源零基线比对结果的标准偏差由未进行APC修正前的0. 148 2 ns降到修正后的0. 093 0 ns;远距离高精度时间比对结果的标准偏差从修正前的0. 302 9 ns降低到修正后的0. 266 8 ns,时间比对的短期稳定度也有所提高。因此,随着北斗系统的建设以及国际GNSS服务分析中心的相关北斗精密产品的不断完善,北斗的服务精度将越来越高。     

北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析

北斗三号全球系统已开始为全球用户提供稳定可靠的高精度定位、导航与授时服务。 本文基于我国国家标准时间频率 UTC(NTSC)系统,开展北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析,通过实测数据开展研究并试验了北斗三号非差组合载 波相位时间比对在零基线与长基线时间比对方面的性能,并在此基础上开展北斗三号与 GPS 融合载波相位时间比对试验。 结 果表明,零基线比对中,两接收机共钟比对钟差的标准偏差优于 0. 3 ns;长基线比对中,利用北斗三号非差组合载波相位时间比 对以及融合载波相位时间比对获得的亚欧两守时实验室之间的比对钟差与国际权度局基于 GPS 时间比对链路获得的钟差具 有较好的一致性,钟差的频率稳定度和时间稳定度与国际权度局发布的结果基本一致,且残差的均方根均优于 0. 25 ns,试验结 果满足亚纳秒量级的时间比对应用需求。     

基于抗差方差分量的伪距/多普勒联合测速方法

为充分利用单频全球导航卫星系统(GNSS)接收机的卫星观测数据,提出基于单频码伪距和多普勒两类不同精度的观测值,联合解算接收机速度的方法,同时为平衡不同精度观测值之间的权重比例,抑制不良观测值对平差模型的影响,采用抗差等价权与方差分量估计相结合的方式建立适配的平差随机模型。通过大量的实验数据解算表明,所提出的联合测速方法使得码伪距和多普勒观测值得到更为充分有效的利用,并且在一定程度上提升了平差结果的鲁棒性、无偏性以及有效性。     

恶劣环境下GPS接收机定位算法研究

为了解决在恶劣环境下卫星信号被遮挡时GPS接收机无法定位的问题,将接收机钟差等效为可见卫星,并根据钟差预测值辅助GPS接收机进行定位解算.提出了基于时间序列分析理论的接收机钟差组合预测模型,然后将钟差预测值引入到GPS接收机中,通过扩充观测方程以实现接收机三维定位解算功能.分别在静态以及动态情况下应用实测数据进行验证,结果表明:该模型适合于钟差序列预测;在仅有3颗卫星的恶劣环境下,该方法可以提供满足导航定位精度要求的GPS接收机三维定位信息.     

基于 PPP 和共视技术的改进 PPP 时间频率传递方法

PPP 时间频率传递技术是高精度 GNSS 时间频率传递技术之一,且具有精度高、范围广、低成本等特点,而共视时间频 率传递的站间差分能够消除卫星钟差和削弱电离层、对流层等路径误差,本研究结合两种方法的优点实现了一种改进 PPP 时 间传递方法。 实验选取了 5 个连接 UTC(k)和 1 个外接高精度氢原子钟的 IGS 测站,建立了零基线、短基线和长基线链路评估 该方法的时频传递性能,实验结果表明,以 IGS 最终钟差产品为时间参考,改进 PPP 时间传递精度相比 PPP 提高了 2. 55% ~ 17. 78% 。 零基线链路频率稳定度达到 2. 0×10 -17 / 600 000 s,且不切换共视星时,其短期频率稳定度优于 PPP,长期频率稳定度 与 PPP 相当;非零基线链路中各链路的改进 PPP 在时间间隔 10 000 s 以后的频率稳定度相对于 IGS 最终产品和 BIPM PPP 有 10% 左右的提升。     

北斗测距信号评估与精密单点定位应用研究

随着全球导航系统的建设和发展应用,我国北斗导航系统也开始逐步向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。基于我国时间基准UTC(NTSC)系统,开展北斗导航系统测距信号评估与精密单点定位(PPP)应用研究。通过实测数据首先分析北斗测距B1、B2频点的信噪比以及周围观测环境所引起的多路径影响。同时,讨论了北斗精密单点算法,并利用实测数据以及GNSS服务中心IGS国际多模GNSS实验工程(MGEX)提供的精密轨道和钟差产品进行精密定位解算。结果表明,B2频点信号的接收性能优于B1频点,北斗精密单点定位计算的结果在X、Y、Z 3个方向上的误差基本保持在cm级,解算的本地时相对于IGST偏差的频率稳定度短稳达到了10~(-14)量级,与全球定位系统(GPS)精密单点定位性能基本相当,表明我国北斗系统可用于ns级高精度时间传递。     

伽利略星载被动型氢原子钟性能评估

伽利略卫星导航系统(GNSS)提供高精度的定位导航授时服务已经一年有余,很有必要对这个阶段的星载钟性能进行评估,相关方法能够为我国北斗三代星载氢原子钟的评估提供参考。基于此目的,从多个角度分析了伽利略卫星导航系统正式运行期间所有可用星载氢原子钟的性能。表明哈德玛方差为适用于星载氢原子钟的时域频率稳定度统计方法;将采样间隔为5 min的钟差序列重采样为低频序列时,对于星载钟稳定度几乎没有影响;缺失数据天数越多,对星载钟稳定度影响越大,还表明星载钟的噪声类型和星载钟稳定度关系密切。     

基于半参数均值漂移模型的BDS卫星钟差异常探测与修复

BDS卫星钟在轨运行过程中,由于空间环境干扰及信号异常等情况,获取的钟差数据中经常会包含异常值。为了有效探测与修复异常值,提出了一种基于半参数均值漂移模型的算法处理钟差数据中的异常。首先,考虑到钟差数据中存在的系统误差,构建了更加符合钟差序列实际变化特点的半参数钟差模型;然后在此基础上引入了半参数均值漂移模型,利用Score统计量对该模型的假设检验进行求解,实现了异常值的定位,对异常定位后的钟差数据进行分组,进而推导出了异常值估值的表达式。最后采用国际GNSS监测评估系统的BDS精密钟差产品,进行单天和多天数据的试验分析,结果表明该算法可以自动准确的探测出钟差数据中的异常并能够精确估计出异常值的大小,异常值估值的平均误差小于0.071 ns,从而实现了适时有效地对异常历元进行修复;同时该算法处理钟差数据异常的效果优于传统MAD法,其预处理后的数据对QP钟差模型和Semi-Com钟差模型的拟合精度分别达到0.612 6和0.034 92 ns。     

基于改进的卫星共视法的远程时间比对研究

为了解决标准卫星共视法中存在的两个局限性:一是其完整的观测周期为16 min,只有13 min有观测数据,存在3 min观测间隙;二是数据事后交换处理模式,导致比对结果生成严重滞后,不满足实时性的要求。本文提出了一种改进的卫星共视法,改进的卫星共视法不使用国际权度局规定的共视跟踪表,而是采用时间频率连续比对的方法,以10 min(或其整数倍)作为一个观测周期,并同时对观测数据进行处理,当一个周期结束时,立即进入下一个观测周期,去除了标准卫星共视法中每个观测周期内的观测死区时间,增加了观测数据量,实现了时间频率的连续比对。最后,文中利用改进的卫星共视法研制了一套高精度远程时间频率校准系统,并与标准卫星共视法比对结果进行了对比分析,得出零基线情况下,改进的卫星共视法授时精度达到0.295 ns,与相同条件下标准卫星共视法比对结果 0.554 ns相比有了提高。另外,在长基线条件下,改进卫星共视法的授时精度达到3.12 ns,频率稳定度天稳达到8.24 e-14。     

基于混沌时间序列的GPS卫星钟差预测算法

针对现有钟差预测模型对卫星钟差的非线性特性难以精确预测的特性,提出一种基于混沌时间序列的卫星钟差预测算法。该算法首先通过对钟差序列进行相空间重构,求得最大李雅普诺夫(Lyapunov)指数证明其混沌特性,然后分别采用零阶加权局域预测法和一阶加权局域预测法对钟差序列进行预测,最后将预测结果与国际GNSS服务(IGS)精密钟差值进行比较,得到算法的预测精度。以采样间隔为30 s,时长约为23 h的全球定位系统(GPS)卫星钟差序列进行预测,结果表明15 min内,IGS真实值和预测值的绝对偏差在1 ns以内,绝对偏差平均值在0.3 ns以内。将该算法应用于卫星钟差的预测中,可以实现对卫星钟差非线性特性的短期精确预测。     

一种卫星双向时频传递设备时延差的标定方法

利用卫星双向时间频率传递方法可以实现精度优于1 ns的远程时间同步。卫星双向设备时延差是影响双向比对结果的一项主要误差。目前,国际上通用的方法是利用一套可移动的双向校准设备实现对两套卫星双向设备时延差的校准。该方法存在设备成本高、占用通信卫星资源且对天气条件要求较高等问题。随着i GMAS站和其他监测站点的建设,越来越多站点的接收机监测数据资源可用。提出一种利用各站点监测数据实现对卫星双向设备时延差的校准方法。当卫星双向比对两地同时具有监测数据可用时,可以通过事后数据处理的方式校准两地卫星双向设备的时延差。校准的主要思路是利用精密星历、钟差和电离层产品,从每颗星的伪距测量值中扣除传播路径中的各项延迟,得到本地与导航系统时间的时差。通过对所有可见星的时差结果进行加权、滤波,并扣除接收机间的相对时延,得到比对两地的全视站间钟差。最后,通过与同时段的卫星双向结果进行比较,得到两地卫星双向设备的时延差,校准精度优于1 ns。虽然该方法无法实现亚纳秒量级的校准,但是可以较为简单地标定出两地卫星双向设备的时延差,可以满足纳秒级的时间同步应用需求。     

光纤时间传递溯源钟差粗差探测算法

卫星导航系统时间对溯源链路的可靠性和同步精度提出要求。采用光纤时间传递技术实现的溯源链路可获得高精度的溯源钟差,提高卫星导航系统时间同步精度。但由于光纤传输链路、光纤设备和基准输入信号等中断或干扰降低溯源链路可靠性并导致溯源钟差存在粗差影响溯源模型精度,因此需要对溯源链路状态实时监测,并在估计溯源模型参数前对溯源钟差数据进行粗差探测。对此,通过引入最小二乘推估理论,推导基于光纤时间传递的溯源钟差拟合残差统计特性,提出针对光纤时间传递溯源钟差的滑动窗口粗差实时探测方法。实验以某卫星导航试验系统长度为56 km、时间传递不确定度优于100 ps的光纤溯源链路实测钟差数据为例,验证了所提方法的可行性与有效性。     

一种高精度导航卫星钟差中长期预报方法

为了提高卫星钟差中长期预报的精度,提出了一种基于冯德拉克滤波一次差的修正指数曲线法模型的卫星钟差中长期预报方法。该方法首先在建模之前考虑到卫星钟差钟跳和粗差频繁的现象,采用中位数法探测钟跳和粗差数据并将其剔除后,采用拉格朗日插值法将缺失的钟差数据补齐;其次,考虑到卫星钟差数据存在系统误差和随机误差,采用冯德拉克滤波平滑法对钟差数据进行平滑处理;然后,考虑到卫星钟差的有效数字位数较多,会降低模型的预报性能,采用一次差处理消除钟差序列趋势项的影响后,建立了修正指数曲线法预报模型;最后,采用IGS服务器上发布的事后精密卫星钟差产品,并结合2种典型变化趋势的卫星钟差进行了未来4个时间段的中长期预报实验。实验结果表明,该方法的中长期预报性能明显优于常用的二次多项式模型和灰色模型,其60 d的平均预报精度(RMS)相对于常用的二次多项式模型和灰色模型分别提高了92. 00%和80. 80%,平均预报稳定度(Range)相对于常用的二次多项式模型和灰色模型分别提高了92. 40%和81. 40%。     

故障修复增强的抗差滤波 PDR/ GNSS 行人导航方法

针对复杂环境下智能手机卫星信号容易受到干扰而引起组合导航精度降低的问题,提出一种基于故障修复的抗差滤波 行人导航方法。 该法首先利用等价权因子实时调整观测权值,以有效地减少观测粗差对组合导航精度的影响。 其次,针对松组 合系统没有观测冗余的模型局限性,将抗差扩展卡尔曼滤波检测区间分为无故障、偏离和异常 3 段。 无故障时,不做处理;出现 偏离时,对观测值进行降权处理;异常情况下,利用预测新息对故障进行幅值修复,进而修正观测值。 实际实验结果表明,当 GNSS 出现单历元故障时,经典的抗差滤波方法能够有效提高智能手机 PDR/ GNSS 组合导航定位精度,其北向最大误差由 7. 27 m 减小为 3. 20 m,东向最大位置误差由 24. 01 m 减小为 6. 60 m;在 GNSS 出现多历元连续故障时,所提出的故障修复增强 的抗差滤波方法相比经典的抗差滤波方法的平均定位误差下降了 50% 以上。     

一种基于Rake结构的GNSS多径信号捕获方法

为了提高多径环境下的GNSS接收机性能,在GNSS接收机设计中引入Rake结构,提出一种基于Rake结构的多径信号捕获方法。首先对GNSS系统中的多径信号特性及其对接收机性能的影响进行了分析。然后,在此基础上阐述基于Rake结构的GNSS多径信号捕获方法原理,并给出该方法的具体实现过程。最后,通过仿真实验证明了该方法对GNSS信号中的多径成分具有有效的捕获能力,将该方法用于GNSS接收机后可以显著提高接收机的定位精度。     

基于鲁棒马氏距离统计量的多源融合抗差估计方法

为了有效抵御复杂多变城市环境下的全球卫星导航系统(GNSS)信号干扰、增强多源融合定位可靠性,提出一种基于鲁 棒马氏距离的多源融合抗差估计方法。 该方法在分析观测值故障传播特点以及典型方差膨胀抗差估计模型基础上,基于相邻 新息序列构造鲁棒马氏距离检验统计量。 历史新息的引入能够提高系统观测冗余,同时不同观测量间的新息交互增强了异常 检验统计量的鲁棒性。 根据鲁棒马氏距离的统计特性,给出抗差关键门限取值规则并分别结合两种典型加权策略自适应调节 观测值噪声矩阵。 利用典型城市峡谷环境下惯性导航系统(INS) / GNSS / 激光雷达(LiDAR) / VINS 多源融合车载数据进行相关 实验,与现有方法相较,所提方法能够将三维均方根定位误差最低限制在 3. 37 m。 通过对比不同组显著性水平下的定位结果, 进一步说明所提方法在城市峡谷环境下定位的优越性。     

小波滤波在时间同步系统中应用研究

利用全球导航卫星系统(GNSS)接收机输出的秒脉冲(1PPS)信号作为标准信号,对本地振荡器输出的1PPS信号实施同步,实现了时间同步系统。针对GNSS接收机输出的1PPS信号抖动噪声对时间同步系统同步性能的影响,研究了一种抑制抖动影响的滤波器。滤波器采用小波滤波器结合滑动平均滤波器的方式,其中小波滤波采用自定义的阈值及阈值函数。对所实现的滤波器开展了滤波处理实验,实验结果表明,该滤波方案对GNSS接收机输出的1PPS信号的噪声抑制效果优于常用的卡尔曼滤波器,所实现的时间同步系统输出的1PPS信号精度达到1.17 ns,相比于GNSS接收机输出的1PPS信号精度提高一个数量级。     

基于北斗共视的国际时间比对研究

基于全球卫星导航系统的时间比对是当前国际标准时间产生过程中的主要技术之一,美国的GPS和俄罗斯的GLONASS系统都已被国际权度局正式列为国际标准时间比对的手段。为促使北斗尽早加入国际标准时间的计算,中国科学院国家授时中心和瑞典国家技术研究院以及比利时国家天文台等欧洲守时实验室在全球卫星导航系统时间比对标准的框架下,基于上述3个守时实验室各自保持的各国时间基准系统,利用北斗伪码实测数据,在国内外首次开展了北斗卫星导航系统亚欧长基线高精度共视时间比对试验。结果表明,该试验中北斗零基线共钟比对结果的标准偏差(STDEV)优于1 ns,亚欧长基线北斗共视时间比对STDEV优于2.5 ns,天稳可达10-14量级,这与GPS共视性能基本相当。表明我国北斗卫星导航系统现已可用于纳秒级高精度时间传递与远距离时间比对,该试验的完成为北斗正式纳入国际标准时间的计算提供了技术支持。     

卫星双向时间传递链路校准及其不确定度分析

卫星双向时间传递(TWSTFT)和GPS精密单点定位(GPS PPP)是目前全球守时实验室参与协调世界时(UTC)计算的主要时间比对技术,校准不确定度是当前限制高精度时间比对的关键因素。利用国际权度局(BIPM)的GPS移动校准站对中国科学院国家授时中心(NTSC)的TWSTFT链路进行校准测量。首先通过BIPM在NTSC的GPS移动校准站与德国物理技术研究院(PTB)建立GPS PPP时间比对链路,然后利用7 d的观测数据与NTSC-PTB链路的卫星双向时间传递结果进行比对,实现了对TWSTFT链路的校准。结果表明,TWSTFT链路的校准不确定度从校准前的5 ns减小到了1.5 ns,明显改善了UTC-UTC(NTSC)的不确定度。     

INS/SFGPS PPP紧组合系统动态补偿滤波算法

惯性/卫星组合导航系统结合精密单点定位技术可有效提高导航定位精度。但精密单点定位技术一般需采用双频接收机,成本较高;同时该系统中采用载波相位作为部分或全部观测量,极容易受到周跳的影响而导致精度下降和系统不稳定。针对上述问题,设计了一种惯性/卫星精密定位紧组合导航系统以及基于动态周跳补偿的鲁棒滤波算法。该系统采用低成本的单频接收机(SFGPS),以精密单点定位技术(PPP)处理过的伪距和载波相位作为观测信息,与惯性导航系统(INS)等效观测量进行紧组合,建立了相应紧组合观测模型并引入周跳作为信息融合滤波状态模型中的状态量,以滤波器信息构建周跳检测统计量并对周跳幅值进行识别和估计,实时补偿观测量以提高观测信息精度,同时以前述周跳估计的结果对状态模型中周跳状态量部分滤波参数进行实时调节。上述方法通过动态补偿周跳误差提高导航精度,通过滤波器参数自适应调节提高滤波稳定性。仿真结果验证了该系统模型及算法的有效性。