基于双频GPS观测的电离层TEC与硬件延迟反演方法

利用全球定位系统（Global Positioning System,GPS）的双频观测数据反演得到电离层的总电子含量（Total Electron Content,TEC）,使得广域甚至全球范围高时空分辨率的电离层观测研究成为可能,但由于GPS卫星和接收机对信号的硬件延迟可导致TEC测量系统偏差,因此,需要探索反演TEC并估测GPS卫星与接收机硬件延迟的有效算法.本文根据电离层电波传播理论,阐述了基于双频GPS观测提取电离层TEC的方法,给出TEC与硬件延迟的基本关系.综合研究了TEC与硬件延迟的反演方法,进行分析与归纳分类,在此基础上提出了有待深入研究的问题.      

多GNSS全球电离层建模特性及其精度检验

分别以GPS单系统和融合BDS,GPS,GLONASS三系统两种方案,采用载波相位平滑伪距观测值和球谐函数,构建了全球电离层延迟模型并进行了对比和分析.本文以GPS单系统和融合三系统两种方法反演了2014年1月每日电离层变化过程,解算得出了频间偏差的月综合产品,并对结果进行了对比和分析.事实上,三系统融合不仅增加了可观测的卫星数,而且改善了穿刺点的几何分布.分析结果表明,三系统融合反演全球电离层在精度上优于GPS单系统,均有5~10 TECU的提高.计算得到的频间偏差结果显示,GPS优于GIONASS,BDS稳定性则较次之.     

Klobuchar模型的实用分析与改进

电离层延迟误差是无线电信号传播中不可忽视的误差源.GPS特许用户利用双频接收机的双频观测值直接对电离层延迟进行实时测定,其所得结果精度很高.多数普通用户所使用的单频接收机依靠电离层模型对其进行误差修正,效果不很理想.本文通过WUHN观测站双频接收机10天的实测数据对GPS广播星历采用的Klobuchar模型进行了验证,其结果与前人论述相一致.此外,经由反映太阳活动强度的太阳相对黑子数对Klobuchar模型提出了新的改进方法.实验数据结果表明,该方法对此模型修正效果有大幅提升,对原模型修正效果>50%的修正率由60%左右提升至85%以上,>80%的修正率由10%左右提升至40%以上.在实际应用中单频接收机用户可以参考本文改进方法对Klobuchar模型进行修正.      

一种地基GNSS接收机差分码偏差估算方法

GNSS不同频点间的码伪距作差会引入信号的差分码偏差(DCB),包括GNSS卫星及地面接收机的DCB.本文提出一种地基GNSS接收机差分码偏差参数估算方法,首先由电离层文件参数作线性插值,计算出电离层延迟误差.之后对IGS站观测文件进行加权最小二乘法估计,得到GPS卫星和地面GNSS接收机的L1C频点和L2P频点间码偏...     

多频GNSS电离层折射误差修正方法CSCD

针对电离层折射误差较大的特点,分别对GPS(Global Positioning System)和BDS(Bei Dou Navigation Satellite System)的单一频率的电离层折射误差进行了分析,并将不同频率进行线性组合,计算出组合后的电离层折射误差。此方法修正了双频一阶项、三频一阶项和三频二阶项电离层折射误差。由于电离层延迟修正的同时会放大观测噪声,为此分析比较了不同频率组合修正后的观测噪声,为最佳频率组合的选取提供了理论方法。     

不同太阳活动条件下电离层形态对估算GPS系统硬件延迟的影响

利用两个中纬度台站GPS观测数据提取的GPS卫星硬件延迟,分析了不同太阳活动情况下估算的硬件延迟稳定性和统计特征,结合同期电离层观测数据,研究了电离层状态对硬件延迟估算结果的影响.研究结果表明,基于太阳活动高年(2001年)GPS观测数据估算的硬件延迟稳定性要低于太阳活动低年GPS观测数据的估算结果,利用2001年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差(RMS)平均值约为1TECU,而2009年GPS数据估算的卫星硬件延迟年标准偏差平均值约为0.8TECU.通过对2001年和2009年北京地区电离层F₂层最大电子密度(N_mF₂)变化性分析,结合GPS硬件延迟估算方法对电离层时空变化条件的要求,认为硬件延迟稳定性与太阳活动强度的联系是由不同太阳活动条件下电离层变化的强度差异引起的.      

电离层周日变化对解算GPS硬件延迟稳定性的影响

针对电离层周日变化特征分析了其可能对SCORE方法估算的硬件延迟稳定性的影响. 利用BJFS以及XIAM台站的GPS观测数据, 解算了位于太阳活动高年(2001年)和太阳活动低年(2009年)的卫星硬件延迟并分析了估算的硬件延迟的稳定性. 研究发现, 电离层周日变化对估算的硬件延迟稳定性具有一定影响, 但是利用不同台站所得到的卫星硬件延迟稳定性在昼夜不同时间上的解算结果存在一定差异. 电离层周日变化对利用 BJFS台站数据解算的硬件延迟稳定性日夜差异较为明显, 在太阳活动高年利用XIAM 台站数据解算的硬件延迟日夜稳定性差异不很明显, 由于XIAM台站处于电离层赤道异常峰附近, 夜间电离层变化很大, 因此对比中纬度地区, 电离层周日变化对赤道异常峰附近地区硬件延迟稳定性解算结果的影响相对较小, 但在太阳活动低年, 其影响仍较为显著.      

自适应卡尔曼滤波器在陆地车辆导航中的应用

建立了车载GPS(Global Positioning System)/DR(Dead-Reckoning)组合导航系统自适应扩展卡尔曼滤波模型及其算法,从而大大提高了车辆导航系统的定位精度.首次提出依据PDOP(位置误差系数)等GPS定位系统的输出参数,自动调整观测噪声协方差阵[WTHX]R和系统噪声协方差阵Q[WT]的大小,从而自适应地调整组合导航系统模型性能的方法,使得模型具有较强的适应性.计算机仿真及实验结果表明应用该模型具有良好的效果.      

导航解算中的有色噪声及其协方差矩阵自适应拟合

使用Kalman滤波进行动态导航定位解算需要涉及函数模型和随机模型, 而在实际应用中, 精确的函数模型和随机模型很难直接给出, 因此, 动态Kalman滤波的精度和可靠性将会受到函数模型误差和随机模型误差的影响. 在假设观测噪声和动力学模型噪声主要是具有一阶自相关特性的有色噪声的基础上, 提出了一种基于移动窗口的有色噪声函数模型和随机模型的自适应拟合法. 给出了计算有色噪声估值和噪声协方差矩阵的表达式, 并利用实测数据验证了模型及算法的可行性和实用性. 计算结果表明, 该算法能有效抵制有色噪声对导航滤波结果的影响.      

基于特征值分解的小天体着陆自主导航系统可观度分析

摘要： 针对非线性导航系统中状态估计可观性与导航精度之间的关系，采用基于误差方差阵特征值分解的可观度分析方法，结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法对非线性预测滤波(NPF)算法进行改进，推导改进预测滤波的误差协方差矩阵，并对其进行特征值分解.分析特征值和特征向量与导航精度的关系，以小天体探测器着陆自主导航系统为例进行仿真验证，与EKF导航精度比较的基础上验证改进的NPF算法的有效性和精确性，并分析不同误差因素(模型误差，陀螺噪声，陆标误差)对可观度的影响，为航天器实际过程中自主导航系统的滤波器设计提供参考.     

Dual-frequency carrier smoothed code filtering with dynamical ionospheric delay modeling

In GNSS applications, carrier-smoothed-code is a widely used technique to combine code pseudo-range and carrier phase measurements. A dynamical ionospheric delay modeling method is proposed based on Kalman filter and least-squares theory. The level of the process noise is adaptively tuned along with the real-time KF state estimation, based on the online variance component estimation method. Meanwhile, the correlations of the time differenced carrier phase measurements are considered. This approach avoids overly optimistically evaluating the estimate and improves the transient accuracy of the estimates. A real GPS dataset is employed to check the performance of the proposed method under different conditions. The results show that the new algorithm can model the ionospheric delay variation well with different sampling intervals or even in ionospheric abnormal environment. The positioning accuracy can be confirmed, about 21%, 35% and 16% better are obtained in the N, E, and U direction than raw dataset.     

基于北斗GEO卫星双频观测值连续监测电离层延迟

利用北斗GEO卫星观测数据直接计算电离层延迟。由于GEO卫星具有固定穿刺点和静地的特性,使得观测站监测电离层变化时可不考虑空间变化,并可进行连续不间断监测。通过分析北斗GEO卫星三种频率码伪距和载波相位观测值不同组合,选取B1&B2双频计算电离层延迟为最优组合,采用相位平滑伪距的方法计算电离层延迟TEC,相较其他电离层模型,该方法的优点是不会引入模型误差,可得到连续的高精度的电离层延迟监测结果。     

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.      

WAAS系统中电离层折射校正的新方法及计算结果

电离层介质的色散性是影响电磁波信号进行卫星导航定位精度的重要因素之一.配合北斗二代分系绩研制任务,提出了一种新的电离层折射校正算法,并利用2000年7月1日到3日的双频GPS观测数据对6个用户站进行试算,进一步将试算所得均方根误差和电离层网格算法得到的误差进行比较.结果表明,对于中纬区域的用户站,估算的TEC误差约为0.5 m左右;而低纬用户误差相对增大,为1 m左右.文中给出的算法与电离层网格模型所提供的精度相差不多,在未来中国自主的卫星增强系统中采用新方法进行电离层进行修正是可行的及有效的.      

星载GPS观测数据的模拟研究

重点分析了星载GPS观测值模拟的原理、数学模型等，并用模拟软件模拟了CHAMP卫星的星载GPS观测值情况．结果表明，根据本文提供模拟方法所模拟的CHAMP星载GPS观测值，与实测值相比，无论是在大小还是观测噪声水平上都很接近，因此能满足不同层次人员对星载GPS模拟观测值的需要．     

南极GPS定位中的电离层延迟分析

基于南极地区国际GNSS服务组织(IGS,International GNSS Service)跟踪站的全球定位系统(GPS,Global Position System)双频实测数据,分析了南极地区电离层延迟的变化情况及其二阶项延迟对南极GPS定位结果的影响.结果表明:南极地区的总电子含量(TEC,Total Electron Content)日间波动频繁,其日间TEC最大值变化较中纬度地区剧烈;在南极地区夏季,电离层二阶项延迟对GPS定位结果的影响可达cm级.同时,由于欧洲定轨中心(CODE,The European Center for Orbit Determination)提供的全球电离层模型(GIM,Global Ionosphere Maps)在南极区域应用的局限性,通过选取南极地区6个IGS跟踪站作为基准站建立了区域电离层TEC模型(RIM,Regional Ionosphere Model).经实测数据计算证明,对于南极地区,RIM的定位精度在一定程度上优于全球电离层模型GIM.     

利用GPS进行时间传递与频率比对

全面介绍了ＢＩＲＭＭ从１９８６～１９９２年间从事利用时间ＧＰＳ进行时间传递与频率比对技术研究方面的情况，包括所建立的ＣＰＳ定时校频系统、单站定时、ＳＡ对定时精度的影响、ＧＰＳ定时信号噪声模型、卡尔曼滤波、电离层时延估算、ＧＰＳ共视试验、ＣＰＳ校频、接收系统差测量等。     

电离层不规则结构对GPS性能的影响

电离层不规则结构的存在可引起无线电信号的幅度和相位发生随机起伏, 这 种电离层闪烁现象会影响全球定位系统(Global Positioning System, GPS)的 性能, 降低定位精度, 严重时导致信号失锁. 电离层不规则结构对GPS性能的 影响涉及电离层物理、接收机设计和表征卫星几何分布的精度衰减因子(Dilution of Positioning, DOP)等多方面因素. 本文通过对表征电离层不规则结构参数 的分析, 根据GPS接收机跟踪环路和闪烁信号模型, 综合研究了电离层闪烁对 GPS接收机载波跟踪环和码跟踪环跟踪误差的影响; 结合实际观测, 评述 了电离层不规则结构对单频和双频GPS接收机定位性能的影响, 在此基础上 提出了有待深入研究的问题及具体建议.      

Precision analysis of troposphere sensing using GPS single-frequency signals

Various studies have been performed to investigate the accuracy of troposphere zenith wet delays (ZWDs) determined from GPS. Most of these studies use dual-frequency GPS data of large-scale networks with long baselines to determine the absolute ZWDs. For small-scale networks the estimability of the absolute ZWDs deteriorates due to high correlation between the solutions of the ZWDs and satellite-specific parameters as satellite clocks. However, as relative ZWDs (rZWDs) can always be estimated, irrespective of the size of the network, it is of interest to understand how the large-scale network rZWD-performance of dual-frequency GPS using an ionosphere-float model compares to the small-scale network rZWD-performance of single-frequency GPS using an ionosphere-weighted model. In this contribution such an analysis is performed using undifferenced and uncombined network parametrization modelling. In this context we demonstrate the ionosphere weighted constraints, which allows the determination of the rZWDs independent from signals on the second frequency. Based on an analysis of both simulated and real data, it is found that under quiet ionosphere conditions, the accuracy of the single-frequency determined rZWDs in the ionosphere-weighted network is comparable to that of the large-scale dual-frequency network without ionospheric constraints. Making use of the real data from two baselines of 15?days, it was found that the absolute differences of the rZWDs applying the two strategies are within 1?cm in over 90% and 95% of the time for ambiguity-float and -fixed cases, respectively.     

电离层TEC日落阶段涨落异常增强现象研究

重点报道了一种TEC信距测量的夜间抖动异常现象，分析了这种现象的观测特征，指出了夜间GPS伪距观测是的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的乐是个别的偶然现象，在考察了周围环境之后初步排除了这种现象是由周围地物引起的可能性，而进一步与电离层不均匀体（Spread-F)的特征，特别是它发生率最大的地方时进行比较，认为这是一种电离层效应，由大尺度的电离层不规则结构造成的散射很可能是这种夜间散开的主要原因。本文仅就单站GPS观测资料认证了这种夜间强烈抖动的存在，分析了北京上空电离层中发生的不均匀体或各种扰动对GPS信号的可能影响及其观测特征，指出了夜间GPS伪距观测量的异常抖动，特别是日落后时段GPS伪距观测量的散开十分严重的现象，可以用于电离层不规则结构的研究。由于GPS设备比较简便，数据量大，精度高，适用于各种环境等特点，我们发展的单站数据分析方法可能会对研究电离层TEC夜间涨落异常增加现象，包括地域，时间上的统计特性比较有利。