GNSS实时卫星钟差估计技术进展

不依赖实体基准站增强信息的GNSS实时精密单点定位服务将逐渐成为主流定位模式。实时卫星钟差产品作为实时精密单点定位的关键先决条件之一，其精度直接决定实时精密定位服务的性能。计算实时卫星钟差的GNSS实时卫星钟差估计技术成为实时精密定位的核心技术之一，其主要包括两种解算模式：非差解算模式和差分解算模式。由于对卫星模糊度等未知参数处理策略的不同，卫星钟差估计技术又可细分为非差、历元差分、星间差分、混合差分等策略类型。针对不同实时卫星钟差估计技术的原理方法、算法效率、适用性等问题，综合目前已有相关研究成果的基础上，对GNSS实时卫星钟差估计的研究现状、关键技术和面临的挑战进行了较为系统的总结综述，并对未来卫星钟差预报产品和实时估计产品的关系进行了展望。     

顾及轨道误差的GNSS卫星钟差实时估计策略优化

为提高GNSS卫星钟差实时估计精度，针对GNSS各卫星系统的轨道差异，分析各系统卫星轨道误差对钟差估计的影响，基于距离函数线性化二阶残余项的思想，提出了一种顾及轨道误差的权函数模型，以优化实时卫星钟差估计策略。利用全球均匀分布的IGS和iGMAS跟踪站的实时观测数据进行实验，并与GBM的事后精密钟差进行对比分析。结果表明： GPS精度提高率为6.47%，BDS精度提高率为6.46%，GLONASS精度提高率为7.42%，Galileo精度提高率为7.62%。     

北斗实时精密轨道和钟差产品解算策略及精度评定

随着北斗卫星导航系统全球星座部署即将完成，其应用领域不断扩大，实时精密服务性能受到了极大关注。基于动力学精密定轨方法，设计了北斗卫星实时轨道、钟差算法流程和解算策略。利用不同频点信号，分别计算了BDS-2和BDS-3卫星的实时精密轨道和钟差，建立了完整的轨道和钟差精度评定方法，重点对解算的实时产品的精度进行了评定。结果表明：BDS-2和BDS-3实时精密轨道和钟差产品精度均可满足大部分实时用户的需求。对于B1IB3I频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度约为26cm，径向精度约为6cm，实时钟差精度约为0.45ns，且相较于BDS-2，性能更加稳定；对于B1CB2a频点，BDS-3 MEO卫星的实时轨道精度优于20cm，精度和稳定性较高。     

双线程滑动窗口多系统GNSS超快精密定轨实现及评估

全球导航卫星系统（GNSS）超快精密定轨为GNSS实时应用提供了高精度空间基准。基于天地协同定位、导航与授时（PNT）网络服务中心实现了四系统GNSS卫星超快精密定轨,并对定轨结果进行精度评价。介绍了天地协同PNT网络的概念内涵以及网络服务中心部署的超快精密定轨软件架构和详细功能,并针对实时应用需求提出了一种双线程滑动窗口超快精密定轨策略。最后利用重叠弧段比较、与外部轨道产品比较以及卫星激光测距（SLR）检核3种方式对定轨结果进行了精度评价。结果表明,与武汉大学分析中心的最终事后精密轨道产品相比,四系统GNSS MEO卫星预报6 h弧段的径向均方根（RMS）误差整体在2~5 cm水平,BDS2 IGSO卫星最小一维RMS误差在10~15 cm水平;GPS和Galileo卫星的SLR检核残差均值在1~3 cm水平,标准差在3~6 cm水平,能够满足后续厘米级实时应用对空间基准的精度需求。     

利用改正数信息的北斗三号实时精密单点定位及性能分析

北斗三号全球卫星导航系统已正式建成并开通服务。为了利用实时改正数信息系统地揭示北斗三号精密单点定位性能，并为用户提供理论依据和应用参考，首先解算了卫星实时精密轨道、钟差及其改正数，分析了其精度。然后基于实时改正数信息，利用监测站广播星历和观测数据，分别进行了双频静态、双频仿动态、单频静态和单频仿动态仿实时精密单点定位，以评估其性能。结果表明：北斗三号MEO卫星实时轨道和钟差精度均值分别约为12cm和0.2ns，满足实时精密单点定位需求。静态实时精密单点定位精度优于动态，双频优于单频，均可达到分米级。对于定位收敛时间，双频静态最短，约为40min；双频动态和单频静态均约为85min；单频动态最长，约为120min。     

不同GNSS星载原子钟周期特性分析

高精度的卫星时钟修正是全球卫星导航系统实时精密单点定位和授时服务的重要基础。为了提高GNSS钟差预报精度，需要对GNSS星载原子钟的周期特性进行分析。基于2016年全年的GNSS精密卫星钟差数据，利用中位数方法进行了数据预处理，使用多项式拟合模型分析了卫星钟的拟合残差，利用频谱分析法分析了BDS、GPS卫星钟差的周期特性，全面分析了BDS、GPS星载原子钟的周期特性。分析结果表明：除Cs钟外，其他卫星钟差都表现出较好的周期特性，BDS、GPS的主周期项基本在12h、24h、6h附近；同时不同的轨道、原子钟，其钟差周期项不同，而相同的轨道类型，其钟差周期项也存在一定差异；卫星的钟差主周期分别近似为其卫星轨道周期的1/2倍、1倍、2倍。     

一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法

为了提高实时卫星钟差估计的精度和稳定性，提出了一种顾及轨道误差的实时GPS钟差估计方法。基于超快速轨道产品，分析了轨道标准差与绝对轨道误差的相关性。通过线性插值获得实时轨道误差信息，以优化先验残差的随机模型。基于先验轨道标准差阈值，采用分段方式剔除实时轨道异常卫星对应的观测值。实验结果表明：轨道标准差和轨道误差的相关性高达0.82。与常用的高度角相关的随机模型相比，GPS卫星钟差估计精度最大提高了15.2%，平均提高了8.1%，钟差误差的时间序列更加平稳，所有GPS卫星的平均钟差STD均在0.15ns以内。因此，超快速轨道产品中提供的轨道标准差与绝对轨道误差表现出较强相关。采用顾及轨道误差的实时钟差估计方法可提高GPS卫星钟差估计精度，准确识别并剔除GPS实时轨道异常的卫星，从而提高GPS实时钟差估计的稳定性。     

GPS/BDS组合定位精度分析

随着定位技术的不断发展及多系统导航定位技术的逐步推广，多系统组合导航定位已经成为了GNSS导航定位领域中的主要发展趋势。主要阐述了GPS/BDS组合相对定位的观测方程和数学模型，并根据实测数据对比分析，从卫星可见性、精度因子、定位精度和均方根误差等方面对GPS、BDS及GPS/BDS组合定位系统的定位性能、定位精度进行了比较。研究结果表明，较单一的GPS和BDS系统定位，采用GPS/BDS组合定位可有效提高卫星可见数目和DOP值，且稳定性更好。GPS/BDS组合定位的定位精度也明显优于单一系统，这对GNSS高精度导航定位具有重要的参考价值。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移，为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息，利用全球导航卫星系统（global navigation satellite system, GNSS）高频观测数据，基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析，并将其应用于精密单点定位（precise point positioning, PPP）实时计算2021年漾濞Mw6.4地震和玛多Mw 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差（standard deviation, STD）均值为0.142 ns，其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm，高程方向达到1.0 cm，计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定，而且能够获得较为准确的同震形变。     

GNSS卫星钟差估计与结果分析

探讨了GNSS卫星钟差估计的基本原理、处理方法及数据处理中的一些关键技术,利用全球56个IGS跟踪站的观测数据进行钟差估计,比较分析了钟差产品的精度与定位性能。以GPS系统解算结果为例,其钟差产品与IGS最终精密卫星钟差符合较好,精度优于0.04ns(约0.012m),多系统钟差解算结果互差优于亚纳秒级。基于钟差产品进行精密单点定位解算试验,试验结果表明,在定位收敛之后,静态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0582m、0.0466m、0.1188m;动态PPP在东、北、天3个方向上精度为0.0671m、0.0640m、0.3200m。定位结果与IGS最终精密钟差解算结果符合较好,表明两者之间差异较小,进一步验证了解算得到的卫星钟差产品的定位性能。     

Precise orbit determination for TH02-02 satellites based on BDS3 and GPS observations

The Tianhui-2 02 (TH02-02) satellite formation, as a supplement to the microwave mapping satellite system Tianhui-2 01 (TH02-01), is the first Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) satellite formation-flying system that supports the tracking of BeiDou global navigation Satellite system (BDS3) new B1C and B2a signals. Meanwhile, the twin TH02-02 satellites also support the tracking of Global Positioning System (GPS) L1&L2 and BDS B1I&B3I signals. As the spaceborne receiver employs two independent boards to track the Global Navigation Satellite System (GNSS) satellites, we design an orbit determination strategy by estimating independent receiver clock offsets epoch by epoch for each GNSS to realize the multi-GNSS data fusion from different boards. The performance of the spaceborne receiver is evaluated and the contribution of BDS3 to the kinematic and reduced-dynamic Precise Orbit Determination (POD) of TH02-02 satellites is investigated. The tracking data onboard shows that the average number of available BDS3 and GPS satellites are 8.7 and 9.1, respectively. The carrier-to-noise ratio and carrier phase noise of BDS3 B1C and B2a signals are comparable to those of GPS. However, strong azimuth-related systematic biases are recognized in the pseudorange multipath errors of B1C and B3I. The pseudorange noise of BDS3 signals is better than that of GPS after eliminating the multipath errors from specific signals. Taking the GPS-based reduced-dynamic orbit with single-receiver ambiguity fixing technique as a reference, the results of BDS3-only and BDS3 + GPS combined POD are assessed. The Root Mean Square (RMS) of orbit comparison of BDS3-based kinematic and reduced-dynamic POD with reference orbit are better than 7 cm and 3 cm in three-Dimensional direction (3D). The POD performance based on B1C&B2a data is comparable to that based on B1I&B3I. The precision of BDS3 + GPS combined kinematic orbit can reach up to 3 cm (3D RMS), which has a more than 25% improvement relative to the GPS-only solution. In addition, the consistency between the BDS3 + GPS combined reduced-dynamic orbit and the GPS-based ambiguity-fixed orbit is better than 1.5 cm (3D RMS).     

基于RTS滤波的GPS+BDS非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。     

广播星历旋转误差对低轨星载BDS-3/GPS实时精密定轨影响分析

基于LT-01A卫星星载BDS-3/GPS观测值进行了星载实时精密定轨研究,并重点分析了广播星历旋转误差对实时定轨精度的影响。通过赫尔默特转换评估了所选时段内GPS和BDS-3广播星历轨道旋转误差,显示BDS-3广播星历旋转误差可达-8.7 mas,平均量级较GPS大约2.5倍。BDS-3广播星历经旋转改正后,轨道切向、法向均方根(RMS)误差从25 cm左右提升至10 cm量级,提升幅度超过50%。因此,基于星载BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨精度受BDS-3星历旋转误差影响严重,且主要作用于切向和法向。经过旋转改正后,单独BDS-3实时定轨在切向、法向、径向RMS分别为21.0 cm、10.7 cm及11.2 cm,其切向和法向精度比改正前分别提升15.0%和31.8%;BDS-3与GPS联合定轨进一步提升切向精度至19.4 cm。得益于BDS-3广播星历较高的精度,单BDS-3以及BDS-3/GPS联合的实时定轨在旋转改正前的三维RMS分别为31.9 cm和29.2 cm,较单GPS实时定轨分别提升9.1%和16.8%;添加旋转改正后,其定轨精度分别提升至26.7 ...     

面向Android智能终端的多模GNSS实时非差精密定位

Android操作系统中全球导航卫星系统(GNSS)原始数据的开放为大众高精度位置服务的应用带来了重要机遇。在对Android系统GNSS原始数据特性分析的基础上,利用智能终端GNSS原始数据实现了实时非差精密定位,研制了面向Android平台的实时精密单点定位(PPP)软件PPPAnd,并开展了实际环境下的定位测试。测试结果表明:基于Android终端GNSS原始数据的实时静态伪距单点定位精度(RMS)为1.16m(水平方向)和1.51m(垂直方向),较其自身位置速度和时间(PVT)解算结果分别提高了70%和76%;实时静态精密单点定位解算结果的精度(RMS)为0.62m(水平方向)和0.66m(垂直方向),较PVT结果分别提高了87%和82%,精度收敛至1m以内所需时间约8min,并且收敛后的精度可达亚米级;城市环境中车载实时动态精密单点定位的水平和垂直精度(RMS)分别约为1.32m和0.81m,较PVT结果分别提高了39%和65%。     

An epoch state filter for use with analytical orbit models of low earth satellites

Kalman filters provide a well established means for satellite orbit determination. In combination with space based sensors like GPS, DORIS or PRARE, accurate estimates of the spacecraft position and velocity can be obtained in real-time on-board the space vehicle. Traditionally, numerical methods of varying complexity are applied for propagating the state vector between measurements and updates of the state vector are referred to the epoch of the latest sensor output. In the present study a different approach is followed, which offers increased on-board autonomy and is particularly promising for small satellites with moderate accuracy requirements. An analytical orbit model is used to describe the spacecraft trajectory and mean elements at epoch are estimated instead of the instantaneous, osculating state vector. This adds the capability of performing on-board orbit prediction over time scales of up to one week, which is required, for instance, for the autonomous forecast of eclipse times or station contacts. Making use of the SGP4 orbit model that is compatible with NORAD twoline elements, an epoch state Kalman filter has been implemented and tested with GPS flight data of GPS/MET (MicroLab-1) and MOMSNAV (MIR). It is demonstrated that the proposed method provides an accuracy compatible with that of the analytical model and is robust enough to handle large data gaps in case of limited on-board resources for GPS operations. By adjusting the ballistic coefficient along with the mean elements, a considerable improvement of mid-term orbit predictions is achieved over methods that are restricted to the estimation of the state vector alone.