北斗三号系统广域差分服务精度评估

为了保证北斗系统广域差分服务的平稳过渡，北斗三号系统（BDS-3）通过GEO卫星B1I/B3I信号播发北斗二号协议广域差分改正信息，包括等效钟差改正数与格网点电离层信息。分析了增加BDS-3卫星后，等效钟差改正数和格网点电离层信息的特征，并对BDS-2和BDS-3的用户差分距离误差（UDRE）进行了对比。联合BDS-2和BDS-3实测数据，对BDS-3广域差分服务定位精度进行了评估。分析结果表明:BDS-2卫星广播星历空间信号用户等效距离误差（UERE）约为1 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.3 m；BDS-3卫星广播星历空间信号用户等效距离误差约为0.4 m，经过等效钟差改正数后，用户差分距离误差约为0.2 m。等效钟差改正数可以修正广播电文更新带来的空间信号阶跃误差，显著提升卫星空间信号精度。与基本导航系统播发的Klobuchar 8模型，广域差分系统所播发的格网点电离层信息可将电离层误差修正精度提高约18%。与单独BDS-2卫星相比，BDS-2/BDS-3卫星联合条件下，基本导航的单频用户和双频用户定位精度可分别提升26%和41%；广域差分服务的单频用户定位精度为2.4 m，双频用户定位精度为1.7 m，单频用户和双频用户定位精度分别提升13%和41%。      

北斗D2导航电文解析和完好性性能分析

为评估北斗D2导航电文对系统空间信号完好性影响，对D2导航电文结构和内容进行研究。首先，通过基本导航信息的解析，给出了确定卫星位置和用户位置过程所需的信息和时间，并对受卫星星历和时钟影响的用户测距误差做了说明，介绍了电离层误差、对流层误差改正模型。然后，通过增强服务信息的解析，论述了完好性信息（RURA、UDRE）及格网电离层延迟的计算方法。最后给出了使用完好性信息、用户局部误差获取用户定位误差保护级的算法。     

北斗卫星导航系统空间信号用户测距误差计算方法研究

按照空间信号用户测距误差（UserRangeError,URE）定义,参考GPS标准定位服务性能规范中URE的计算方法,结合北斗卫星导航系统（BDS）多星混合星座类型,在考虑仰角限制情况下,详细推导了适用于BDS的瞬时URE和均方根URE计算公式。利用广播星历和精密星历计算的卫星轨道误差和卫星钟钟差,带入所推导的公式,对BDSURE进行分析评估;并使用GNSS接收机原始观测量和伪距观测方程计算BDSURE,最后将两种计算结果进行对比分析。研究结果表明,两种方法BDSURE的计算结果基本一致,在95%置信度情况下均小于2.5m,满足北斗公开服务性能规范中对空间信号URE的基本要求。     

地基伪卫星系统多址测距误差的校正算法

相对于卫星导航,地基伪卫星与接收机距离较近,测距中不涉及电离层传播等误差,易实现高精度测距和定位。但由于地基伪卫星位置固定,在信号连续发射模式下伪卫星信号间的多址干扰(MAI)会引起相对恒定的测距误差,针对地基伪卫星系统这一特点,提出一种基于反馈串行干扰抵消(SIC)的测距算法。首先对全部伪卫星信号进行捕获跟踪和功率估计,然后通过串行干扰抵消算法降低强功率伪卫星信号对期望测距信号的干扰,通过反馈模式进一步提高干扰抵消算法的性能。仿真结果表明,该方法可有效改善地基伪卫星系统强远近效应区域内的测距性能,不考虑其他误差下在强远近效应区域内基于码环可将伪卫星测距性能从10 m以上降低到约0.3 m。     

星载GPS几何法实时定轨有关问题的研究

首先讨论了星载GPS几何法实时定轨的绝对定位方法和各种差分技术。由于伪距差技术能克服GPS卫星的星历误差、卫星钟误差，特别是SA误差的影响，而且实现难度不大，所以应用它来实时定轨。实测数据的处理表明，它能明显提高定轨的精度。然后分析了星载GPS所受扰动影响的情况，对应用抗差估计削弱GPS卫星信号扰动的影响进行了试验，试验的结果说明抗差估计能进一步提高星载GPS几何法定轨的精度。     

北斗首颗备份卫星性能初步分析

主要从卫星钟差预报、轨道测定精度、伪距波动情况等角度分析了I6卫星与北斗卫星导航系统（BDS）其他现役倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的异同,并从位置精度因子（PDOP）和格网可用性评估了I6卫星入网对BDS的贡献。利用星地双向时频传递设备观测的星地钟差数据,评估了I6卫星星载原子钟的预报性能,结果表明,I6卫星发播的卫星钟参数外推5h预报误差的均方根误差（RMS）为232ns,外推1h预报误差的RMS为073ns,与现役IGSO卫星钟差预报水平相当;对多星联合精密定轨结果分析表明,与北斗现役I3卫星相比,姿态控制方式优化后的I6卫星在地影期间的轨道精度并未发生明显衰减,克服了现有北斗二号卫星在地影期间轨道精度下降,从而影响北斗服务的连续性、可用性问题;利用大口径抛物面天线采集到的数据对I6卫星的伪距波动进行了分析,结果表明I6卫星单个观测弧段内其伪距波动峰峰差约为1m,与其他IGSO卫星一致;进行PDOP仿真计算,结果表明I6卫星的加入使得喀什地区的PDOP最大值由1282下降为726,PDOP大于6的时段所占百分比由2911%下降为1721%;对格网电离层产品实施解算,结果表明I6卫星的加入使得6个电离层格网点的可用度提升至95%以上。     

北斗系统UERE及定位精度评估

用户测距误差（URE）与用户设备误差（UEE）是影响定位精度的主要因素.民航是北斗系统的高端用户,监测其对民航机场的覆盖性和服务性能十分必要.本文根据华东、华南、华北、西北地区4个民航机场观测站的北斗实测数据,分析了各机场卫星的可见性.根据URE的解算方法、电离层修正模型、对流层修正模型以及定位精度的评估方法,给出了对应的性能评估结果.研究发现:可见星数均在6～14颗,满足定位要求; 95%置信度下,电离层延迟优于7.50m,对流层延迟优于13.28m,地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）、中圆轨道卫星（MEO）卫星的URE值分别优于2.36m,1.72m,2.59m,满足北斗规范的要求;95%置信度下,定位精度水平方向优于3.63m,垂直方向优于6.98m.结果表明北斗系统在民航机场监测站的覆盖性及服务性能良好.      

测量时刻偏差对单星定轨误差的影响分析

为评估测量时刻偏差对单星定轨等效测量误差的影响,根据单星定轨处理策略分析了其理论模型,指出测站接收机的测量时刻偏差由测站时钟钟差以及测量时刻不准确度等组成。试验数据分析表明,测站钟差经一阶多项式拟合后的残差可近似为零均值的测量噪声;数值仿真结果表明,卫星信号发射时刻1ms误差导致GEO、IGSO、MEO三种卫星的等效测距误差分别为006cm、40cm、80cm。     

GNSS电离层模型改正精度评估与分析

电离层时延误差是导航定位信号在空间传播路径上的主要误差源之一,因此全面了解GNSS电离层模型的改正精度具有一定现实意义.根据GPS,BDS和Galileo系统所采用的电离层修正模型,利用2014年电离层校正参数,以高精度全球电离层图为基准,评估分析了三大系统电离层时延的改正精度.结果表明:目前GNSS使用的几种电离层修正模型的改正率在65~75%左右;Galileo系统使用的第二版NeQuick模型与第一版NeQuick模型相比在修正精度上并无显著提高;GPS使用的Klobuchar 8参数模型在北半球25°-45°N的中纬度地区精度很高,但是在全球其他区域精度较低,分布性较差,而NeQuick模型全球改正率分布则较为平均且平滑.      

USB观测数据时标偏差影响分析与评估

USB系统是目前中国载人航天和月球探测任务的主要测控网.由于USB测量设备本身以及无线电信号传播媒介以及其他误差因素的影响,USB测量数据中包含了各种误差,需要在定轨时对观测数据进行误差修正.通常,例行的USB测量误差修正包括对流层折射修正、电离层延迟修正和通道延迟修正,但对定轨过程中可能影响观测数据计算精度的时标偏差并未作修正.针对USB测距测速观测数据,详细研究了观测数据时标偏差对观测值计算精度的影响,分析了误差影响特性,建立了相应的误差修正模型,并通过与卫星星历偏差对USB测距测速观测值计算精度影响特征的比较,发现时标偏差对测量的影响与轨道沿迹误差对观测计算值的影响等效,这使得在定轨过程中分离时标偏差的难度较大.提出了基于星载GPS定位数据分离时标偏差的方法,并利用某次任务的实测数据,分离出了该次任务中USB测量的时标偏差.最后针对目前USB数据时标偏差影响和观测误差量级相当的情况,建议将目前的观测时标精度提高到优于0.1ms的水平,使得时标偏差的影响降低到比观测误差小一个量级的水平.     

45°(N)纬度带的Klobuchar like电离层延迟季节修正模型与评估

电离层延迟是全球卫星导航系统（GNSS）的主要误差源之一。对于装配GNSS单频接收机的航空器,选择简单有效的Klobuchar广播电离层模型来改正电离层延迟误差,其修正率为50%～60%。针对45°（N）纬度带,提出了更高电离层修正需求。考虑到季节因素对中高纬度地区电离层的显著影响,利用GIMs（Global Ionospheric Maps）分析了昼夜中TEC（Total Electron Content）的峰值和谷值随季节（年积日）的变化,建立了一种适用于45°（N）纬度带的Klobuchar like电离层模型。该模型不增加广播模型系数,新模型的夜间和VTEC高峰时电离层修正率分别达到了82%和80%,表明在穿刺点集中的45°(N)纬度地区使用该模型可以更精确地描述该地区的电离层,帮助航空器实现更高精度的定位。     

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.      

GPS P(Y)码功率增强监测分析

全球定位系统(GPS)的Block IIR-M和Block IIF卫星具备可编程功率输出能力, 可以灵活增强单个信号分量的发射功率。为了系统评估GPS P(Y)码的功率增强能力, 对弹性功率的原理进行了理论分析, 提出了GPS信号功率增强的监测分析方法, 利用国际GNSS监测评估系统(iGMAS)和国际GNSS服务(IGS)监测站数据、高增益天线监测数据、事后精密星历对GPS增强P(Y)码的覆盖性及星座性能、空间信号和用户端性能进行了分析。结果表明:在保持发射总功率和民用信号功率不变的情况下, Block IIF和Block IIR-M卫星的L1 P(Y)码和L2 P(Y)码功率相比正常水平分别增强约6 dB和5 dB;在功率增强信号覆盖区内仅利用19颗增强卫星进行双频单点定位, 位置误差不大于15 m(95%);当可见增强卫星数为6, 增强后的P(Y)码载噪比为55 dB·Hz时, P(Y)码之间的多址干扰引起的等效载噪比下降量为0.4 dB。      

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

星载SAR电离层探测及误差补偿

工作于低频波段的星载合成孔径雷达(SAR)信号会受到电离层的显著影响,因此在系统设计时必须考虑相应的补偿方法。基于此,首先开展了适用于低频大宽带SAR模式的电离层影响评估研究,建立了基于勒让德展开的五阶误差分析模型,可有效解决传统模型各阶次耦合问题。其次,针对背景电离层色散问题,开展了基于双频自聚焦算法的补偿研究,利用ALOS PALSAR数据进行了半物理仿真验证,电离层反演精度优于0.4TECU,可有效提升图像聚焦质量;针对法拉第旋转角误差,利用ALOS PALSAR回波散射矩阵信息开展了补偿研究,结果显示,相比官网提供的补偿参数,误差可进一步降低27%。上述基于回波数据本身的补偿研究,可避免第三方数据精度差、分辨率低、需地面接收机、传播路径不一致等问题,同时降低了载荷成本。最后,结合SAR高分辨率特性,基于回波的电离层反演可有效提高现有电离层探测能力,开展了PALSAR-垂测仪联合反演电子密度研究,其结果比仅垂测仪数据精度普遍提高了30%以上。研究成果可为未来低频星载SAR的系统设计提供技术支撑。     

基于因果卷积与LSTM网络的电离层总电子含量预报

电离层总电子含量（TEC）不仅是分析电离层形态的关键参数之一,同时为导航及定位等空间应用系统消除电离层附加时延提供重要支撑。由于电离层TEC的时空变化特征,本文融合因果卷积和长短时记忆网络,以太阳活动指数F_10.7、地磁活动指数Dst和电离层TEC历史数据作为特征输入,构建深度学习模型,实现提前24 h预报电离层TEC。进一步利用2005－2013年连续9年的CODE TEC数据,全面评估了模型在北京站（40°N,115°E）、武汉站（30.53°N,114.36°E）和海口站（20.02°N,110.38°E）的预报性能。结果显示不同太阳活动条件下三个站的TEC值与真实测量值的相关系数都大于0.87,均方根误差大都集中在0～1 TECU以内,且模型预报精度与纬度、太阳、地磁活动程度、季节变化相关。与仅由长短时记忆网络构成的预报模型相比,本实验模型均方根误差降低了15%,为电离层TEC预报模型的实际应用提供了参考。      

快收敛高可靠PPP-RTK大气改正模型生成方法

生成快收敛、高可靠的大气改正模型是PPP-RTK（precise point positioning-real-time kinematic）应用的关键和瓶颈问题。对顾及快收敛和可靠性的PPP-RTK大气改正模型生成方法进行了研究，通过迭代约束和时域约束保证其快收敛与可靠性，利用武汉CORS（continuously operating reference stations，连续运行参考站）进行试验，45s能够实现水平10cm（95%）的定位精度。在此基础上利用香港CORS进一步验证与分析得出：增加格网密度能够提升定位精度但会增加信息量，需要综合考虑定位效果和播发的信息量，面向普通用户的格网大小经纬度建议设置为0.5°~0.8°；生成大气改正模型的参考站空间分布必须合理且均匀，同时提出可以在合理范围内加入虚拟参考站约束大气改正模型的生成从而保证其收敛性与可靠性。     

中国区域电离层异常数据野值检测

针对中国区域连续运行参考站接收机野值会干扰星基增强系统（SBAS）电离层异常事件提取的问题,提出了一种基于电离层垂直延迟时间梯度的野值检测方法。首先,介绍了电离层延迟数据的提取方法;然后,论述了依据野值和电离层异常的不同时空相关特性进行野值检测的方法,并用单双频定位误差结果验证了野值检测的正确性;最后,对检测结果进行了分析。结果表明:该方法可有效区分野值和电离层异常;在中国大陆构造环境监测网络200多个参考站中,野值检测所剔除的参考站数目在3~10个,对电离层穿透点空间分布的影响在可接受范围内。      

基站簇多点定位原理及性能分析

机场场面多点定位（MLAT）利用到达时间差（TDOA）实现目标定位。针对多点定位模式存在时延标准差大、基线较长、竖直方向精确度较差、布设难度大等问题，引入基站簇概念，提出一种多点定位基站簇布站（C-MLAT）模式，揭示基站簇定位原理及性能状态，建立CMLAT模型。基站簇内部易于时钟精确同步，简化几何精度衰减因子（GDOP）计算，GDOP分布状态证明C-MLAT在缩短基线后通过补充站或多基站簇联合定位的方式，都可满足定位需求。利用C-MLAT建立甲、乙2类布站方式，水平方向精确度误差与竖直方向精确度误差显著降低，其中，甲、乙2类C-MLAT将水平方向精确度误差分别提高到1.76 m和1.69 m，竖直方向精确度误差分别降低约26%和36%，验证了C-MLAT定位具有更佳的性能和应用优势。     

基于三频数据的北斗卫星导航系统DCB参数精度评估方法

差分码偏差（Differential Code Biases,DCB）参数作为导航电文中重要的一项,是影响用户PNT服务的主要误差源之一。北斗卫星导航系统（后文简称“北斗系统”）发射三个频点的导航信号,在导航电文中需要发播卫星的2个TGD（Timing Group Delay）参数。文章首先介绍了北斗系统卫星DCB参数最小二乘解算与形式误差评估;其次根据北斗系统三频特点,提出了不同频点组合计算垂直方向电离层电子总含量（VTEC）互差的DCB精度定量评估方法,并与IGS(International GNSS Service)提供的GPS卫星DCB精度进行比较;最后,详细分析了DCB参数精度对用户等效距离误差（UERE）计算和定位计算的影响,分别采用卫星出场标定DCB参数和经过解算DCB参数进行评估。实测数据分析结果表明,北斗系统卫星DCB参数解算形式误差与IGS解算GPS卫星DCB参数形式误差相当,但受卫星类型和解算测站的几何分布限制,北斗系统卫星DCB参数解算不确定度相比IGS略差,估计精度优于0.5ns,不同频率组合计算VTEC互差绝对值均值优于0.6TECU。相比采用卫星出场标定值,采用系统解算DCB参数后,双频用户三维位置误差改善13.80%～47.42%。