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2020年 第49卷 第9期    刊出日期：2020-09-20

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北斗卫星导航试验验证系统设计与实现

郭树人, 王威, 高为广, 卢鋆, 柴强, 刘文祥, 陈颖

2020, 49(9):  1073-1083.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200330

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北斗卫星导航系统是一个构成庞大、星地一体紧密耦合、建设周期长、技术状态不断演进的巨系统。面临着关键技术体制复杂、组网发射密度高、系统稳定运行难度大等多方面挑战，对系统的试验验证工作提出了极高的要求。本文分析了北斗系统在设计试验、星地对接及等效运行等方面试验验证任务，提出了一个与北斗系统全系统、全规模、全要素等效的地面试验验证系统体系架构。该系统具备软硬件平台协同工作、仿真系统与真实系统的等效运行，以及试验平台与卫星地面等系统远程互联等突出特点，解决了多系统仿真建模、系统高动态特性模拟及软硬件协同仿真等难题，实现了对北斗系统设计、建设与运行阶段的全过程验证，以及对北斗系统星间链路、卫星自主完好性及精密定轨等技术体制的试验验证。本文提出的系统是目前卫星导航领域唯一一个实现系统全状态仿真、能与真实系统同步迭代演进并协同运行的试验验证系统，可为其他航天任务的试验验证工作提供参考。

PPP/PPP-RTK新进展与北斗/GNSS PPP定位性能比较

张小红, 胡家欢, 任晓东

2020, 49(9):  1084-1100.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200328

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首先简要回顾了精密单点定位（PPP）技术在最近几年的发展现状，重点总结了高采样率钟差实时快速估计、多系统组合PPP模糊度固定、多频GNSS PPP模型及其模糊度固定、PPP快速初始化、PPP-RTK等若干热点方向的最新研究进展。在此基础上，利用目前四大卫星导航系统（GPS、GLONASS、Galileo、北斗）最新的实际观测数据，全面比较分析了各系统及多系统组合PPP定位性能，重点给出了北斗二号+北斗三号PPP浮点解和固定解的定位精度、收敛时间和首次固定时间。结果表明：我国北斗导航卫星系统已经可以实现与其他导航卫星系统基本相当的PPP定位性能。北斗二号+北斗三号组合PPP的收敛时间/首次固定时间20~30 min；静态解的东、北、天方向定位精度在毫米到厘米级；动态解水平方向约5 cm，高程方向约7 cm；多系统组合可显著提高PPP定位精度、收敛时间和首次固定时间：固定解定位精度比浮点解在东、北、天方向分别提升了14.8%、12.0%和12.8%；相比单GPS，多系统组合PPP浮点解的收敛时间和固定解首次固定时间分别缩短了36.5%和40.4%。

北斗卫星天线相位中心改正模型精化及对精密定轨和定位影响分析

张勤, 燕兴元, 黄观文, 解世超, 曹钰

2020, 49(9):  1101-1111.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200289

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针对BDS-2和BDS-3卫星联合精密定轨和精密定位中高精度BDS-2 IGSO/MEO卫星天线相位中心改正在轨估计模型的缺失问题，本文采用了改进的PCV和z-offset参数估计方法，精化了BDS-2 IGSO/MEO卫星B1I/B3I无电离层组合PCC模型。数值验证结果表明：相比北斗官方发布的PCO地面标定值，本文精化的PCC模型使得精密轨道SLR残差的STD减小了0.6~2.4 cm，改善百分比为8.6%~33.3%；基于本文精化的BDS-2和已有BDS-3卫星精化的PCC模型使得精密定位浮点解在高程方向显著提升了9.5 mm（37.2%）。

基于北斗/GNSS的中国-中南半岛地区大气水汽气候特征及同降水的相关分析

施闯, 张卫星, 曹云昌, 楼益栋, 梁宏, 范磊, C SATIRAPOD, C TRAKOLKUL

2020, 49(9):  1112-1119.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200339

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本文采用统一的处理模型和处理策略对中国-中南半岛地区地基北斗/GNSS测站2006—2016年历史观测数据进行高精度重处理和水汽反演，获得近10年的大气可降水含量（PWV）产品。基于北斗/GNSS PWV产品，研究了该地区大气水汽平均含量、年周期振幅和半年周期振幅等气候特征，发现这些特征主要受到了测站纬度、高程以及季风的影响。通过分析PWV同并址气象站降水观测的关联特性，揭示了该地区大气水汽含量同降水相关性随测站纬度减小而降低的特点（在云南相关系数可达0.8，在靠近赤道的泰国南部相关系数约为0.2）。此外，PWV和降水的距平值相关分析表明，相比于历史同期，大气水汽含量较高的月份在一定程度上对应着降水异常偏高，两者相关系数为0.2~0.4。

Galileo三频非组合精密定轨模型及精度评估

李星星, 黄健德, 袁勇强, 李婕, 刘城伯, 朱艺婷

2020, 49(9):  1120-1130.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200320

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不断丰富的多频信号为GNSS精密数据处理带来了新的机遇与挑战。本文首先推导了适用于多频非组合（UC）观测值的GNSS卫星精密定轨模型，并给出了多频UC模糊度的双差约束策略。在此基础上，本文基于全球分布的150个MGEX测站的观测数据，对UC模型和无电离层组合（IF）模型分别使用E1/E5a、E1/E5b和E1/E5a/E5b观测值进行了Galileo卫星精密定轨。采用与外部精密产品对比、轨道边界不连续性比较和卫星激光测距（SLR）检核等方法评估了不同策略的定轨精度。结果表明：双频情况下，本文提出的UC模型与目前常用的IF模型定轨精度基本一致，两者定轨结果的1DRMS差异在1 mm以内，钟差STD差异在0.01 ns以内，SLR残差差异在2 mm以内。使用E1/E5a/E5b观测值后，UC模型和IF模型的浮点解精度相较于使用E1/E5b观测值的结果有1~2 mm的改善。

北斗卫星伪距偏差标定及对用户定位精度影响

唐成盼, 宿晨庚, 胡小工, 高为广, 刘利, 卢鋆, 陈颖, 刘成, 王威, 周善石

2020, 49(9):  1131-1138.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200329

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伪距偏差是指卫星导航信号非理想特征导致的不同技术状态接收机产生的伪距测量常数偏差。本文将伪距偏差作为一种用户段误差，提出基于并置接收机的伪距偏差计算方法和基于DCB参数的伪距偏差计算方法，以实现伪距偏差与其他误差的分离。然后利用实测数据测量了北斗卫星伪距偏差，结果表明伪距偏差标定序列波动STD约为0.1 m，不随时间明显变化，不同地点接收机测量的伪距偏差具有较好的一致性。在1.5 G频段，北斗卫星B1I频点伪距偏差最大。北斗卫星新体制信号B1C伪距偏差最小，较北斗卫星B1I频点伪距偏差明显改善，也明显好于GPS卫星L1C/A频点伪距偏差。在其他频段，GPS卫星L2C伪距偏差略大于北斗卫星B3I伪距偏差，L5C频点伪距偏差次之，B2a频点伪距偏差最小。最后，利用实测数据分析了伪距偏差对定位精度的影响。结果表明伪距偏差与卫星群延迟参数高度相关。若用户接收机与群延迟参数计算采用的接收机技术状态差异较大，用户接收机定位精度将明显恶化。

北斗三号多频相位模糊度无几何单历元固定方法

章浙涛, 李博峰, 何秀凤

2020, 49(9):  1139-1148.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200325

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北斗三号全球卫星导航系统目前已提供5个频率的观测数据，因此理论上可进行多频相位模糊度解算（MCAR）。本文系统研究了MCAR的基本理论和方法，包括三频（TCAR）、四频（FCAR）和五频（FiCAR）相位模糊度固定。首先，从线性组合角度出发，给出了TCAR、FCAR和FiCAR方法在内的基本数学模型。其次，探讨了高质量信号及在不同基线长度条件下的最优线性组合。此外，分析了利用无几何模型单历元模糊度固定的常用方法。最后，利用实测北斗三号五频观测数据进行了试验。结果表明，MCAR可有效进行单历元模糊度固定，同时频率数增加可显著提高模糊度固定成功率。

基于北斗星间链路闭环残差检测的星间钟差平差改正

刘成, 高为广, 潘军洋, 唐成盼, 胡小工, 王威, 陈颖, 卢鋆, 宿晨庚

2020, 49(9):  1149-1157.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200319

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利用“闭环检测”思想检测和修正系统测量累积误差，是工程科学中的常用和有效手段。本文指出了北斗三号系统全球星间链路中所存在的有利闭环条件，并提出一种利用其进行闭合残差检测与分析的方法。在此基础上，构建了闭合残差整网平差模型，实现了对北斗三号卫星星间相对钟差的误差修正。基于在轨实测数据的计算表明，北斗三号系统全球星间链路中确实存在着明显的常数性或周期性非零闭合残差。通过对星间链路闭环残差的平差修正，基本消除了卫星星间钟差不闭合的现象，减少星间钟差随机噪声30%~50%，有效提高了星间相对钟差测定的精度，有利于提升北斗系统服务能力。

高轨航天器GNSS技术发展

王猛, 单涛, 王盾

2020, 49(9):  1158-1167.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200170

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随着高轨航天器任务和数量逐步增多，使用高轨GNSS技术在一定程度上避免了传统地面测控的局限性，降低了测控站网运行负担和维护成本，且提高了卫星平台自主导航能力和测定轨精度，具有显著的研究意义和应用价值。本文对GNSS用于高轨航天器的技术发展进行分析研究，对比低轨航天器，分析了GNSS在高轨空间环境中应用特点；从高轨GNSS可用性、在轨技术验证和高灵敏接收机技术3个方面，总结高轨GNSS自主导航技术特点和发展历程；分析了高轨事后精密定轨和编队卫星相对导航新任务中GNSS技术特点；从高轨航天器未来发展出发，给出后续高轨GNSS技术研究展望。

利用多模多频GNSS-IR信号反演沿海台风风暴潮

何秀凤, 王杰, 王笑蕾, 宋敏峰

2020, 49(9):  1168-1178.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200228

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台风风暴潮每年给沿海城市造成了极大的损失，近年来利用GNSS反射信号的地基遥感方法可以用于潮位监测，称为GNSS-IR（global navigation satellite system-interferometric reflectometry），对风暴潮期间验潮站资料进行补充。由于风暴潮发生时间短且破坏性强，单系统GPS的时间分辨率难以满足海洋灾害的监测需求。本文基于中国香港站（HKQT）和巴哈马群岛站（BHMA）的多模多频GNSS卫星观测数据反演了3次沿海风暴潮事件。先对多模多频数据的质量进行分析，随后分别对2019年飓风“多里安”、2018年台风“山竹”和2017年台风“天鸽”引起的3次风暴潮，利用基于滑动窗口的最小二乘法对多模多频GNSS-IR反演结果进行改正并与验潮站实测值对比分析。试验结果表明，利用多模多频GNSS-IR反演“多里安”风暴潮的精度优于14 cm，反演“天鸽”和“山竹”风暴潮的精度优于9 cm。相比GPS单系统，多模多频GNSS-IR能够提高监测的精度和时间分辨率，有效提取风暴潮中异常潮位的涨潮、峰值和落潮的全过程，对海洋灾害的研究监测发挥重要作用。

小波变换与滑动窗口相结合的GNSS-IR雪深估测模型

边少锋, 周威, 刘立龙, 李厚朴, 刘备

2020, 49(9):  1179-1188.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200268

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GNSS干涉反射技术（GNSS interferometric reflectometry）是一种新型的地表雪深监测方式。针对当前信号分离不佳和随机估测偏差的问题，提出联合小波变换和滑动窗口构建一种多卫星融合的GNSS-IR雪深估测精化模型。该模型采用离散小波变换代替常用的多项式方法，获取高质量的信噪比序列。通过利用阈值约束下的滑动窗口筛选多卫星有效反射高度，并进行等权平均。以PBO H₂O和SNOTEL的雪深数据为参考值，利用2016—2017年雪季的GNSS观测数据建立模型并验证精度。结果表明：①GNSS-IR精化模型估测结果与实测数据在整体趋势上保持高一致性；②与单颗卫星结果相比，多卫星融合估测结果在精度和稳定性方面明显改善，其均方根误差（RMSE）为10 cm，相较于PBO H₂O减少了近50%。此外，考虑到地表粗糙度作为一种误差影响因素，采用新的反射高度基准修正的雪深估测相对RMSE误差约4 cm，同时估测值与实际值的相关系数达到0.98。

BDS/Galileo四频精密单点定位模型性能分析与比较

苏珂, 金双根

2020, 49(9):  1189-1201.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200236

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北斗卫星导航系统和Galileo卫星系统都可以提供4个频率信号上的服务。本文通过与双频无电离层模型（DF）比较，评估分析了4种BDS/Galileo四频PPP模型性能，即四频无电离层双组合模型（QF1）、四频无电离层组合模型（QF2）、四频非差非组合模型（QF3）和附加电离层约束四频非差非组合模型（QF4），同时通过等价性原则理论上证明了QF1、QF2、QF3模型的等价性。此外，用1个月参考站的静态数据和1组动态数据分析了四频静态，仿动态和动态PPP性能。试验结果表明，BDS-3 B1C和B2a新频点伪距噪声要略大于B1I和B3I信号，Galileo卫星4个频率上的伪距噪声相差并不明显。对于静态和仿动态PPP模型，QF1、QF2和QF3模型定位性能基本上一致。通过附加外部电离层约束，四频PPP模型性能受到影响，BDS（BDS-2+BDS-3）静态QF4模型相比于QF1、QF2和QF3模型平均收敛时间分别减少了4.4%、4.4%和5.4%，Galileo静态Q4模型平均收敛时间相比于Q3模型增加了16.8 min。对于动态PPP，四频PPP模型相比于双频PPP性能得到提升显著，相比于QF1模型，BDS和Galileo单系统QF4模型三维定位精度分别提高了11.4%和31.4%。BDS/Galileo双系统PPP性能要优于单系统PPP。

GNSS信号土壤衰减模型的试验验证方法

汉牟田, 杨毅, 张波

2020, 49(9):  1202-1212.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200259

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GNSS（global navigation satellite system）信号在土壤中的衰减情况对于研究GNSS反射信号的有效遥感深度具有重要意义。本文通过试验研究了北斗信号与GPS（global positioning system）信号在土壤中的衰减情况。在试验设计上将GNSS天线置入土壤中并不断改变天线上方的土壤厚度与湿度以采集GNSS信号的功率衰减数据，最后利用这些数据反演土壤湿度以对GNSS信号土壤衰减模型进行验证。试验结果表明，土壤能够使GNSS信号发生明显的衰减。土壤的湿度值与厚度值越大，GNSS信号功率衰减越严重。在黏土土质，土壤湿度为0.15~0.30 cm³/cm³的情况下，当土壤厚度达到21 cm时，GNSS信号功率已衰减至无法被GNSS接收机测出。进一步根据GNSS信号衰减模型反演土壤湿度，结果显示，模型在土壤厚度大于等于10 cm、卫星仰角高于50°的情况下较为精确，此时利用北斗B1信号与GPS L1信号反演土壤湿度的均方根误差分别小于0.04 cm³/cm³与0.09 cm³/cm³。

北斗三号空间信号测距误差评估与对比分析

刘伟平, 郝金明, 吕志伟, 谢建涛, 刘婧, 焦博

2020, 49(9):  1213-1221.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200266

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北斗三号作为我国自主建设的全球卫星导航系统，其本身性能水平以及与其他卫星导航系统的性能对比情况，对后续推广应用具有重要影响。为此，本文以空间信号测距误差（signal-in-space range error，SISRE）作为系统关键性能指标，以GFZ提供的多系统精密轨道钟差作为标准，给出了卫星轨道、卫星钟差、SISRE的比对评估方法，并以2020年1—3月共3个月的实测数据，验证了北斗三号相对北斗二号的精度改进情况，并重点分析了北斗三号与GPS、Galileo、GLONASS之间的性能对比关系。结果表明：无论是卫星轨道还是卫星钟差，北斗三号的精度水平相对北斗二号都有了明显提高；北斗三号卫星轨道在R、T、N方向精度分别达到0.07、0.30、0.26 m，在4个全球系统中处于最优水平；卫星钟差精度达到1.83 ns，基本与GPS系统持平，优于GLONASS，但还略差于Galileo；在空间信号测距误差方面，如果仅考虑轨道误差，北斗三号SISRE（orb）平均达到0.08 m，紧随其后，Galileo达到0.26 m，GPS达到0.57 m，GLONASS达到0.98 m。如果综合考虑轨道和钟差误差，北斗三号SISRE平均达到0.50 m，稍逊于Galileo的0.38 m，略优于GPS的0.58 m，明显好于GLONASS的2.35 m。

顾及GEO卫星约束的长距离BDS三频整周模糊度解算

祝会忠, 雷啸挺, 徐爱功, 李军, 高猛

2020, 49(9):  1222-1234.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200263

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长距离BDS三频载波相位整周模糊度解算受大气误差残余的影响较大，GEO卫星相对于地球静止也非常不利于载波相位整周模糊度的解算。利用GEO卫星的信号传播路径相对较稳定、大气延迟误差的影响不随卫星空间位置变化的特点，对GEO卫星进行更符合实际情况的大气延迟误差约束研究。利用GEO卫星B2和B3载波相位整周模糊度线性关系，降低测站差分电离层延迟误差残余对模糊度备选值的影响，进行B2和B3载波相位整周模糊度备选值的选择。通过三频载波相位整周模糊度间不包含观测误差影响的线性关系对模糊度备选值组合进行检测，并对模糊度搜索空间进行约束。利用历元间GEO卫星的模糊度备选值判断历元间电离层延迟误差残余的变化，对GEO卫星的参数估计进行更符合实际情况的约束。研究了顾及GEO卫星实际大气延迟变化和整周模糊度约束的长距离BDS三频载波相位整周模糊度解算方法。提出了利用历元间模糊度备选值确定电离层延迟约束值的方法，对GEO卫星历元间随机游走的约束值进行符合实际情况的调整。试验结果表明，本文的方法能够提高三频载波相位整周模糊度解算的效率和测站位置的精度。

基于星载数字滤波器的分段式预失真优化方法

刘晗, 杨志梅, 徐启炳, 陈玲玲, 张立新

2020, 49(9):  1235-1242.  doi:10.11947/j.AGCS.2020.20200331

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卫星导航系统可以为全球各类用户提供高精度的导航、定位、授时服务，导航信号质量是影响系统服务性能的重要因素。导航载荷发射信道的非理想特性会引起导航信号的幅频特性和相频特性的变化，因此需要通过预失真手段对通道特性进行补偿。北斗三号卫星在数字段配置了预失真滤波器，但是由于受到星上资源有限以及宽带预失真算法精度不高等因素的制约，导航信号质量在预失真调整过程中很难快速收敛到指标范围内。本文设计了一种基于星载数字滤波器的分段式高精度预失真方法。在宽带滤波器已有的参数基础上，按权值和调整需求进行动态地、精细化地预失真补偿，使得关注的重点指标收敛精度更高。该方法经过了20颗卫星的在轨验证，是在轨导航信号质量优化的重要技术手段。