张小红教授团队：外部电离层约束的GNSS PPP-RTK| SANA佳文速递
标题：外部电离层约束的GNSS PPP-RTK
作者：张小红*，任晓东，陈军，左翔，梅登奎，刘万科
主题词：全球导航卫星系统（GNSS）；精密单点实时动态定位（PPP-RTK）；电离层约束；先验方差；收敛时间
（图片来自作者）
引用文章:
Zhang, X. H., Ren, X. D., Chen, J. et al. Investigating GNSS PPP–RTK with external ionospheric constraints. Satell Navig 3, 6 (2022). https://doi.org/10.1186/s43020-022-00067-1
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https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-022-00067-1
GNSS PPP-RTK with External Ionospheric Constraints
The performances of PPP-RTK depend much on the accuracy of ionospheric information derived from different network scales when given different prior variances.
This study investigates the relationships between the PPP-RTK performances, in terms of precision and convergence time, and the accuracy of external ionospheric information. The external ionospheric information after adding errors leads to a long convergence time for PPP-RTK when given a small variance, while it leads to almost the same convergence time for PPP-RTK when given a larger prior variance as that of PPP-AR. Only when the PPP-RTK model is constrained by the ionospheric information with an optimal prior variance can the convergence time be shortened greatly. It is further studied by simulation that the Travelling Ionospheric Disturbance (TID) increases the errors of ionospheric corrections, thus affecting the convergence time, positioning accuracy, and reliability of PPP-RTK.
本文亮点
研究了基于全球电离层格网模型（GIM）和不同站间距GNSS参考站网倾斜电离层约束信息的PPP-RTK定位性能。
分析了外部电离层约束信息的先验方差值对PPP-RTK定位结果的影响，研究表明合理确定电离层模型的外符合精度对于缩短PPP-RTK初始化时间极为重要。
通过仿真模拟数据，研究了复杂电离层空间天气效应下（如电离层行波扰动）对PPP-RTK定位精度和收敛速度的影响。
内容简介
精密单点实时动态定位（PPP-RTK）融合了精密单点定位（PPP）和实时动态定位（RTK）两者的优势，是目前极具发展潜力的广域实时精密定位技术。PPP-RTK定位初始化时间严重依赖于外部电离层模型精度，并且在PPP-RTK定位模型中通常采用“经验值”作为电离层待估参数的初始方差，这并不能最大限度地发挥外部电离层模型的约束效果。
本文从定位精度和收敛时间方面，首先研究了不同站间距GNSS参考站网计算得到的外部电离层约束及先验方差信息对GPS PPP-RTK定位性能的影响。结果表明，相比于PPP固定解，引入GIM作为外部电离层约束信息进行PPP-RTK（PPP-RTK-GIM）解算，其首次固定时间（TTFF）提高了20%-50%。基于小尺度（站间距300km）、中尺度（站间距500km）和大尺度（站间距800km）GNSS参考网所提取的电离层延迟信息对PPP-RTK进行约束，其首次固定时间分别为4.4分钟、5.2分钟和6.8分钟。其次，为了分析外部电离层约束信息的先验方差对PPP-RTK定位结果的影响，向本站提取的电离层延迟信息分别加入0.5 TECU、1 TECU、3 TECU和5 TECU的误差。对于加入误差后的电离层延迟约束信息，如果给定的初始方差较小，PPP-RTK收敛时间变长；如果给定的初始方差较大，PPP-RTK收敛时间与PPP-AR相同；只有当初始方差信息与电离层约束信息精度一致时，PPP-RTK的收敛时间才能达到最短。最后，通过模拟仿真实验，进一步研究了电离层行波扰动（TID）对PPP-RTK性能的影响，结果表明TID会增加电离层延迟信息的误差，从而影响PPP-RTK的收敛时间、定位精度和可靠性。
I 不同站间距GNSS参考站网电离层约束信息的PPP-RTK定位性能
从图1中我们可以看到，PPP-RTK-300（站间距为300 km）、PPP-RTK-500（站间距为500 km）和PPP-RTK-800（站间距为800 km）的首次固定时间分别为4.4分钟、5.2分钟和6.8分钟，相应的固定率分别为97%、96%和93%。由此可见，PPP-RTK-300定位性能最好，其次是PPP-RTK-500，最后是PPP-RTK-800，这是因为电离层约束信息的精度很大程度上取决于GNSS参考网的站间距离。II 电离层约束信息的先验方差值对PPP-RTK定位结果的影响
从图2 可以看出，不同电离层约束下PPP-RTK的收敛时间随初始方差信息的变化趋势基本类似，对于加入误差后的电离层延迟约束信息，如果给定的初始方差较小，PPP-RTK收敛时间变长；如果给定的初始方差较大，PPP-RTK收敛时间与PPP-AR相同；只有当初始方差信息准确匹配电离层约束信息精度时，PPP-RTK的收敛时间才能显著缩短。图3和图4结果进一步表明：当先验方差相同时，随着电离层约束信息的误差增大，PPP-RTK收敛时间明显增加；当电离层约束信息的误差相同时，不同的先验方差值显著影响PPP-RTK定位精度和收敛速度。
图 3 先验方差相同，不同电离层约束信息误差对PPP-RTK定位性能的影响。
III 电离层行波扰动对PPP-RTK定位性能的影响从图5可以看出，将模拟TID扰动误差加入到电离层约束信息后，PPP-RTK的定位性能受到严重影响。在每次重新初始化阶段， PPP-RTK的收敛时间明显变长。并且，加入TID扰动误差之后，如果仍然给定较小的初始方差信息，那么PPP-RTK定位精度明显下降。
作者简介
张小红 教授
本文第一和通讯作者武汉大学
▍作者简介张小红，武汉大学教授、博士生导师。长期从事卫星导航定位技术及其应用、组合导航等方面的研究工作。发表论文200余篇，其中SCI 120余篇，ESI高被引论文6篇，出版专著4部，编写教材3本，获国家发明专利10项。国际大地测量协会会士（IAG Fellow），2021年入选全球前2%顶尖科学家榜单。个人主页（点击前往）撰稿：本文作者
编辑：星航
校对：任教授
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