作者Xingxing Li等学者来自武汉大学大地测量与地球物理学院以及德国地球科学研究中心 (GFZ)。这些研究人员发表了一篇名为《Precise Positioning with Current Multi-Constellation Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou》的论文，论文于2015年2月9日发布在期刊《Scientific Reports》上。

本文是一项类型a的原始研究，研究内容围绕当前多星座全球导航卫星系统（GNSSs）的精确定位展开，主要涉及GPS、GLONASS、Galileo及北斗（BeiDou）四大导航系统。本研究的主要目的是评估和分析通过整合多星座GNSS观测数据对精密定位性能的显著贡献，尤其是在受限环境中的应用价值。

学术背景

全球导航卫星系统（GNSS）对科学研究（如大地测量、遥感、空间与基础物理学）和工程服务（如测绘、导航以及时间测定）已产生了深远的影响。从美国的GPS到俄罗斯的GLONASS，这些系统已发展多年。而近年来，中国的北斗导航卫星系统（简称北斗）和欧洲的Galileo系统（伽利略）逐步加入，形成了多星座系统的集成趋势。随着星座系统的快速发展，目前已有超过70颗导航卫星在轨；当四个主要星座系统完全部署时，导航卫星总数将达到约120颗。通过联合利用这些多星座系统，科学家们可以显著优化卫星可见性、空间几何、精度稀释因子、收敛性、定位精度、连续性和可靠性。

研究流程

1. 四系统定位模型的构建
   本研究开发了一个结合GPS、GLONASS、Galileo和BeiDou四系统的定位模型。通过这一模型，可以充分使用来自不同导航卫星系统的所有可用观测数据。该模型涉及对多系统的联合精密轨道确定（Precise Orbit Determination, POD）和精密点定位（Precise Point Positioning, PPP）。为了增强模型表现，作者特别关注系统间和频率间的偏差，并采用适当的电离层约束方法处理数据。

2. 数据采集与分析
   本研究使用了来自国际GNSS服务（IGS）与北斗实验跟踪网络（BETN）的多GNSS观测数据，时间跨度为2013年9月1日至12月9日（共100天）。这些数据来源于全球范围内布设的MGEX和BETN监测站网络（超过90个站点）。

3. 实验与数据处理
   作者基于100天的观测数据进行静态和动态（运动）模式下的PPP解算。研究主要衡量了从单一星座到多星座组合观测的数据质量，包括卫星可见性、PDOP（Position Dilution of Precision，几何稀释精度）、信噪比（SNR）以及多径误差等参数。此外，为了评估不同约束下的定位表现，研究通过提高截止高度角和减短观测时间长度，详细探究了不同模式的定位精度和稳定性。

主要研究结果

1. 卫星可见性
   结果指出，多星座联合可显著改善卫星的可见性。在单星座模式下，GPS和GLONASS提供较高覆盖，而Galileo由于轨道星数不足，其独立定位能力目前较弱。但通过联合GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo模式，每一时段的可见卫星数可达到23到35颗，大大增强了可靠性和鲁棒性。

2. 空间几何和PDOP分析
   通过分析PDOP值，作者发现多星座模式下的PDOP值显著降低，且波动非常稳定。例如，在四系统模式下，PDOP值大多稳定低于1.0，而单系统中，GPS和GLONASS的PDOP值则分别波动在1.5~3.5和1.2~3的范围内。

3. 观测数据质量
   数据质量评估表明，卫星的信噪比（SNR）值通常与轨道高度角密切相关。研究发现当仰角大于15度时，SNR值普遍较高（高于40），而多径误差更小（小于0.5米）。

4. 静态与动态PPP性能
   在静态模式下，多系统联合通过减少收敛时间和提高定位精度表现出显著优势。GPS单系统PPP结果显示，需约30分钟方可达到优于1分米的精度，而结合系统后，多系统模式能够在短短几分钟内达到相同精度。此外，动态模式中，相较于单一系统，四系统组合显著减少轨迹波动，使多系统PPP在受限环境下表现尤为优越。

5. 高仰角约束能力
   在不同观测仰角截止条件下，四系统PPP高稳定性能表明，即使在40度的仰角下，30分钟内的多系统模式仍能达到厘米级精度。而GPS单系统结果表现较差，需超过4小时长时间观测方可接近相似水平。

6. 定位精度
   多系统静态PPP结果显示，12小时观测时，四系统模式的水平和垂直精度分别可达约0.17厘米和0.32厘米，显著优于单系统表现。

研究结论与意义

本研究表明，将GPS、GLONASS、Galileo和北斗系统结合起来，可显著提升高精度定位的能力，特别是在受限环境（如城市峡谷、露天矿坑或存在严重低仰角多径误差的场景）中，其性能表现尤为突出。这不仅降低了收敛时间，而且显著提高了定位解的精度、连续性和可靠性。

多系统模式改进了GNSS应用的广泛性，如高精度测量、导航、定时及遥感等。此外，本研究还发现，三频观测数据的潜力将在未来进一步提升GNSS性能，为基础科学研究和实际应用提供更多机会。

研究亮点

1. 多星座联合使卫星可见性和空间几何优化达到新高度。
2. 提出了具备创新性的多GNSS观测模型和数据融合技术。
3. 精确量化多系统模式下的减噪贡献，提高了受限环境中的应用可能性。

总结

本研究开发并验证了一种基于当前多星座GNSS的精密定位模型，为高精度测量和工程应用带来了全新的可能性。研究工作还为未来多星座系统的持续改进和进一步研究提供了重要的理论和实践支持。