Multi--GNSS精密单点定位固定解方法与性能评估

摘要

精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术发展于上世纪末，它仅用一台接收机的载波相位和测码伪距观测值即可实时或事后实现高精度定位，被广泛应用于大地测量、工程测量及地球空间科学等研究领域。近年来，多星座导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)的发展和PPP模糊度固定技术的实现，为PPP技术的研究与应用注入了新的活力。多星座条件下，卫星数量更多，卫星观测几何更好，能够缩短收敛时间并提高定位精度。而PPP模糊度固定技术充分利用了载波信息，能够进一步提高定位精度，并在一定程度上加快收敛速度。多系统组合PPP模糊度固定已成为卫星导航领域的前沿热点方向。 目前，GPS的PPP模糊度固定技术已趋于成熟，多系统PPP浮点解在模型算法方面也较为完善;但是有关融合GPS、GLONASS、Galileo、BDS四大系统的PPP模糊度固定技术还没有实现。本文在GPS PPP模糊度固定理论的基础上，采用了四大卫星导航定位系统的观测数据，研究了multi-GNSS多系统PPP模糊度固定的理论和算法，评估了Multi-GNSS PPP固定解的定位性能。主要工作如下: (1)分析了北斗二代GEO、IGSO和MEO卫星的伪距偏差序列，针对IGSO和MEO卫星的伪距偏差随高度角变化的特性，采用加权分段线性方法建立了IGSO和MEO卫星的伪距偏差改正模型;针对GEO卫星的伪距偏差和多路径效应，采用恒星日滤波的方法削弱了伪距偏差和多路径的影响。对北斗伪距观测值进行伪距偏差改正后，伪距单点定位结果精度得到了明显的改善，宽巷模糊度的收敛速度也有一定提升。进一步分析了北斗三代实验星的伪距偏差特性，结果表明北斗三代卫星几乎不存在伪距偏差。 (2)分析了北斗PPP模糊度难以固定为整数的原因，讨论了北斗系统特有的相关误差的处理策略，实现了北斗GEO、IGSO和MEO卫星的相位小数偏差估计，并分析了相位小数偏差的时空特性。结果表明北斗卫星的宽巷和窄巷UPD序列均十分稳定，在十天范围内的标准差小于0.15周。对于宽巷UPD产品，IGSO卫星的UPD序列明显优于GEO和MEO卫星。相比于香港网和MGEX，中国陆态网的宽巷UPD最稳定，标准差仅为0.03周，数据利用率高达94.07％。对于窄巷UPD产品，香港网，中国陆态网和MGEX网的标准差分别为0.037，0.052和0.058周。利用香港网测站估计得到窄巷UPD稳定性最高，且具有最高的数据利用率和最优的残差分布，主要是由于参考网范围较小，公共的轨道误差和大气误差可以被吸收到卫星UPD中。 (3)基于稳定可靠的北斗UPD产品，实现了联合GEO/IGSO/MEO卫星的单北斗PPP模糊度固定。对于北斗PPP，模糊度固定后，收敛时间得到明显缩短，定位精度得到显著的提升。对于北斗静态PPP固定解，香港网和中国陆态网测站的平均首次固定时间约为40分钟，固定百分比分别为91.3％和76.4％，MGEX测站的平均首次固定时间相对较长，约为57.4分钟，固定百分比为68.99％。香港网测站北斗静态PPP固定单天解的在E/N/U方向的定位精度可达(0.72，0.54，3.21)cm，相较于浮点解提升了58.6％，50％和41.8％。对于动态PPP,香港网，中国陆态网和MGEX网的首次固定时间分别是49.0，48.3和73.4分钟，固定百分比为84.44％，63.50％和60.17％。 (4)建立了GNSS四系统融合的UPD估计模型。基于MGEX/IGS的观测数据，估计了四系统的UPD产品，并从时间稳定性，数据利用率，残差分布等多个方面进行质量检核。其中GPS宽巷UPD在30天内的平均标准差为0.023周，窄巷UPD的标准差为0.04周。北斗卫星伪距偏差的改正对于北斗卫星的UPD估计有重要作用。伪距偏差改正后，北斗卫星宽巷UPD在稳定性方面有明显的提升，尤其是北斗IGSO和MEO卫星，提升超过了75％，北斗卫星窄巷UPD产品的一致性也有所改善。为了克服GLONASS卫星频间偏差的影响，使用四种类型接收机（TRIMBLE NETR9_all version，TRIMBLE NETR9_5.15，JAVADTRE_G3TH DELTA和LEICA）估计了GLONASS卫星的UPD产品。结果表明，GLONASS宽巷UPD的标准差小于0.06周，窄巷UPD的标准差小于0.11周。分别使用全球和欧洲测站估计Galileo卫星的UPD产品，结果表明两种网估计得到Galileo产品的标准差均小于0.02周，窄巷UPD小于0.11周。 (5)实现了四系统PPP模糊度固定解，并评估了四系统PPP模糊度固定的定位性能。相比于PPP浮点解，PPP模糊度固定可以缩短收敛时间，提升定位精度。而四系统PPP固定解能够实现最快的收敛，达到最高的定位精度。当截止高度角为7°时，四系统PPP固定解的首次固定时间为9.21分钟，相较于单系统和双系统的定位结果，有明显的提升。当截止高度角增加到30°，GPS和GPS+Galileo的首次固定时间超过35分钟，明显变慢，而四系统PPP固定解的首次固定时间仅需要13.24分钟。在10分钟内，四系统PPP固定解的定位精度在E、N、U方向可以达到(1.84，1.11，1.53)cm，而单GPS PPP固定解的定位精度仅为(2.25，1.29,9.73)cm。在两个小时内，四系统PPP固定解相对浮点解在E、N、U方向提升了69.6％，15.2％和10.6％。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1精密单点定位浮点解方面

1．2．2精密单点定位固定解技术方面

1．3论文主要的研究目标及内容

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

第二章多系统组合精密单点定位理论与方法

2．1精密单点定位数学模型

2．2数据预处理

2．2．1周跳探测

2．2．2钟跳的探测与修复

2．2．3伪距粗差探测

2．3参数估计方法

第三章北斗GEO/IGSO/MEO卫星伪距偏差改正方法研究

3．1北斗卫星伪距偏差特性分析

3．1．1 GNSS伪距多路径偏差分析

3．1．2北斗卫星伪距偏差特性分析

3．2北斗卫星伪距偏差改正

3．2．1北斗IGSO/MEO卫星伪距偏差改正模型

3．2．2 GEO卫星伪距偏差改正

3．2．3北斗卫星伪距偏差改正对定位的影响

3．3 BDS-3卫星伪距偏差特征

3．3．2 BDS-3卫星MP序列

第四章多系统相位小数偏差估计及结果分析

4．1多系统相位小数偏差估计模型

4．2 GNSS四系统相位小数偏差结果分析

4．2．1 GPS相位小数偏差

4．2．2 BDS相位小数偏差

4．2．3 GLONASS相位小数偏差

4．2．4 Galileo相位小数偏差

第五章Multi-GNSS精密单点定位固定解结果与对比分析

5．1多系统PPP模糊度固定关键技术

5．2北斗固定解定位性能分析

5．2．1北斗静态PPP定位结果分析

5．2．2北斗动态PPP定位结果分析

5．3 GNSS四系统模糊度固定结果分析

第六章总结与展望

6．1论文所做的工作

6．2未来的展望

参考文献

硕士期间发表论文与获奖情况

致谢