GPS/Galileo非差非组合实时精密单点定位快速收敛与模糊度固定

论文摘要

实时精密单点定位（Real-time Precise Point positioning,简称RT PPP）技术因其精确性与可用性等优势,已成为国内外科研机构与学者的研究热点。与相对定位不同,PPP无需高密度的架设基准站,利用单台接收机即可获得全球范围内高精度的测站坐标、接收机钟差和大气延迟等多种信息,因此已被广泛应用于精密定位、授时、大气监测等相关地球科学领域中。传统双频无电离层组合PPP消除了一阶电离层对定位的影响,但由于线性组合减少了观测方程数量且放大了观测值噪声,这将对定位的可靠性与精确性带来一定的不利影响。然而非差非组合PPP直接利用GNSS的原始观测值,不做任何线性组合,提供了更丰富的测量信息,提高了平差方程的冗余度,并保留了电离层信息,更加适用于未来多频多系统PPP的发展趋势。国内外许多学者对GNSS非差非组合PPP的定位模型展开了较为系统的深入的研究,但现阶段实时PPP的滤波收敛时间依然长达30分钟或以上,其收敛时间与当前网络RTK（Real-time Kinematic）相比还有一段较长距离,这也是限制实时PPP在某些工程方面应用的主要原因。在实时PPP模糊度固定解方面,目前CNES分析中心的CLK 9X挂载点实时播发多频非组合相位小数偏差产品,但现有的国内外文献却很少有对该产品进行清晰的描述,尚未有学者对该产品进行系统性的分析,对该产品应用于三频实时PPP模糊度固定的研究还非常有限。因此随着实时PPP技术的不断发展,滤波的快速收敛以及多频多系统非差模糊度固定问题仍然是当前研究的一个难题。针对上述需求和问题,本论文旨在:对GPS/Galileo实时PPP定位理论进行深入地研究,系统地介绍定位的主要误差来源及其处理方法,比较并分析单系统、多系统双频非差非组合PPP浮点解的定位性能。围绕GPS/Galileo PPP的滤波快速收敛方面,阐述了附加电离层约束的单频、双频实时PPP的数学模型,提出了一种精密确定电离层约束方差的方法,加快滤波收敛速度并提高收敛后定位的可靠性。在GPS/Galileo PPP模糊度固定方面,详细介绍CNES分析中心整数相位钟与非组合相位偏差的关系,从收敛性能和定位精度等方面分析三频模糊度固定对定位性能的影响。论文的主要工作和以及主要研究内容如下:（1）系统的梳理了传统双频无电离层组合与非差非组合实时PPP的数学模型,详细的阐述了PPP的主要误差来源以及处理方法,并基于MGEX网观测数据和CNES分析中心的实时产品,深入分析了单/多系统实时PPP浮点解的卫星可见性、收敛性以及定位精度,其结果表明:单GPS系统的可见卫星大约在1113颗左右,PDOP约在1.251.55左右,待Galileo卫星加入,在全球范围内最少能观察到18个卫星,某些地区可见卫星数量甚至高达22颗,可观测卫星数量扩大了接近一倍;在滤波收敛时间方面,单GPS系统的非差非组合实时PPP在静态、仿动态定位模式下平均收敛时间分别为32.4 min和48.3 min,而GPS/Galileo组合在两种定位模式下的平均收敛时间为26.2 min和33.8 min,提高率分别为20%与30%。滤波收敛后,相较于单GPS系统,GPS/Galileo实时非差非组合PPP在静态模式下的水平方向与高程方向的定位精度分别能提高26%和7.8%,在仿动态模式下两个方向的定位精度分别能提高15%和14.7%。（2）从GNSS实时精密单点定位非差非组合数学模型出发,分析了附加电离层约束的PPP数学模型,比较了CNES分析中心提供的实时电离层改正量与CODE后处理GIM产品的差异。针对实时电离层改正量与实际观测量之间权比关系难以确定的问题,本文提出一种顾及历史信息的电离层约束权因子搜索算法,根据验后残差加权平方和最小原则通过搜索找出较优的权因子,利用验后残差动态调整先验电离层改正量的方差从而达到改善定位结果的目的。为分析该方法应用于附加电离层约束PPP的定位效果,本文采用30个MGEX跟踪站30天GPS/Galileo实测数据进行动态双频,动态单频,静态双频,静态单频四种定位模式的PPP试验,其结果表明,对比传统的约束算法,新方法的收敛速度最大可提高36%。与未加电离层约束的PPP相比,采用本文的方法不仅收敛速度有明显的提升,并且当滤波收敛后能达到同样的定位精度。（3）详细介绍了三频GPS/Galileo非差非组合浮点解的数学模型,阐述了各待估参数之间的相关性以及非差模糊度无法固定为整数的原因,详细推导了整数相位钟模型与多非组合相位偏差产品的转换公式。基于CNES分析中心开源软件PPP-WIZARD对非组合相位偏差产品进行了性能评估,同时采用大量MGEX观测网的GPS/Galileo观测数据对比分析了多种策略的定位精度与收敛性能,其结果表明:GPS/Galileo的单差宽巷和窄巷的小数偏差均呈现出接近0为均值的近似正态分布,GPS卫星的单差宽巷、窄巷小数偏差绝对值小于0.25周的比例分别高达97.8%和92.1%,而Galileo卫星这一比例96.7%和87.1%。相较于浮点解,固定三频模糊度对滤波收敛后的高程、水平方向定位精度均有提高,在静态定位模式中两个方向的提升幅度分别约为20.12%,33.33%,在仿动态定位模式中提升幅度分别约为21.13%、43.52%。在滤波收敛时间方面,固定三频模糊度策略的收敛时间优于其他两种策略,相较于浮点解的收敛时间,在静态与仿动态定位中固定三频模糊度的收敛时间分别提升了约13%和7%。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 变量注释表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 主要研究目标、内容、拟解决的关键性问题
• 2 GPS/Galileo精密单点定位数学模型与误差改正方法
•   2.1 GPS/Galileo PPP数学模型
•   2.2 GPS/Galileo PPP主要误差及其处理方法
•   2.3 GPS/Galileo实时非差非组合PPP定位性能分析
•   2.4 本章小结
• 3 顾及电离层约束的实时GPS/Galileo PPP快速收敛方法
•   3.1 附加外部电离层约束的实时PPP模型
•   3.2 CNES实时电离层产品概况
•   3.3 CNES实时电离层产品先验方差的确定
•   3.4 电离层约束的实时GPS/Galileo PPP定位性能分析
•   3.5 本章小结
• 4 GPS/Galileo三频精密单点定位模糊度固定
•   4.1 GPS/Galileo三频实时非差非组合PPP观测方程及其浮点解
•   4.2 CNES整数相位钟与非组合相位偏差的转换
•   4.3 GPS/Galileo三频实时PPP模糊度固定解试验与分析
•   4.4 本章小结
• 5 总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 未来展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘天骏

导师: 王坚

关键词: 多系统,实时精密单点定位,非差非组合模型,模糊度固定

来源: 中国矿业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 中国矿业大学

分类号: P228.4

总页数: 100

文件大小: 4684K

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