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多系统GNSS非差非组合精密单点定位相关理论和方法研究

周锋  
【摘要】:精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)是二十世纪九十年代末发展起来的一种空间定位技术,能够灵活高效地获取全球范围内的高精度绝对位置信息。PPP解算保留了接收机钟差、大气延迟等有效信息,因此已被广泛应用于精密定位、授时、大气监测、地震和海啸预警及其它相关地球科学研究中。传统的PPP一般采用无电离层组合模型,即对双频GNSS观测值采用特定的线性组合以消除一阶电离层延迟的影响。而非差非组合PPP直接利用GNSS原始观测值,不做任何线性组合,更加适合当前及未来多系统多频率GNSS PPP数据解算。国内外许多学者对GPS非差非组合PPP定位模型算法与应用已开展了深入的研究。然而,针对多系统GNSS非差非组合PPP的研究还较为有限。同时,多系统非差非组合PPP给GNSS数据处理带来诸多挑战,比如GNSS偏差、电离层延迟参数的估计策略等。此外,如何利用电离层的时空特性,引入外部电离层延迟约束对提高非差非组合PPP定位性能的研究还非常有限。另一方面,为满足日益增长的实时高精度定位与相关应用的需求,实时PPP也是当前的研究热点。目前的实时PPP研究主要局限于事后仿实时或基于单个分析中心的实时流产品,有必要开展基于实时流的多系统GNSS实时非差非组合PPP的算法和应用研究。为此,本文围绕“多系统GNSS”、“非差非组合PPP”、“GNSS偏差”、“实时PPP”等研究热点,开展多系统GNSS非差非组合PPP定位模型算法和实际应用研究。本文的主要工作和贡献如下:1)在充分考虑各类GNSS偏差的基础上,建立满足不同信号调制技术(如码分多址和频分多址技术)、不同频率(如单频、双频及多频)通用的多系统GNSS非差非组合PPP理论和模型并研制相应的软件,设计实验验证算法模型与软件的正确性和可靠性;(2)提出了实时估计单站GLONASS伪距频间偏差(inter-frequency bias,IFB)的方法。传统GLONASS IFB处理策略为仅限于忽略IFB的影响或GNSS网解后处理模式估计IFB,本文给出了四种实时模型化伪距IFB的方案,即忽略伪距IFB、模型化伪距IFB为频率数的线性或二次多项式函数、每颗GLONASS卫星估计一个伪距IFB参数,并推导了四种策略分别在单GLONASS、GPS+GLONASS非差非组合PPP模型中的具体表达形式。实验结果表明,考虑GLONASS伪距IFB可使单GLONASS和GPS+GLONASS PPP解的收敛速度提高20%以上,可显著提升单GLONASS动态PPP的定位精度。总体而言,每颗GLONASS卫星估计一个伪距IFB参数的方案要优于另外三种方案,这表明GLONASS伪距IFB并不严格遵守与频率数成线性或二次函数的关系。(3)针对当前多系统GNSS PPP解算中系统间偏差(inter-system bias,ISB)参数多以常数估计的局限性,本文提出利用随机游走或白噪声过程来模型化ISB的估计策略。首先,理论推导证明了多系统GNSS PPP的ISB不仅依赖于不同GNSS系统对应的接收机硬件延迟差异,还与不同GNSS钟差产品相应的钟差基准约束引入的时间差异有关。选取四家MGEX分析中心(CODE、GFZ、CNES和WHU)多系统GNSS最终轨道和钟差产品综合评估ISB三种随机模型(即时间常数、随机游走过程和白噪声过程)对多系统GNSS非差非组合PPP定位性能的影响。实验结果表明对于使用CODE、CNES和WHU产品的多系统PPP,三种ISB处理方案的定位性能(如收敛时间和定位精度)基本一致,而对于采用GFZ产品的多系统PPP,对ISB参数作随机游走或白噪声过程估计的定位结果明显优于作常数估计的。因此,本文建议多系统GNSS PPP数据处理采用将ISB参数视为随机游走或白噪声过程的估计策略。(4)详细推导了单、双频标准PPP模型和附加外部电离层约束的PPP模型,对比分析了不同模型应用于动态PPP的效果。针对虚拟电离层观测量先验方差难以确定的问题,总结了三种常用的约束虚拟电离层观测量的策略,即常数约束、时空约束和逐步松弛约束,并通过实验比较了各个约束方法在确定虚拟电离层观测量先验方差上的特点,结果表明使用三种策略的GPS单频动态PPP收敛性能明显优于标准单频PPP,但选用常数约束和时空约束的PPP收敛后的定位精度远低于标准PPP,而逐步松弛约束的PPP定位精度与标准PPP相当。利用实际算例对多系统GNSS单、双频动态标准PPP和逐步松弛约束的附加外部电离层约束的PPP定位结果的收敛性能进行了评估。结果表明附加外部电离层(如GIM)约束对双频PPP定位的收敛提升不大,而对单频GPS和GPS+GLONASS PPP的收敛性能提升显著,提升幅度达40%以上。此外,车载动态实验表明,加入外部电离层约束对单频PPP可显著加快其收敛并提高定位精度,对双频PPP定位性能提升有限。(5)目前实时PPP研究主要局限于事后仿实时或基于单个分析中心的实时流产品,本文基于现有IGS实时服务产品,分析了7家实时分析中心(BKG、CNES、ESA、GFZ、GMV、WHU和CMB)的实时卫星轨道和钟差产品的质量,基于质量分析,研究了多系统GNSS实时非差非组合PPP在精密定位、对流层延迟和电离层延迟估计的性能分析。实时产品可用性的结果表明GLONASS相比GPS略低一些,分别在90%和95%左右。对于GPS轨道而言,3D轨道差异的RMS(root mean square)一般为3.2-7.9 cm。而GLONASS卫星轨道在三个方向上的RMS远大于GPS,其3D轨道差异的RMS为7.3-10.3 cm。对于GPS钟差,其精度一般在0.1~0.2 ns,而GLONASS钟差精度一般在0.2~0.4 ns。在对IGS实时轨道和钟差产品质量分析的基础上,研究了实时产品用于单GPS、单GLONASS和GPS+GLONASS静态、动态PPP的定位性能分析。结果表明,增加GLONASS观测值对单GPS静态PPP定位精度的改善并不明显。而由于动态PPP模型相对较弱,GPS+GLONASS PPP定位性能要明显优于单GPS动态PPP。整体上,使用CNES实时产品的PPP定位性能要优于其它实时分析中心的。此外本文还对非差非组合PPP获取的对流层和电离层延迟估计的精度进行评估。结果表明采用实时产品估计的对流层天顶总延迟(zenith total delay,ZTD)RMS值范围为6-12 mm(约等同于水汽精度1-2 mm)。与静态PPP类似,增加GLONASS观测值对ZTD估计精度的影响不明显。对于电离层延迟估计,短基线单差实验表明实时PPP获取的电离层延迟(PPP ionospheric delays,PIDs)比传统的相位平滑伪距获取的电离层延迟(leveling ionospheric delays,LIDs)精度更高,后者受观测值平滑误差的影响较大。总体来看,采用CNES实时产品的PPP定位和对流层估计精度要优于使用其它实时分析中心产品的结果,而IGS实时产品的可用性和质量整体上比最终产品要差。尽管如此,随着IGS实时服务在服务端和用户端的不断发展和完善,预计实时应用会有进一步的改善。


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