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GNSS精密单点定位及非差模糊度快速确定方法研究

李星星  
【摘要】:GPS精密单点定位(Precise Point Positioning,简称PPP)是上世纪九十年代末发展起来的一种新的GPS定位技术,它集成了GPS标准单点定位和GPS相对定位的技术优势,是GPS定位技术中继RTK/网络RTK技术后出现的又一次技术革命。历经十多年的快速发展,GPS精密单点定位的基本理论与实践问题已经得到了比较好的解决,目前正在朝工程化应用方向迈进。但是,现阶段能工程化应用的PPP技术仍然以PPP浮点解为主,PPP固定解尚处于研究和发展阶段。特别是实时PPP中的快速模糊度固定问题仍然是当前的一个研究难点。 本论文系统深入地研究PPP的数学模型,分析传统PPP模糊度无法固定为整数的本质原因,进而提出一套新的非差模糊度整数解方法。详细研究了PPP模糊度无法快速固定为整数的原因,提出了实时PPP快速初始化和快速重新初始化的新方法。融合网络RTK与PPP技术的优势,建立一套完整的统一的精密定位服务系统,为实时PPP技术的广泛应用奠定理论与实践基础。论文的主要工作和贡献如下: (1)详细介绍了精密单点定位的常用数学模型、主要误差项以及参数估计方法。为了满足实时PPP的需要,提出并开发了高采样率精密卫星钟差快速估计和更新算法。讨论了其解算效率及精度,估计的钟差与IGS最终钟差吻合较好,其相对偏差大多数在0.1ns以内;开发了一套基于因特网的实时精密单点定位服务系统,实验结果表明:该实时系统可取得平面方向5厘米,高程方向10厘米左右的实时定位精度。同时,针对非差相位观测值数据预处理中小周跳难探测、难修复的问题,提出了一种新的实时PPP中的周跳固定与修复方法,该方法精细分离各项误差,并引入LAMBDA方法搜索周跳值。 (2)从GNSS观测的基本数学模型出发,分析了传统PPP模型中模糊度无法固定为整数的原因,基于此提出了非差模糊度整数解的新模型与方法。大量的实验结果表明PPP模糊度固定可以显著提高精密定位与定轨的精度。同时,提出了一种利用预报大气层延迟辅助PPP模糊度快速固定的新方法,该方法充分利用首次初始化完成后生成的精密大气信息,可实现短时信号中断后模糊度的单历元固定,避免了信号中断所引起的PPP重新初始化的问题。大量实验结果表明:使用本文所提出的方法,即使在所有的卫星全部短时失锁的情况下,仍然可以实现PPP单历元模糊度固定。 (3)提出了区域增强的PPP方法。充分利用从区域参考网提取的精密大气改正数,实现了实时PPP的快速初始化。该方法可以将网络RTK和实时PPP两大技术融为一体,集成为一个统一的定位服务。即在没有区域增强信息的情况下,可全球范围内实现几个厘米精度的实时PPP服务,在有区域信息增强的区域,则可提供更高精度的快速精密定位服务。同时,基于此开发了一种分层的GNSS精密数据处理策略,可以实现大规模且疏密不均的参考网的PPP区域增强。精密轨道和钟差的生成作为基本的两层,另外的两层分别为相位小数偏差估计和区域增强改正数。 (4)针对PPP模糊度初始化时间较长的难题,提出了顾及电离层特征的PPP模型,基于该模型开发了新的相位小数偏差估计算法。新模型不仅能改进相位小数偏差产品的质量,而且显著缩短PPP模糊度的初始化时间。实验结果表明:新方法能缩短实时动态解收敛时间30%,由超过30分钟缩短为不超过20分钟;首次模糊度固定时间减少25%,由20分钟缩短为15分钟。处理静态测站,新方法首次固定时间约为10分钟,在测站坐标固定为已知值情况下固定时间仅需5分钟。 (5)对各种定位模型与算法进行深入分析,并经过提炼与综合,提出了一种统一的顾及大气约束的非差非组合的精密定位模型与算法。即采用非差原始观测值,将电离层和对流层延迟作为参数进行估计,并依据其时空特征以及实时得到的大气模型或区域大气改正数合理的施加适当的约束。这对于使用稀疏参考网增强PPP尤为重要,合理的约束大气延迟参数可以补偿由大的测站间距引起的残余大气误差。这个统一的算法不仅能将PPP和网络RTK集成为无缝的定位服务,且可将这两个技术融合为一个统一的模型和算法。基于实时产品流和统一的处理策略,我们可以提供如下实时动态定位服务:5-10厘米精度的全球PPP;2-5厘米精度的固定解PPP;1-3厘米精度的区域增强PPP。


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