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GNSS精密单点定位模糊度快速固定技术和方法研究

李盼  
【摘要】:GPS精密单点定位(Precise Point Positioning,简称PPP)是二十世纪九十年代末发展起来的一种空间定位技术,它集成了GPS标准单点定位和GPS相对定位技术的优点,是GPS定位技术中继实时动态定位(Real Time Kinematic, RTK)技术后出现的又一次技术革命。由于多GNSS(GPS/GLONASS/BDS/GALLIEO)系统集成能为PPP提供更为丰富的观测信息,提高平差系统的冗余度,改善定位精度及可靠性,而固定模糊度能够充分利用载波相位模糊度整数特性,显著提高短时间内PPP尤其是东西方向的定位精度,也可为PPP解的质量检核提供丰富的信息。因此近年来,多系统组合PPP和PPP固定解成为GNSS领域的研究热点。历经约十年的快速发展,GNSS在系统布设方面取得了重大进展,GPS PPP固定解的基本理论与技术问题已经得到较好的解决。但是,有关多系统组合PPP和PPP固定解的研究通常是分开进行的。对于GPS PPP模糊度固定,目前仅有CNES分析中心公开提供吸收了相位小数周偏差(Fractional Cycle Bias, FCB)的GRGS整数卫星钟差产品,尚无其他机构公开提供相应于各分析中心精密产品的FCB改正数,这极大地限制了PPP固定解技术相关研究与应用工作的展开。而在用户端,现阶段GPS PPP的首次固定时间依然长达30分钟或以上,这与当前网络RTK的模糊度初始化时间还有相当距离。这也是目前制约PPP技术发展与应用的瓶颈。因此,随着PPP技术的不断发展,开发GPS FCB服务系统已成为PPP固定解研究和应用的迫切需求,加快PPP固定解首次固定速度也是PPP技术推广应用过程中必须解决的关键问题。针对上述需求和问题,本论文旨在:1)在服务端,系统深入地研究高精度GPS/BDSFCB估计的算法,分析影响FCB估计精度的多项因素,建立评估FCB产品内部和外部质量的手段与方法,最终开发出能公开提供GPS FCB产品的服务系统,以推动GPS PPP固定解的深入研究与应用;2)在用户端,针对PPP全模糊度固定失败的情况,提出自动寻找满足bootstrapping成功率和ratio-test的部分可固定模糊度子集的方案,实现PPP部分模糊度固定,以提高PPP获得固定解的概率。在GNSS PPP模糊度固定方面,分别从GPS+BDS双系统组合PPP模糊度固定,以及利用GLONASS观测值信息辅助GPS/BDS单/双系统模糊度固定两个角度,实现多GNSS PPP模糊度固定算法,深入分析多GNSS观测条件对PPP固定解性能的影响。论文的主要工作和贡献如下:(1)系统总结了当前GPS精密单点定位数学模型和模糊度固定的基本理论与方法。从最基本的函数模型出发,推导了影响PPP模糊度参数整数特性的小数周偏差的具体误差组成。对基于单站PPP解的FCB估计算法进行了改进,使用最小二乘整体平差解算区域/全球范围内的卫星端FCB改正数。并在此基础上,开发了一套GPS FCB产品估计与服务系统,可供全球PPP用户利用对应各分析中心的FCB改正数实现PPP固定解。并从内符合精度、与CNES整数产品互符合性,及各场景实际PPP固定解效果等方面对产品质量进行了细致分析。内符合精度方面,GPS卫星WL和NL模糊度的平均利用率分别为93.7%,89.9%;WL模糊度残差在+/-0.2周以内比例为94.2%,窄巷模糊度残差在该范围内的比例为93.7%。与CNES提供的整数卫星钟改正数相比,两套产品WL FCB几乎所有的互差都在+/-0.05内,而窄巷FCB 97.4%的互差都在+/-0.075周内。PPP固定解算例方面,相比PPP浮点解,固定解将1h静态PPP东、北、高分量上的平均RMS偏差分别减少44.4%,28.6%和25.0%;将80分钟左右的车载动态数据三分量上的定位偏差改善78.2%,20.8%和65.1%;应用于GRACE卫星定轨上,可将A/B双星径向、切向和法向的偏差RMS分别减少23%,37%和43%。(2)针对传统的GPS PPP全模糊度固定(Full Ambiguity Resolution, FAR)受待估参数较多、参数相关性较强,初始阶段部分模糊度精度较低等因素影响容易失败的特点,提出了一种能依据bootstrapping成功率和ratio-test检验,从降相关的模糊度集合中选出满足检核条件的模糊度子集的部分模糊度固定(Partial Ambiguity Resolution, PAR)方法。使用该方法,在FAR失败的情况下,依然有可能成功固定部分模糊度子集,从而保留固定解。实验结果表明:静态PPP解算,FAR的平均首次固定时间(Time to First Fix, TTFF)为26.5分钟,而PAR为20.1分钟,相较FAR将TTFF减少了24.2%;动态PPP解算,TTFF由FAR的39.1分钟减少到PAR的30.9分钟,平均减少了20.9%。对于历元固定率,静态PPP解算由FAR的83.4%提高到PAR的97.7%,动态PPP解算由FAR的77.6%提升到PAR的94.7%。与FAR相比,使用该方法可以较为显著缩短PPP首次固定时间,提高历元固定率。(3)讨论了BDS系统特有的相关误差的处理策略,分析了BDS卫星端伪距多路径对BDS FCB估计的影响,实验表明:不考虑该项误差改正,BDS所有卫星的WL模糊度平均利用率由91.8%降为80.4%,且WL模糊度残差RMS由0.106周增加到0.113周。针对基于BDS单系统PPP的FCB估计对测站观测条件限制较高、浮点模糊度估值精度较低的不足之处,提出基于GPS+BDS组合PPP模型估计BDS FCB的方法,提高了测站数据利用率和BDS FCB估值精度。分析了BDS宽巷和窄巷FCB的时变特性,结果表明:BDS卫星WL FCBs在接近30天的时间内变化不超过0.1周,BDS NL FCBs在15min间隔的相邻时段内的变化值绝大部分不超过0.1周,其中,90.5%的变化量在0.075周之内。根据以上分析,本文每天估计一组BDS WL FCB,每15min估计一组BDSNL FCBS。基于BDS PPP固定解的算例验证了BDS FCB具有较高的质量,相较浮点解能较显著提高定位精度。(4)利用提出的部分模糊度固定方法实现了GPS+BDS双系统模糊度自适应融合。基于估计的双系统FCB首次实现了BDS单系统、GPS+BDS组合PPP模糊度固定解。详细分析了双系统PPP固定解相对于单系统固定解在首次固定时间和历元固定率方面的改善。结果表明:单BDS PPP固定解静态和动态模式下通常都需要长达数小时的首次固定时间,历元固定率通常低于30%。单GPS PPP固定解静态和动态模式的首次固定时间分别约为20和30分钟,固定率分别为97.1%和95.0%。无论对于GPS还是BDS,增加另一系统的观测数据均可改善单系统PPP固定解。基于GPS+BDS组合的双系统PPP固定解可以取得最短的首次固定时间以及最高的历元固定率,其静态和动态模式下的平均首次固定时间约为16.7和24.5分钟,平均固定率为99.5%和98.8%。(5)提出了利用GLONASS观测信息辅助GPS、BDS单/双系统模糊度固定的策略。结果表明:集成GLONASS观测值为PPP带来了更多的冗余信息,可有效提高待固定模糊度参数的估计精度,从而改善固定解性能。GLONASS辅助可将不同模式PPP固定解的首次固定所需时间减少约10-20%,显著加快了PPP首次固定速度,同时也能在不同程度上提高各模式的历元固定率。静态和动态模式下,GLONASS辅助双系统固定解平均首次固定时间分别为14.0和20.1分钟。


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