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《中南大学》 2011年
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机载GPS动态定位定速与定姿理论研究及软件开发

王潜心  
【摘要】:随着我国国民经济和科学技术的高速发展,航空动态测量技术在国民生产和国防建设中的应用已越来越广泛,精确获取航空动态测量中载体测量平台的空间几何信息是其关键的一步。本文围绕机载动态测量中载体空间信息的获取这一中心问题展开研究,涉及到机载GPS动态定位中主要误差的处理方法、长距离机载动态定位中参考站的自适应更换方法、高精度GPS定速与定姿方法以及多功能GNSS数据处理软件的开发等诸多方面,进而构成了一个较为完整的机载GPS动态定位定速与定姿理论体系。其主要内容和创新点如下: 1.从测量平差的四个基本任务出发对目前GPS动态定位的研究现状进行了归纳和总结:一是GPS动态定位中主要误差的处理方法;二是GPS动态定位中数学模型的研究现状;三是动态定位中参数的主要估计方法;四是动态定位结果的精度评定。此外对整周模糊度的解算方法进行了着重的总结和评述。 2.详细研究了机载动态定位中对流层延迟误差的处理问题,给出了一种适合机载GPS动态相对定位的对流层延迟误差消除方法—“投影延拓法”。该方法的主要特点是:当流动站比参考站高几百米甚至几公里时,它始终能获取毫米级的对流层延迟改正值,不受测站高程的影响,误差只与向上延拓时大气模型本身垂直方向上的分辨率相关,进而有效的解决了对于高海拔流动站的对流层延迟量难于精确获取的问题。 3.通过实测GPS数据的解算,证明了对流层延迟估计量与测站高程估计量呈明显负相关的关系。即当估计的对流层延迟量大于真实值时,估计的测站高程就会小于真实高程;当估计的对流层延迟量小于真实值时,估计的测站高程就会大于测站真实高程。进而进一步明确了准确估计对流层延迟量对保证GPS高程方向上精度的重要性。 4.研究了机载动态定位中粗差的处理问题。由于机载动态定位的观测环境复杂多变,导致异常误差出现十分的频繁。而现有的粗差处理方法都存在一些弊端,如:粗差探测方法虽可在数据预处理阶段完成粗差剔除工作,但要准确选取粗差判别标准并不容易。过于宽松的判别标准,会导致粗差不能被完全剔除。过于严格的判别标准,则可能导致有些历元的观测值太少,影响解的可靠性;抗差估计方法则是与参数解算同步进行的,计算中需迭代计算等价权,因此对于海量观测数据处理会大大增加计算负担。为此我们提出了粗差探测与抗差估计相结合的处理方法,并将其成功的应用于机载GPS动态定位中。实验结果显示:该方法不仅能有效抵御粗差的影响而且能保证软件的解算速度。 5.利用2001年至2008年IGS中心提供的GPS卫星钟差数据对GPS卫星钟差的特性进行了仔细的分析。发现GPS卫星钟的稳定性与每颗卫星所使用的卫星钟的种类密切相关,使用铷钟的卫星要比使用铯钟的卫星稳定,利用简单的线性模型预报后六小时的卫星钟差,使用铷钟的卫星的预报精度可优于10-10秒。而使用铯钟的卫星的预报精度则在109秒左右。通过进一步的频谱分析实验发现:使用铯钟的卫星钟差呈现明显的周期性变化,利用傅里叶变换可提取出变化的主要周期。 6.基于对GPS卫星钟差特性的分析,提出了一种基于非平稳时间序列的GPS卫星钟差实时预报模型。该模型包含三个部分:一是趋势性项;二是周期性项;三是随机性项。大量实测数据的检验结果显示:利用该模型实时预报后六小时的GPS卫星钟差,预报精度可优于0.5纳秒。该方法的主要缺陷是预报周期较短,对原始数据的更新速率要求较高。 7.为了满足长距离机载动态相对定位的需求,提出了“自适应换站方法”。该方法的主要特点是:整个解算过程始终保持单基线的动态定位模式,当发现流动站与原参考站间的距离大于流动站与其他参考站间的距离时,自动更换周围最近的参考站作为新参考站;对换站前后的数据设置一定时间的重叠段,利用等价消参法将换站前后的数据进行严格的自适应融合,以保持整个解算过程的连续性。实测机载数据的解算结果显示:该方法不仅可以克服因载体飞行距离过远而导致定位精度下降,而且能够避免因换站所引起的前后解的不连续,定位结果精度优于2厘米。进而有效的解决了GPS单基线解算模式无法满足长距离机载动态定位需求的难题。 8.从理论上分析了利用一阶中心差分法获取载波相位观测值变化率时所产生的误差来源:一是数值微分所产生的截断误差;二是观测值组合所产生的传播误差。证明了当数据的采样率一定时,增加中心差分法的点数可减少微分过程产生的截断误差,但同时会放大导出相位率的传播误差,因此最佳的点数应使截断误差和导出相位率的传播误差之和最小。实验结果显示:当采样率为1赫兹,载体平均速度和加速度分别为20m/s、0.2m/s2时,九个点一阶中心差分法的定速精度最高。相对于三个点的一阶中心差分法,其定速结果精度提高了约50%,且载体机动性越强,改进效果越明显。 9.对现有的三种GPS定速方法(位置求导法、相位差分法、多普勒定速法)进行了详细的比较分析,给出了它们各自的适用范围,指出了它们之间的区别与联系。提出了一种综合利用GPS载波相位观测值和多普勒观测值进行联合定速的方法。该方法的主要特点是:不仅可改善单独使用多普勒观测值时的定速精度,而且可克服单独使用载波相位观测值时受载体机动性影响较大的弊端,充分发挥了两者的优势,其定速结果更加准确可靠。通过内部检验与外部比较,证明了该方法的正确性和有效性,其定速结果的精度优于1cm/s。并进一步的将该方法推广到了多卫星系统的联合定速中,取得了不错的定速效果。同样该方法也适合于载体加速度的确定,给出了详细的计算公式和实测数据解算结果。 10.分析了目前常用三种GPS定姿方法的优缺点,指出了它们的共同缺陷:一是都不具有抗差性;二是对于运动载体而言,都没有充分利用运动模型的信息;三是当一些历元的实际观测值数少于必要观测数时,三种方法都会出现无解的情况。因此提出了一种基于抗差自适应卡尔曼滤波的GPS定姿方法。给出了该方法的具体计算方法和解算步骤。并利用实测的机载GPS数据检验了该方法的可行性,实验结果显示:该方法的实际定姿精度优于0.01°。 11.编写了大型的科研GPS动态数据后处理软件HALO_GPS,该软件已被成功的应用于多个航空重力测量项目,软件说明书被德国地学研究中心GFZ公开出版。组织研发了一套多功能的GNSS动态定位定速与定姿软件XHGNSS,并取得了国家计算机软件著作权。利用大量的实测GNSS数据对该软件的稳定性、可靠性和解算精度进行了验证,如:静态数据动态处理实验、天线移动实验、海上浮标实验、机载动态定位定速实验、车载动态定位定速定姿实验等。实验结果显示:该软件的动态定位精度优于5cm,定速精度优于1 cm/s,定姿精度优于0.01°,因而可以满足大多数机载动态测量用户的需求。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P228.4

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