GPS数据预处理和星载GPS运动学定轨研究及其软件实现

【摘要】：无论在GPS 静态定位还是动态定轨中,GPS 数据预处理质量的好坏都直接影响着GPS 定位精度。随着空间技术的发展,对GPS 导航、定位与定轨的精度要求越来越高,且要求能进行快速动态解算。因此,高精度GPS 快速动态定位/定轨成为国内外有关学者的一个研究热点。 由于用户对定位精度要求的提高,伪距定位已经不能满足高精度的要求,而需要用观测精度高的相位观测值来定位,但是相位观测值存在周跳和模糊度问题,本文优化Blewitt 方法,进行了GPS 数据预处理研究。根据周跳特性进一步提出了利用小波分析进行周跳探测与修复的探讨,通过各种方法比较最后给出了本文的数据预处理方案;为了提高GPS 定位/定轨精度,除了与观测值类型、量测精度有关外,还与GPS 卫星的空间几何分布有关,这就引出优化几何的GPS 卫星选择的研究;高精度的GPS 相位观测值为星载GPS/LEO 卫星的精密定轨打下基础,LEO 卫星的精密轨道是其顺利完成科学任务的前提。因此,星载GPS 运动学定轨也是本文的一个重要研究内容。 这样,首先进行GPS 数据预处理研究并编写相应的软件系统—COMPRE 软件,然后进行星载GPS 运动学定轨研究并编写相应的软件系统—SHKINE 软件,将经过COMPRE 软件处理后的资料用SHKINE 软件进行LEO 卫星轨道确定,构成了本文的基本框架。 概括起来,本文主要做了以下几方面的工作: 上篇:GPS 数据预处理研究及COMPRE 软件系统 1. 本文首次详细分析了各种线性组合的误差情况,通过分析给出误差最小的线性组合。通过各种平滑和野值剔除方法的比较分析,选择了差分法和Vondrak 平滑法作为COMPRE 软件的不良观测值剔除方法。 2. 人为地在一颗GPS 卫星加/减一个周跳,分析周跳对定位的影响,结果表明一个周跳对定位能产生分米级的影响;着重探讨了Blewitt 方法,并提出Blewitt 方法存在的一些局限性;在此基础上,优化了Blewitt 方法,最后提出了COMPRE 软件数据预处理方案。 3. 根据周跳等量跃阶的特性,本文提出前后差分点个数可通过一个参数因子来调节的思路。Shannon 函数是一个滤波性很好的函数,但是它向两端衰减的速度太慢,Gauss 窗函数能很好地控制函数的局部性,但其低通滤波效果较差。因此,本文结合了此两函数的优点,构造出一类新的小波函数,实例分析表明:本文构造的小波函数在周跳探测方面是有意义的。 4. 详细剖析了COMPRE 软件的数据预处理方案的程序实现,最后总结了本软件的几个创新点,主要表现在:不良观测值(野值)剔除、周跳探测与修复和模糊度初步解几个方面。 5. 为了测试COMPRE 软件的有效性,分别对国内上海GPS 综合应用网中部分测站和IGS网中部分台站卫星资料分析,并和GIPSY 软件进行LC-PC 的残差结果比较分析,结果表明:与GIPSY 软件比较,周跳探测更“干净”。说明用该方案是可行的;将COMPRE 预处理后的资料作为干净资料用GAMIT软件网平差后的参数中误差比原始资料直接用GAMIT软件网平差后的参数中误差略好一点,但差别不大,这说明用本方案能达到GAMIT 软件相当的精度,可以提供比较干净的数据预处理结果。另外,利用GPS 预处理后资料进行了电离层模型参数估计残差的比较,进一步验证本程序设计方案的可行性和有效性。