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GNSS精密单点定位及其质量控制方法研究

龚婷婷  
【摘要】:精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)是指利用国际上不同分析中心或GNSS服务组织(IGS)发布的精密星历产品,然后综合考虑各类误差的精确改正模型及方法,利用伪距、相位观测值实现单个接收机实现绝对精密定位的空间定位技术。目前,PPP技术在基本理论与实践应用上得到了很好的发展,相关问题已经得到很好的解决。但在PPP模糊度解算中,大多都是采用浮点解,并未固定成整数,这将很大程度影响PPP定位精度和收敛速度。对于这一问题的解决还要依靠于对导入数据进行质量的控制。虽然算法的优化也能提高PPP的精度以及可靠性,但是对于PPP的一般用户来说很难了解最终定位的精度和可靠性。因此,如何提高PPP的定位精度、收敛速度和可靠性是PPP技术更广泛应用中遇到的仍需解决的关键问题。针对该问题,本文从PPP的数据预处理和参数估计两阶段进行了质量控制研究,主要研究工作如下:(1)研究了 PPP的基本理论基础,针对PPP输入的观测数据的质量问题,采用了多种手段对观测数据进行了质量分析,主要包括以下几项:1)通过卫星可见性判断卫星数是否满足必要条件,其中单系统最少可视卫星数为4颗,从可靠性的角度来看,定位解算时要证瞬时可用卫星数不得少于5颗。2)通过计算精度衰减因子(Dilution of Precision,DOP)值来评价、判定卫星星座几何强度效果,通常以GDOP值为量化标准;3)通统计数据完整率,选择完整率较高的数据进行实验分析;4)分析伪距、载波观测值的多路径误差及其噪声影响,为后续观测方程的定权和观测数据异常探测提供参考依据及方法;5)对观测粗差和周跳进行探测,旨在为后面的参数解算营造一个较为良好的数据环境,提供较为稳定、可靠的参数估计,避免存在过多的粗差和周跳致使观测方程崩溃进一步导致后续的质量控制无法实施。对于PPP解算中输入的精密星历数据,本文以GPS系统为例,选择了六个IGS分析中心的精密星历数据产品与IGS最终精密星历数据产品进行对比,分析国际上各个分析中心精密星历产品与IGS综合产品之间的一致性、可靠性。从实验结果可以看出,在精密轨道产品精度上,六个分析中心的精密轨道与IGS的最终精密轨道产品均具有很好的一致性;在精密钟差产品精度上,除了MIT分析中心精密钟差与IGS精密钟差之间存在较大的互差之外,其他五个分析中心精密钟差与IGS最终精密钟差产品均具由很好的一致性。此外还对来自不同分析中心的精密星历产品做PPP定位解算,实验表明,采用同一分析中心的精密轨道和精密钟差做PPP定位,不同分析中心的定位精度能达到与IGS综合产品做的相当水平。(2)通过研究传统的标准Kalman滤波的推导过程可以发现,Kalman滤波在参与PPP参数解算时,动态噪声的不准确会导致动态模型异常和扰动。由于动态噪声的不准确对状态协方差预测值产生了干扰,使得滤波的增益矩阵不足够准确。而增益矩阵又是使状态参数估计值可靠的重要因素之一,若增益矩阵不可靠,最终将会对参数估计值的精度乃至收敛时间造成不良干扰。基于自适应滤波的构造大多从新息向量入手,本文通过新息残差构造自适应因子,通过自适应因子对状态协方差预测值进行修正,使得状态协方差预测值和增益矩阵更加可靠,最终达到提高参数估计精度和降低收敛时间的目的。此外本文研究了抗差自适应Kalman滤波的推导过程,将之与标准Kalman滤波进行实验对比分析。最后,通过自编程序,选取IGS多个跟踪站数据进行静/动态PPP试验。从实验结果中表明,在进行静态PPP定位解算时,无论是采用自适应Kalman滤波还是采用抗差自适应Kalman滤波相比标准得Kalman滤波均能得到较好的提高定位精度和降低收敛时间;在动态PPP定位解算的时候,自适应Kalman滤波和抗差自适应Kalman滤波相比标准Kalman滤波在抵抗噪声干扰方面具有更好的稳定性。图[34]表[7]参[88]


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