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导航卫星实时精密钟差确定及实时精密单点定位理论方法研究

宋伟伟  
【摘要】:广域的实时、高精度定位是GNSS应用领域发展的趋势。随着实时轨道与钟差、精密单点定位技术等核心技术的进步与发展,以NASA的全球差分系统GDGPS、Navcom公司的StarFire系统、Fugro公司的OmniStar系统为代表的全球分米级精度的实时定位系统,使得差分定位系统达到一个新的阶段。在国内建立了基于北斗一代的GPS差分增强系统,各省市行业部门建立了为数不少的连续运行参考站系统。但在全国范围内尚未建设分米级实时服务系统,近几年在863科技计划支持下,武汉大学开展了“广域实时精密定位原型示范系统”的研究,对建立中国及周边区域的广域实时精密定位原型系统具有重要的意义。 “广域实时精密定位技术”是在广域差分定位技术基础上,通过导航卫星实时精密轨道与钟差等核心技术的革新,生成高精度实时卫星轨道、钟差、电离层产品信息,用户采用基于载波相位观测值的精密单点定位实现广域(全球)任何地点任何时间双频实时动态定位精度分米级,单频动态定位优于1米量级的差分定位技术。本文深入研究了实时卫星钟差估计、用户终端实时精密单点定位等若干关键问题。在此理论方法及PANDA软件基础上,研制完成一套从跟踪站原始数据接收、精密钟差解算、差分产品播发到终端精密定位软件系统;基于BKG全球分布的实时观测站数据流实现了:精密钟差估计精度优于0.2ns,双频实时定位精度优于10-20cm。本文的主要研究内容包括: (1)研究分析了精密轨道误差以及精密钟差误差对用户的综合影响,指出精密钟差可以弥补大部分轨道的径向误差,但对于轨道切向法向误差却无法进行修正。进一步,对精密钟差产品精度评定进行了分析:时间基准偏差,初始卫星钟差偏差,相对卫星钟差精度。纯相位解算的定位计算可只考虑相对卫星钟差精度,定位解算中涉及到伪距观测方程的用户还应考虑初始卫星钟差偏差的影响,而差分系统还要求时间基准相对于GPS时的系统性偏差不能过大。 (2)从初始卫星钟差偏差,计算效率,产品时间延迟等方面对精密卫星钟差的估计方法进行了深入的研究。分析了现有的非差与历元差分精密钟差估计方法中存在的问题;就初始卫星钟差偏差问题及其影响进行理论分析与数据验证。在此研究的基础上,提出一种混合差分精密钟差估计方法,采用伪距单差(星间)与相位双差(星间、历元间)方程同时估计,避免了非差大量模糊度参数造成的计算效率低下的问题,同时解决了历元间差分估计方法中忽略初始卫星钟差偏差的问题。深入研究了精密卫星钟差估计过程中对流层参数估计的影响,提出采用“含有对流层参数估计”与“不含对流层参数估计”双线程方法,消去逐秒解算线程中的对流层参数,提高计算效率。针对用户实时定位中由于实时产品信息延迟产生精度损失的问题,提出非同步历元钟差估计算法,充分利用各个测站已经到达处理中心数据,通过钟差速度项将非同步的观测数据归化到最新观测历元进行钟差解算,从而最大限度的降低用户外推时间。 (3)对精密单点定位技术在广域实时精密定位系统中的特殊问题进行研究。讨论分析了相位绕转对精密单点定位的影响,指出接收机天线发生旋转的情况下,如果未顾及接收机相位绕转误差,非差精密单点定位估计会产生偏差。在接收机可能发生旋转的动态定位中,建议使用星间单差作为观测量。研究了高精度的电离层模型对于减小精密单点定位收敛时间的帮助。提出在电离层延迟改正达到一定精度的情况下,使用电离层模型改正伪距观测值代替伪距无电离层组合观测值,以提升伪距对精密单点定位的贡献,实现精密单点定位的加快收敛。分析了精密单点定位应用于实时用户终端时可能出现的特殊预处理问题:障碍物造成的卫星大量甚至全部失锁对预处理的影响。提出历元间双差数据预处理方法:利用实时估计的天顶对流层延迟以及倾斜路径相对电离层延迟值降低误差影响,借鉴双差模糊度固定的方式,对数据中断前后的模糊度之差进行整数最小二乘搜索,从而达到快速修复的目的,避免了在卫星完全失锁的情况下单点定位所需要的重新收敛过程。 (4)基于上述理论方法以及PANDA软件基础,研制了实时精密卫星钟差确定软件与实时PPP软件。采用BKG提供的全球实时数据以及部分中国区域站实时数据对本文所实现的系统进行测试验证,对将实时钟差与IGS最终产品进行比较及精度评定,钟差估计精度优于0.2ns。最后使用双频终端等接收机利用实时产品进行静态和动态精密定位,双频实时定位测试结果精度,平面优于10cm,高程优于20cm。


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