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北斗中长距离基准站模糊度快速固定及区域误差建模方法研究

陈德忠  
【摘要】:2012年底我国北斗系统(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)正式投入运营,该系统是世界上第一个可全星座播发三频卫星信号的区域卫星导航定位系统。目前国内外已经建立大量的可接收多GNSS系统卫星信号的跟踪站,特别是我国各省市相继更新了可兼容北斗信号的连续运行参考站系统(Continously Operational Reference Stations Systems, CORS),以促进和推广北斗产业化应用,而网络RTK软件则是CORS系统数据处理的核心。北斗由地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit, GEO)、倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Orbit, IGSO)和中地球轨道(Medium Earth Orbit, MEO)三种卫星类型构成的异构星座的特性,以及中长距离基线不可忽略的大气延迟误差影响,导致其基准站间载波相位观测值模糊度难以快速固定,无法实现其大范围快速高精度导航和定位服务。因此,展开北斗中长距离基准站间模糊度固定以及区域误差建模算法研究具有重要现实意义。本文分别从基准站周跳探测和修复、北斗系统多路径误差特性、北斗基准站模糊度固定以及区域误差建模等方面对中长距离网络RTK相关技术进行研究,主要研究内容和贡献为:1.首先提出了一种适合CORS网基准站间的载波相位观测值周跳探测和修复方法。该方法是一种联合双差无几何距离(geometry-free, GF)和无电离层观测值减去卫地距(ionosphere-free observation minus computed geometrical distance, IF_OMC)的组合算法。其中双差GF组合因其仅由载波相位观测值组成具有较高的观测精度,但该组合无法探测与双频频率f1/f2比值相近的周跳组合(如GPS双频的77k:60k,k为整数)。IF_OMC组合观测值精度主要受卫星轨道误差影响,对于同一组星历计算的前后历元IF_OMC组合,双差观测值再经过历元间差分后会进一步削弱卫星轨道误差的影响,因此,IF_OMC同样具有较高探测精度。双差GF和IF_OMC组合周跳探测方法可分别弥补利用单一组合观测值时的探测误区,即GF无法探测组合(GPS 77k:60k, k为整数),IF_OMC组合历元间差分后则会有14.65m差异值;反之,IF_OMC算法失效周跳组合(GPS:60k:77k, k为整数),采用GF组合算法探测时在前后历元间会引起-7.38 m的变化。文中分别以仿真周跳以及强电离层活跃环境下有大量真实周跳的CORS数据验证该方法的有效性。实验结果表明,对于前者数据所有仿真周跳均能全部探测和修复。由于电离层的干扰导致后者观测数据中含有大量周跳,该方法除了两处时间间隔较大的周跳无法修复外,其余周跳均能成功探测和修复完成。2.文中详细研究了北斗三种卫星类型的轨道重复周期、多路径误差特性以及改正方法。研究发现GEO卫星并非完全“静止”,其运行纬度区间约土1.5°,且为接近一恒星日的周期性运动。GEO卫星因其空间运行范围小,空间位置变化慢导致其多路径误差表现出趋势性平缓变化,短时段内无法由多历元平滑方法削弱其影响。IGSO卫星空间运行范围远大于GEO卫星,具有与GEO卫星相近的轨道重复周期特性,且其多路径误差幅值变化较快。MEO卫星约为7天的轨道重复周期,与GEO和IGSO差异较大,其多路径误差幅值变化也较为剧烈。三种卫星类型的单差多路径误差在前后周期均具有较强的相似性。三种卫星的轨道重复周期差异较大,可采用观测值域的单差多路径误差建模方法对其改正。对BDS短基线观测值进行多路径误差改正后,其北、东和天三个方向定位精度达到1.90mm、1.28mm和4.37 mm,较改正前提高幅度分别为56%、48%和48%。3.提出了一种适用于北斗中长距离基准站模糊度固定方法。该方法联合无几何距离和无电离层残差组合(geometry-free and ionosphere-free, GFIF)以及北斗多路径误差改正方法用于基准站模糊度快速固定。北斗三频观测值组成的GFIF虽然没有轨道误差及与距离相关等误差项,但受制于观测值组合后放大的多路径误差及噪声影响,采用多历元均值取整方式固定窄巷模糊度效果较差。因此,文中先提取前一个周期的各卫星单差GFIF组合的多路径误差模型,然后根据各卫星轨道重复周期改正到当前天数据的GFIF组合值中,以削弱其多路径误差的影响。以三个平均基线长度分别约为120km、80km和50km三角网数据验证该方法有效性。结果表明:IGSO和MEO卫星双差模糊度平均首次初始化时间(First fixing time, FFT)最长约为1800s内。GEO卫星的模糊度固定效率与其卫星高度角相关,对42°高度角的GEO卫星C02的FFT则约为2000s,而对于C04(18°)和C05(-28°)卫星该方法效果略差。采用常规参数估计方法以模糊度固定卫星的无电离层组合观测值辅助该两颗低高度角GEO卫星模糊度快速确定。试验结果表明,对于90km左右基线,两颗低高度角GEOP星模糊度仅需几十秒即可固定。同理,该方法可用于辅助GPS卫星模糊度快速固定,经实测数据验证可使GPS模糊度初始化效率提高约22%。4.提出一种改进的非差区域误差建模方法。该方法先选取区域范围内的独立基线,基准站模糊度固定后将各卫星双差无电离层组合残差(主要是对流层延迟误差)转换为非差残差,最后内插流动站误差改正数以辅助其模糊度固定。以连续三天三个基线长度为~100km的三角网数据为例,各网的流动站距主基准站距离分别为59km、50km和57km。以动态模式按1小时为样本间隔分别对流动站重新初始化,采用该非差区域模型对流动站进行误差改正后,三个案例BDS观测值的平均初始化时间约为142s。另外,以一个距离主基准站约54km的实测动态定位实验进一步验证本文非差误差改正方法的有效性,实验结果表明BDS观测值所需初始化时间约为160s。


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