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GNSS多系统紧组合精密相对定位的模型与方法

吴明魁  
【摘要】:随着GPS、GLONASS、BDS、Galileo四大全球卫星导航系统,以及QZSS、IRNSS等区域卫星导航系统的发展与建设,卫星导航定位正在进入多GNSS时代。多系统组合可增加可用卫星数,改善空间几何结构,进而提高导航定位的精度、可用性以及可靠性。但是,各卫星导航系统在星座设计、信号体制以及时空基准等方面存在显著差异,这给多系统融合处理带来了诸多挑战。如何充分利用GNSS多系统多频率资源进一步提升导航定位的性能与可靠性,真正实现GNSS系统间的兼容、互操作以及可互换,已成为近年来GNSS导航定位领域的研究热点。紧组合模型是提高GNSS在精密相对定位领域互操作与可互换水平的重要手段。紧组合模型中,不同的GNSS系统组成双差时共用一颗参考星,这样不仅可形成系统内的双差观测值还可以形成系统间的双差观测值。相较于传统的松组合模型(每个系统各自选择自己的参考星,在系统内组成双差观测值),紧组合模型可减少参考星的个数,增加额外的观测方程,进而改善模型的强度,可进一步提高组合相对定位的精度、可用性以及可靠性。虽然在过去的几年中,GNSS多系统紧组合相对定位取得了一定的研究成果,但是仍然面临一系列问题需要解决:如对差分系统间偏差(DISB)的产生机制、时变特征以及影响因素的认知还不够全面;对非重叠频率的紧组合相对定位模型的研究还不够成熟;针对我国BDS(特别是BDS全球系统)与其它导航系统的紧组合相对定位研究还基本没有开展等。本论文旨在对GNSS多系统紧组合精密相对定位的模型、方法和关键问题开展系统深入的研究,并对其性能进行评估,进而为GNSS系统间的互操作提供支持。本文的主要工作和研究成果如下:(1)从载噪比(C/N0)、伪距多路径与噪声、相位多路径与噪声以及双差相位与伪距残差等方面,首次评估了 BDS全球系统(BDS-3)试验星播发的新体制信号B1C/B2a/B2b的数据质量,发现其与GPS、Galileo的数据质量整体上相当;通过分析伪距多路径组合和三频相位GFIF(Geometry-free and Ionosphere-free)组合的时间序列发现:相较于BDS区域系统(BDS-2),BDS-3 B1C/B2a/B2b频点的伪距多路径组合中不存在明显的与高度角相关的伪距偏差,三频相位组合中不存在明显的系统性偏差IFCB。(2)从基本观测方程出发,推导了重叠频率的GNSS多系统短基线紧组合相对定位模型。针对长基线下电离层延迟误差无法通过双差消除的情形,研究分析了双差电离层延迟参数与DISB参数之间的相关性和参数重组方法,推导了长基线下的GNSS多系统紧组合相对定位模型。(3)阐述了重叠频率的接收机间DISB的事后估计方法,研究了 DISB的产生机制与影响因素,并利用长时间(2015年2月1日至2016年5月30日)的实测GNSS数据从大时间尺度上对重叠频率(GPS L1/L5-Galileo E1/E5a、GPS L1/L2/L5-QZSS L1/L2/L5以及BDS B2-Galileo E5b)的相位与伪距DISB的时变特征进行了全面细致的分析。结果表明:基线两端的接收机类型(包括版本)相同时DISB接近于0,不同时则不为0,但其在时间域上具有长期稳定性,而且接收机重启后也不会发生变化。同时发现接收机固件更新、抗多径滤波器是否开启以及观测值类型也会对DISB产生影响。在此基础上,基于DISB的时变特征,建立了重叠频率间DISB的建模与实时估计方法,并对DISB的收敛时间进行了评估。结果表明:在观测几何条件较好、双差模糊度能够快速可靠固定的情形下,DISB通常只需几个历元即可收敛,能够满足实时紧组合相对定位应用需求。(4)利用实测 GNSS 重叠频率数据,对 GPS L1/L5-Galileo E1/E5a-QZSS L1/L5 频点的短基线紧组合相对定位性能进行了评估;重点针对我国BDS区域系统,首次评估了 BDS B2/Galileo E5b的紧组合相对定位性能,证实了基于BDS/Galileo重叠频率多系统紧组合相对定位的可行性。相同/不同类型接收机组成的短基线数据处理结果表明:在单历元处理模式下,松组合模型与估计DISB参数的紧组合模型的结果相同,而事先估计DISB并对其进行改正的紧组合模型不仅能够提高模糊度固定的成功率,而且能有效降低模糊度固定的失败率。特别是在信号遮挡比较严重、单个系统可用卫星数较少的环境下,模糊度固定成功率可以提高10%~25%。(5)针对BDS-3试验星播发的与GPS L1/L5、Galileo E1/E5a/E5b频率相同的新体制信号B1C/B2a/B2b,对GPS/Galileo/BDS-3重叠频率间的相位与伪距DISB进行了估计与分析,结果表明DISB在时间域上具有很好的稳定性,证实了基于GPS/Galileo/BDS-3重叠频率开展多系统紧组合相对定位的可行性。在此基础上,首次评估了GPS/Galileo/BDS-3重叠频率的紧组合相对定位性能,结果表明:相较于松组合模型,紧组合模型可以显著提高模糊度固定的实际成功率,特别是在单频、可用卫星数较少的极端条件下,模糊度固定实际成功率可以提高30%~50%。(6)研究了非重叠频率与重叠频率混合的紧组合相对定位技术。推导建立了非重叠频率的GNSS多系统紧组合相对定位模型,讨论了频率不一致对DISB以及模糊度固定的影响;利用实测GPS/BDS数据,分析了 GPS L1/L2-BDS B1/B2非重叠频率间DISB的时变特征,发现相位DISB虽然在一个连续的观测时段内能够保持稳定,但是在接收机重启后会发生变化;在此基础上探讨了非重叠频率DISB的建模与实时估计策略,并实现了 GPS/BDS非重叠频率的紧组合相对定位,结果表明:相较于松组合模型,紧组合模型可以显著提高模糊度固定的成功率,在单频、可用卫星数较少的极端条件下,模糊度固定成功率可以提高30%~60%;最后基于GPS L1/L2/L5-Galileo E1/E5b/E5a组合,实现了重叠/非重叠频率混合处理的多系统紧组合相对定位,并对其性能进行了评估,结果表明,相较于GPS/Galileo重叠频率的紧组合相对定位模型,重叠/非重叠频率的混合处理模型能进一步提升模糊度固定的效果。


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