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北斗/GNSS三频实时高精度大网快速处理方法研究

龚晓鹏  
【摘要】:随着全球导航卫星系统(GNSS)的建设和持续发展,目前,在轨卫星数已接近100颗,信号频率也由双频扩展至三频甚至多频,同时地面基准站的数量也在迅猛增加。基于全球分布跟踪站网联合解算的GNSS网解处理,作为GNSS实时高精度定位数据处理的基础理论方法,被广泛地应用在卫星精密定轨、卫星钟差处理、大网坐标估计等数据处理中。然而,越来越多的导航卫星、信号类型以及基准站数量对GNSS网解的处理精度和效率提出了更高的要求。本文围绕北斗/GNSS三频实时高精度大网快速处理及其在实时卫星精密定轨和卫星钟差估计中的应用,重点研究了北斗卫星伪距偏差改正、GNSS三频载波频间钟偏差建模、GNSS三频模糊度固定以及GNSS大网快速处理等问题,建立了基于平方根信息滤波的大网快速处理方法,研制了多频多系统实时高精度大网快速处理软件模块,实现了实时滤波定轨和卫星钟差同步处理。采用MGEX、北斗地基增强系统等大量观测数据验证了方法模型以及处理软件的正确性和可靠性,本文的主要研究内容和贡献如下:1.提出利用整网宽巷模糊度小数周的一致性方法分析北斗GEO卫星伪距偏差变化特性,并首次建立了北斗GEO/IGSO/MEO全星座全频点的伪距硬件延迟变化多项式改正模型。通过长基线模糊度固定以及精密单点定位验证了本文提出的改正模型,结果表明:模型改正之后,2000公里以上基线的GEO、IGSO/MEO卫星40个样本的宽巷模糊度固定成功率分别从61%和73%提高到80%和91%;同时B1、B2和B3单频PPP高程定位精度分别提升35.4%、31.8%和16.2%。2.通过对多种类型的北斗接收机伪距偏差特性细致分析,发现了北斗卫星存在与接收机相关的伪距偏差,采用全球网长期观测数据,首次建立了7种品牌12种接收机类型的北斗三个频率的伪距偏差改正模型。通过实测数据对该模型改正进行验证可得:无电离层组合观测值计算的卫星钟差系统偏差减少78.8%;B1、B2和B3单频伪距单点定位平面精度分别提升18.0%、21.9%和20.0%,高程精度分别提升18.0%、28.3%和22.5%。3.基于长期观测数据建立了 GPS和北斗卫星载波频间钟偏差经验改正模型。实测数据验证结果表明:GPS卫星的频间钟偏差平均由2.9 cm减少为0.9 cm,北斗卫星频间钟偏差平均由1.1 cm减少为0.6 cm;同时,改正模型提高了 GPS/北斗组合三频精密单点定位(PPP)的定位精度:高程、南北和东西三个方向定位精度分别提高12.3%、16.0%和13.2%。4.实现了整网三频非差模糊度固定,验证了通过模糊度固定可以有效提升第三频率数据对大网处理的贡献:固定超宽巷和宽巷模糊度之后,北斗GEO、IGSO和 MEO 的卫星钟差STD分别减少 50.0%、40.0%和 36.8%;而相比于双频窄巷模糊度固定,三频窄巷模糊度固定可以加快卫星钟初始偏差收敛速度,卫星钟差RMS减少60.8%。5.提出了一种基于平方根信息滤波的GNSS大网快速处理方法,该方法结合高性能数值计算和GNSS算法优化,采用分块QR分解提高CPU计算访存比,显著节省数据在内存与CPU寄存器间的移动耗时;结合伪距观测与模糊度参数不相关性,优化参数及观测值排列,降低了 QR分解的时间复杂度;通过实时非差模糊度固定,消去整数模糊度参数,降低了矩阵维数。实验结果表明:采用82个测站处理三系统卫星钟差,传统方法每个历元的计算耗时为31.38秒;通过分块QR分解方法,处理效率提升为每个历元0.84秒;进一步优化参数及观测方程排列,每历元计算耗时为0.50秒;当模糊度固定并消去之后,每历元计算耗时减少到0.31秒。6.基于本文提出的大网处理方法,实现了实时滤波精密定轨与卫星钟差联合处理,实验结果表明:本文的北斗伪距偏差和频间钟偏差改正模型提高了卫星UPD在站间的一致性以及长期稳定性,超宽巷和宽巷模糊度固定之后主要加快了滤波轨道的切向和法向收敛速度;收敛之后,GPS、北斗(GEO/IGSO/MEO)、Galileo 和 GLONASS 滤波轨道的三维 RMS分别为 5.5cm、(416.2cm/17.9cm/14.1cm)、13.6cm 和 13.4cm,卫星钟差STD 分别为 0.030ns、(0.042ns/0.032ns/0.089ns)、0.081ns 和 0.122ns;将本文估计的“整数钟”直接用于用户PPP模糊度固定,模糊度固定后高程、南北和东西方向定位精度分别平均提升7.3%、4.4%和10.8%。


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