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广域实时精密差分定位系统关键技术研究

吴显兵  
【摘要】:卫星导航定位系统能提供实时的基本导航定位服务,其精度在5-15米,针对其定位精度和完好性不能满足航空等特殊用户的需求而建立广域差分定位系统,其定位精度在5米左右,相对定位能提供毫米级的精密定位,但需要事后处理,各种RTK技术能提供实时毫米级的定位精度,而其作用范围在几十公里范围内。如何解决大范围乃至全球范围实时分米级精密定位问题,需要通过广域实时精密定位技术来实现,也是目前差分定位领域的一个热点。随着我国北斗系统的投入使用,建立基于北斗的广域实时精密定位系统也必将是我国未来差分系统建设的一个重要方向。因此,本文对该项技术的应用需求、系统组成和原理、参考站布设、中心站信息处理以及用户端定位算法等进行了研究,并利用GPS和北斗数据进行了验证,以期对我国北斗广域实时精密差分定位系统的设计论证和建设提供一定的参考。主要研究工作包括:(1)总结了差分技术的发展趋势及研究现状,并对现有各种差分技术进行了分析和比较,归纳总结了不同差分技术的数据处理原理、差分信息发播途径和应用领域等,同时分析总结了未来差分技术的发展趋势。(2)论述了导航能力需求的几个主要概念,在此基础上从影响导航定位精度的误差因素出发,明确了广域实时精密差分定位技术所要解决的各项关键技术问题,并阐述了广域实时精密差分定位系统的基本原理和系统组成。(3)参考站布设方面,研究了多目标优化法、仿真试验法等基本的参考站布设论证方法,以及卫星覆盖性、卫星可视性等参考站优化布设的评价指标方法,并利用GPS和北斗数据进行了论证,在我国区域布设30个左右的参考站可满足广域实时精密定位建设的需求。(4)对现有几种主要定轨方案进行了比较,分析比较了长弧动力法、短弧滑动窗口法和滤波法对广域实时精密技术中实时精密定轨的适用性,在此基础上提出了采用长弧动力法定轨并进行短期预报的方案,并制定了相关的数据处理策略。为了提高精密定轨数据处理效率,对长弧动力法定轨中模糊度固定和参数恢复技术进行了深入研究,有效缩短了数据处理时间。利用北斗中国区域6个站的定轨结果在RTN方向的误差分别为0.15m、0.65m和0.38m,利用GPS 27个站定轨结果在RTN方向的误差分别为0.08m、0.22m和0.14m。(5)对实时精密钟差估计方法进行了深入研究。通过对目前已有的各种卫星钟差估计算法进行比较分析,提出了基于非差、历元间差分组合模式的实时高频卫星钟差估计算法,在基于历元间差分相位观测数据估计钟差变化的基础上,通过引入伪距观测数据估计卫星钟差初始时刻偏差,并通过对两类产品的精度及收敛速度的具体分析,提出了有效的钟差产品综合策略,有效提高卫星钟差产品精度。利用GPS和北斗实验分析结果表明,实时钟差处理精度优于0.2ns。(6)为了提高钟差处理效率,考虑到对流层延迟在短时间内变化较小,提出了将对流层参数和钟差参数分别处理的策略,利用较低的处理频度计算对流层参数,然后将对流层参数直接代入高频钟差处理中,可有效提高钟差处理速度,利用27个国内监测站处理结果表明,利用30s-450s的频度处理对流层延迟参数,代入实时钟差处理中计算的实时精密钟差互差小于0.02ns。(7)对电离层格网模型生成的基本理论方法、电离层延迟实时精确确定算法、卫星和接收机频间偏差确定算法等进行了研究,采用―两步法‖实现了接收机频间偏差和卫星频间偏差的有效分离,制定了电离层格网模型生成的数据处理策略。利用GPS和北斗实测数据进行了电离层格网模型精度验证,电离层模型精度优于0.4m。同时开展了电离层差分信息精度降效分析,实验结果表明,电离层差分信息控制在5min以内的更新频度是较为合理的。(8)开展了实时精密定位理论方法和模型算法研究,提出了可变参数的平方根信息滤波实时精密差分定位算法,采用GPS实测动态数据,利用IGS精密星历模拟实时定位对模型算法的可靠性进行了验证,定位精度水平和高程方向均优于15cm。(9)研制了广域实时精密差分定位数据分析处理软件,利用中国区域GPS和北斗实测数据,计算了卫星轨道、钟差和电离层差分信息,并利用动态和静态数据对广域实时精密定位进行了系统性的验证,水平方向定位精度优于20cm、高程方向精度优于30cm。


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