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GPS单频精密单点定位与区域电离层模型研究

涂锐  
【摘要】:随着近年来IGS轨道和钟差产品精度的不断提高,非差精密单点定位(PPP)技术因其作业高效、定位精度高、成本低等优势,成为目前GPS应用领域最为广泛的技术之一,而其中基于低廉的单频GPS接收机的单频精密单点定位技术也受到了广泛的关注。本文基于此,开展了一系列单频精密单点定位的理论研究和算法实现,并针对影响单频用户定位精度最棘手的误差源——电离层误差,开展了高精度区域电离层延迟模型的建立研究,研究了多个改进的新方法,不但为研究电离层的活动特性、变化规律,以及电离层预报等提供了新的途径,而且可以高效修正单频用户电离层延迟误差,在一定程度上实现了单频PPP定位与双频PPP定位精度相当的效果。同时,还研究提出了一种与差分定位弱等价的基于基准站改正的PPP新算法,在实际应用中获得了较好的定位效果。 本文的研究内容,主要包括两大部分:一是单频精密单点定位的算法和模型研究,涉及顾及电离层参数估计的PPP模型建立,顾及基准站改正信息的PPP模型建立、单频PPP双频解算算法和PPP模糊度固定理论;二是电离层延迟建模及变化规律研究,包括西安市区域电离层模型建立,中国区域及西安电离层延迟变化规律分析以及电离层延迟二阶项模型建立。本文的主要贡献如下: (1)研究分析了单频精密单点定位中的各种误差源以及相应的改正措施,重点研究了天线相位中心改正对PPP定位的影响,得出天线相位中心偏差及其变化几乎不影响水平方向的定位结果,但对高程方向的定位结果有cm级影响的结论,绝对天线相位中心改正模型改正优于相对天线相位中心改正模型。 (2)针对常规电离层延迟模型改正精度低、可靠性差等问题,提出了电离层延迟参数估计的思想,并建立了电离层参数估计的单频PPP数学模型,通过算例验证了该方法的可行性和高效性,为单频用户电离层延迟修正提供了新的思路。 (3)研究并提出了基于基准站改正的PPP模型,该模型利用基准站和流动站的近似共性误差改正数,提高了流动站观测值的精度,加快了PPP收敛速度,提高了定位精度,并且理论上与差分定位具有弱等价性。 (4)基于历元差分电离层模型,实现了单频数据反演双频数据,进而实现了单频PPP双频解算。该方法大大缩短了定位收敛时间,显著提高了单频PPP的定位精度,使单频用户得到近似双频解的精度。 (5)分析了非差观测值模糊度归整和固定问题,提出了基于基准站改正的PPP模糊度固定算法。本文提出的模糊度固定方法能有效分离整周模糊度,将其固定后可以显著缩短PPP收敛时间,且实现简单。 (6)基于相位平滑伪距和最小二乘拟合算法,建立了西安市区域电离层模型,并研究了西安市近几年冬夏季电离层的变化规律,该模型的建立一方面为区域用户提供了高精度的电离层产品,同时,揭示出的电离层变化规律为空间环境监测研究提供了重要信息。 (7)研究了电离层一阶项、二阶项延迟提取方法,建立定量模型分析二阶项对点定位和基线的影响,并重点分析了中国区域电离层变化规律及对定位的影响,研究了西安市近些年电离层半年、年变化规律,得出电离层二阶项对高程方向有mm级影响的结论,对于地壳形变监测、地震灾害预测、板块运动等大地测量高精度研究和应用领域具有重要启示作用。并且,采用附有三角级数的曲面拟合模型,建立了电离层延迟二阶项模型,该模型可以辅助修正无电离层组合后残余的电离层二阶项延迟。


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