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Multi-GNSS组合导航定位关键技术研究

栗广才  
【摘要】:随着GPS、GLONASS的现代化以及BDS、Galileo逐步完善,多频多系统组合导航必成为未来卫星导航的发展趋势。多频观测值的组合,可有效地提高载波相位整周模糊度解算效率和成功率;多星座卫星系统组合导航定位,可以显著增加可视卫星数目,改善卫星空间分布,提高导航定位的精度和可靠性。为集成以上优点,实现多频多系统组合导航定位,本文对Multi-GNSS组合导航定位关键技术展开了研究,主要内容包括Multi-GNSS的共用特性与性能分析、加权快速选星算法、随机模型精化、混合松组合和紧组合双差分相对定位技术、系统间偏差特性分析和混合不同频紧组合双差分的相位观测值线性组合等。论文主要成果和创新点如下:1.在研究各卫星导航系统的共用特性基础上,分别对四大导航系统之间的异同点、时空基准标准化以及Multi-GNSS性能分析等方面进行了研究。为定量研究不同组合层次的Multi-GNSS性能提升情况,通过构建量化指标,采用仿真数据,分析了组合系统性能提升随组合层次和截止高度角的变化规律,推出了各层次的最优系统组合。实验表明,高组合层次的Multi-GNSS不仅改善了单一或低组合层次多星座构型的不足和缺陷,还集成了不同构型星座的优势,很大程度上提升了各项性能指标。2.针对Multi-GNSS存在计算量和数据质量需要控制,而传统选星方法不再适用等问题,通过推导定位误差评估函数,提出了一种基于最小仰角阈值的分区加权快速选星的新方法,即PW-ELth算法,并在其基础上又延伸出简化实用的SPW-ELth算法。通过MGEX实测数据在有效性、计算量和定位精度三个方面进行了实验对比分析。结果表明,PW-ELth算法和SPW-ELth算法能够提供接近最优的选星效果,并且计算量上远小于最优PDOP和WPDOP选星法。同时,由于兼顾卫星空间几何分布和观测量误差,与只考虑卫星几何分布的最优PDOP选星算法相比,提高了定位精度和稳定性,具有更优的选星结果。3.针对Multi-GNSS伪距单点定位随机模型不够精确的问题,提出了一种顾及卫星高度和UERE的Helmert方差分量估计定权方法,并与高度角定权、顾及卫星高度和综合误差的UERE定权以及Helmert方差分量估计定权进行了实验对比。结果表明:合理定权是发挥多系统组合定位优势的关键,高度角定权虽然能描述系统内观测值之间的权比关系,但并不适用于组合定位,需采用验后方差估计定权调整系统之间的权比关系,而基于顾及卫星高度的UERE随机模型可获取更为可靠的先验信息,增强基于验后信息迭代的收敛性,减少迭代次数。所提出定权方法不仅能明显提高多系统组合定位的定位精确度,且能降低基于验后信息迭代的计算次数,具有较高的工程实用性。4.就Multi-GNSS松、紧组合双差分相对定位技术进行了具体研究。通过转化差分策略,统一了Multi-GNSS组合双差分观测模型,分别为Multi-GNSS松组合和紧组合双差分相对定位设计了相应数据模型,并通过实验验证了该差分策略和模型的有效性。5.具体实现了Multi-GNSS松组合短基线和中长基线的双差分相对定位,并通过实验分析了短、长基线下Multi-GNSS松组合双差分相对定位性能。实验表明,短基线下,松组合双差分相对定位与单系统GPS或BDS相对定位的可用率、模糊度固定成功率和精度相当,却比单系统GLONASS有所改善。但组合定位结果并非随组合层次越高质量就越好,还应考虑引入的数据质量或合理加权。高截止高度角环境下,单系统基本无法实现全天时定位,而多系统组合能够保持拥有较多可视卫星数的优势,可以在较为复杂环境下提供稳定的导航定位服务,且具有较高的模糊度固定成功率和精度。长基线下,组合系统可以保持较高的定位可用率,但模糊度固定成功率随截止高度角的增大先增加再下降,从而引出中、长基线相对定位消除大气延迟影响的新思路。6.具体实现了Multi-GNSS同频紧组合短基线的双差分相对定位,并通过实验进行了ISB的特性分析和定位性能分析。实验表明,Multi-GNSS同频紧组合双差分的码和相位小数ISB均与基线组成的接收机对类型有关,与卫星无关,且在时序上均表现稳定,可作为常数变量表示。码和相位小数ISB的存在,将影响伪距定位和相位模糊度的固定,应予以消除。固定类型的接收机对,可引入ISB改正值,但需考虑符号的分配或设置固定的参考卫星系统。Multi-GNSS同频紧组合相对定位中,相同类型接收机对的码和相位小数ISB影响均可忽略,但不同类型的接收机对进行相对定位时,消除ISB可显著提高模糊度固定的成功率。并且改正ISB的紧组合相较松组合增加了冗余度,可提高模糊度固定成功率和定位精度。7.针对紧组合双差分相对定位需满足不同系统之间要存在同频观测值的要求,提出了通过在不同系统之间进行多频相位观测值最优独立线性组合,获得虚拟同频观测值,来实现Multi-GNSS不同频紧组合双差分相对定位。通过推导标准双差、混合同频双差、混合不同频双差数学模型,重点分析系统频率不一致对混合双差的影响,确定了系统间频率偏差最小约束。通过分析零巷平面、无电离层平面和噪声放大倍数球之间的几何关系,以及不同系统的巷平面几何关系,论证了具有优良特性的组合存在和不同系统之间相同或相近波长的组合存在。并提出一种增加系统间频率偏差最小约束的相位观测值线性组合方法,即限定波长因子搜索法。最后,采用该搜索法获得各参考卫星最优整数线性组合以及对应的非参考卫星最优匹配整数线性组合,就短基线和长基线不同的情况,选择出不同系统组合的最优独立线性组合。


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