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基于连续运行基准站的动态定位理论与方法研究

吕志伟  
【摘要】:基于连续运行基准站的动态定位技术也称为网络动态定位技术、多基准站动态定位技术,是近年来在常规动态定位、通讯、网络、计算机等技术的基础上发展起来的一种高精度动态定位新技术,是卫星导航定位技术的发展趋势之一。本文系统地研究了基于连续运行基准站的动态定位理论,设计并编程实现了基于连续运行基准站的动态定位的核心算法,通过大量算例验证了本文所涉及理论与方法的正确性。本文的主要工作和创新点概括如下: 1、研究和归纳了卫星定位的观测模型、误差模型和随机模型。给出了基本观测量和组合观测量的观测方程、线性化方程,分析了常用组合观测量的特点。分析了卫星相对定位中系统误差和偶然误差的定义、特性、影响量以及常用的改正方法。系统误差包括卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟;偶然误差包括多路径效应、观测噪声。推导了形式简单明了、用单差矩阵表示的观测量随机模型。 2、研究了基于连续运行基准站的动态定位的数学模型。把动态定位计算分成了三个主要步骤:基准站间的基线解算、虚拟参考站观测数据的构建和流动站用户的定位计算。中长距离基线的模糊度解算、误差改正数据的内插算法是动态定位的关键。在此基础上,改进了常见的动态定位数学模型:一是将综合误差处理改进成与卫星相关的站间单差电离层延迟、与基准站相关的对流层延迟,这样处理有利于不同物理性质的分离和精化处理,有利于后续虚拟参考站观测数据的构建;二是将双差整周模糊度参数分成了两个站间单差模糊度,这样处理有利于流动站用户定位解算切换参考星时更顺畅,使得定位结果更连续性。不过这种改进数学模型会增加待估参数的数量。 3、研究了GNSS观测数据的周跳探测与修复。在分析了几种较实用方法的基础上,设计了适用于动态定位的周跳探测与修复方法:电离层残差和TurboEdit组合法,并分析了方法的探测精度、适用性、可靠性。用基准站数据的算例表明该方法能够探测并修复0.5周以上的周跳。 4、研究了基准站观测数据的质量分析方法。GNSS观测中的观测噪声和多路径效应属偶然误差,对定位质量的影响不能忽略,但不易分离。针对这一问题,设计了一种接收机观测噪声分析的实验方法,推导了接收机观测噪声估计的数学模型,算例也表明:接收机的噪声大小与高度角相关,伪距观测噪声和载波相位观测量噪声有一定比例关系。提出了一种载波相位观测量多路径效应的分析方法,设计了实验方法,推导了多路径的解算模型。用实际观测数据比较了不同类型观测量、不同频点的观测量多路径效应的异同,分析了多路径效应与卫星高度角的关系。 5、本文使用Kalman滤波作为动态定位的参数估计方法,推导了Kalman滤波用于动态定位数据处理的数学模型,并顾及观测模型是非线性模型、待估参数常常发生变化给出了解决方法。将Kalman前向滤波和双向滤波应用到基于连续运行基准站的动态定位中,前向滤波可用于实时定位应用,后者可用于事后的高精度应用。通过算例比较了前向滤波和双向滤波的性能。提出了一种顾及基准站已知坐标的参数估计方法,这种方法在参数估计时固定基准站的坐标。算例表明该方法在中长距离基准站相对定位数据处理时能够提高整周模糊度解算成功率和固定解比例,验证了方法的正确性和有效性。还对算法的适应性进行了比较分析。 6、本文将整周模糊度解算分成了两个主要步骤:模糊度的实数估计和整周模糊度的搜索。介绍了常用的整周模糊度搜索方法,并分析了各种方法的特点。考虑到LAMBDA方法在数学上更严密,充分利用了方差协方差阵提供的信息,能够提供整周模糊度的最优无偏估计,并且优化了搜索空间,能偶提高搜索效率,本文采用了LAMBDA方法进行模糊度搜索,RATIO值进行模糊度确认。 7、将虚拟参考站的观测量构建分成基准站间电离层延迟与对流层延迟估计、虚拟参考站处误差内插两个主要步骤。分析了电离层延迟、对流层延迟估计的确定性模型和随机性模型,提出了一种考虑观测量残差的? 2检验的整周模糊度固定方法。算例表明,该方法能够解决卫星观测数目变化等原因导致的整周模糊度的固定情况发生变化时,所估计的电离层延迟和对流层延迟出现不连续的情况。比较分析了虚拟参考站处误差内插的常用方法。算例表明:电离层延迟内插值和参数估计值的最大差值为2厘米,对流层延迟的最大差值为0.8厘米,验证了电离层延迟、对流层延迟估计算法以及内插算法的正确性。 8、推导了流动站用户动态定位的数学模型,比较分析了基准站间定位与流动站用户动态定位在应用需求、观测条件、观测模型和动态模型等方面的异同。编程实现了流动站用户定位解算,用不同载体、不同距离的动态定位算例,验证了本文采用的流动站动态定位数学模型的正确性。 9、结合不同载体观测数据的特点,分析了动态定位中的多种数据处理策略。研究了数据采样率和载体动态性能的相互关系,建议中低动态用户定位的数据处理可考虑适当降低数据的间隔;比较了单双频数据定位结果,对于观测条件好的中低动态用户,用单频接收机代替双频接收机也能达到厘米级定位精度;研究了基准站和流动站高差较大时的动态定位结果,距离较远时或高差较大都应估计对流层延迟影响;研究分析了不同解算模式对定位结果的影响,动态定位数据处理应尽量减少未知量的个数,有利于提高解的成功率和固定解的比率。


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