GNSS实时精密定位服务系统若干关键技术研究

发布时间：2019-07-26 09:08

【摘要】：全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)是20世纪伟大的系统工程,包含大量的科学与工程技术创新。自上世纪70年代出现至今,GNSS导航定位技术与理论经历了全面而快速的发展。一方面导航卫星系统从早期的GPS和GLONASS发展到现在的GPS、GLONASS、Galileo和北斗四系统、从传统的双频信号发展到现在的三频和多频信号、从单一的MEO星座发展到现在的GEO、IGSO和MEO混合星座；另一方面导航定位算法与数据处理理论从原来的事后处理向实时处理、差分处理向单站处理、低精度向高精度、单系统处理向多系统组合处理发展。多系统、多频信号、多观测量类型、实时高精度应用是现代GNSS技术与理论的发展趋势,在提高了GNSS导航定位服务性能的同时,也为GNSS技术与理论的现代化发展提供动力与新的要求。GNSS实时精密定位技术具有重要的工业与科学应用价值,能显著提高社会生产效率,是卫星导航定位技术应用的必然发展趋势。用户在进行GNSS实时精密定位时,一般都需依赖外部实时精密定位服务系统提供的实时定位支持产品,如超快速精密轨道、实时精密钟差、卫星硬件延迟和大气延迟改正等。因此,研究GNSS实时精密定位服务系统的相关关键技术对促进GNSS实时精密定位技术的应用具有重要意义。本文针对GNSS实时精密定位服务系统在数据处理过程中的若干关键技术,重点研究系统输入观测数据的实时预处理和质量控制,GPS、GLONASS、Galileo和北斗四系统实时精密钟差估计,GPS/北斗卫星硬件延迟估计与PPP模糊度固定,以及基于PPP非差模糊度固定的区域大气延迟高精度建模等内容,优化并完善GNSS数据处理理论与算法,解决从广域高精度导航到局域精密定位的实时服务产品生成问题,在此基础上形成一套兼容广域与局域的实时精密定位服务体系,提供多种尺度的实时精密定位服务产品,促进GNSS实时精密定位的全方位应用。本文的具体研究内容和主要贡献包括以下几个方面：1.提出了一种适用于三频导航信号的实时周跳探测与修复算法,能充分利用北斗、现代化GPS、QZSS等卫星的三频观测量进行实时周跳探测与修复,其单历元探测修复成功率分别为北斗99.14%、GPS/QZSS 99.96%;针对实时数据处理系统对观测数据质量与运算效率的要求,提出了基于系统实时产品的分布式并行PPP数据预处理与质量控制策略,地面参考站可利用系统播发的产品独立地进行PPP数据处理,能高效地发现问题观测量和粗差。2.基于传统非差实时精密钟差估计方法,发展了一种双线程并行处理的非差算法,兼顾精度的同时解决了多系统实时精密钟差估计的运算效率问题,该方法同时运行快慢两个钟差估计线程,慢线程估计所有的钟差、对流层和模糊度参数,快线程将对流层和模糊度参数固定为慢线程输出的最新估值,只估计卫星和接收机的钟差参数,采用60个参考站的多系统观测量估计四系统实时钟差时,慢线程单历元处理耗时15s,快线程耗时2s,满足实时性要求；研究了多系统实时钟差估计中不同系统间偏差参数化方法与钟差精度的关系,确定了多系统实时精密钟差估计中系统间偏差的最优参数化策略；提出了一种基于预报残差建模的实时钟差短时预报算法,采用3h实时估计钟差进行钟差预报,预报1 h、2 h和3 h的钟差精度分别为-0.3 ns、-0.4 ns和～0.5 ns,基本能满足实时精密定位要求,提高系统服务的稳定性。3.研究了卫星硬件延估计和PPP模糊度固定的理论和方法,分析不同FCB估计算法的一致性,在此基础上实现了单站模糊度固定——FCB网平差的非差FCB估计算法,支持多种来源的模糊度观测量；分别采用MGEX全球网和中国陆态网的GPS/北斗观测数据估计两个系统的FCB产品,其中GPS卫星和北斗IGSO、MEO卫星的宽巷FCB都比较稳定,天内变化0.4周,日平均值差异在0.1周左右,窄巷FCB天内变化0.5周,日平均值差异较大,FCB估计过程中的宽巷和窄巷模糊度残差绝大部分分布在-0.25～0.25周之间,其中95%的置信区间在0.1周,表明FCB产品在各模糊度之间的一致性；采用不同FCB产品分别进行GPS和北斗的用户端PPP模糊度固定,验证了GPS卫星FCB产品的PPP模糊度固定性能和北斗IGSO、MEO卫星PPP模糊度固定的可能性,其中GPS单系统模糊度固定能使三维定位精度提升1.65% 30.47%,可固定测站的北斗单系统模糊度固定能提升7.43%-36.99%,GPS/北斗组合模糊度固定能提升5.21%-43.53%。4.提出了一种基于参考站网PPP模糊度固定的天顶对流层延迟与斜径电离层延迟的区域高精度建模方法,基于局域网和广域网进行了大气延迟的建模实验,验证算法性能,对于局域CORS网,对流层的插值的RMS为～1 cm,斜径电离层的插值精度为-0.2 TECU,对于站间距为～300 km尺度的广域网,对流层插值的RMS为～2 cm,斜径电离层插值精度为～0.5 TECU;利用短基线对非差与双差大气延迟产品进行了一致性检验,显示两者差异为天顶对流层延迟1 cm,斜径电离层延迟0.1 TECU。5.设计了一套兼容广域和局域的实时精密定位服务体系,能够根据用户的定位模式和精度需求定制不同的实时定位服务；结合本文的研究对系统的实时方案进行了设计,并在PANDA软件的基础上自主研发了一套实时精密定位服务系统软件,实现了本文研究的主要功能模块。
【图文】：

１ＧＳ０２逦Ｇ逦１０逦天线相位中屯、逡逑ＩＧＳ０３逦ＧＲ逦１０逦天线相位中屯、逡逑合邋ＣＬＫ２４逦Ｇ逦５逦天线相位中屯、逡逑ＣＬＫ２５逦Ｇ逦５逦质屯、逡逑ＣＬＫ３日逦Ｇ逦５逦质屯逡逑ＣＬＫ３１逦Ｇ逦５逦天线相位中也逡逑ＣＬＫ３５逦Ｇ逦ｍ逦天线相位中屯、逡逑前ＩＧＳ各分析中屯、的实时钟差产品精度大致相当，，在０．２邋ｎｓ左右（尹倩倩。下图是Ｗ邋ＩＧＳ事后精密钟差产品为参考，对ＩＧＳ各个分析中屯、播发的ＧＰＳ行评估的结果。所有实时钟差都是利用ＢＮＣ软件（ＢＫＧＮｔｒｉｐＣｌｉｅｎｔ，邋ＢＮ并ＩＧＳ的实时流，并保存为文件。评估时间为２０１５年３００日￣２０１５年％０络造成的数据流不稳定或产品本身不完整的原因，只统计了产品交完整的。从图中可Ｗ看出，大部分实时钟差产品的精度都优于０．２邋ｎｓ，ＣＮＥＳ、Ｇ产品精度较好，也比较稳定，ＢＫＧ和ＥＳＡ的相对较差，个别卫星的钟差０．３邋ｎｓ。逡逑０．５邋Ｉ逦１逡逑ＢＫＧ邋Ｈ逡逑

GNSS实时精密定位服务系统若干关键技术研究

逦ＧＮＳＳ实时精密定位服务系统若干关键技术研究导航定位（或数据处理）模式都需要在观测量和广播星历的基础上提供其他如精密单点定位需要精密轨道和钟差、差分ＧＰＳ或ＲＴＫ需要差分参考站观络ＲＴＫ需要参考网生成的观测误差或虚拟参考站、广域差分定位需要参考分改正数等。可Ｌ：ａ兑，ＧＮＳＳ实时精密定位都需要外部辅助系统或信息的支个参考站的观测量，大到参考网生成的精密定位产品，越是精密的应用，需息越多或越精确。下面介绍几个知名的ＧＮＳＳ实时精密定位系统。逡逑广域巧强系统（Ｗｉｄｅ邋Ａｒｅａ邋Ａｕｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ，邋ＷＡＡＳ）逡逑ＷＡＡＳ是是由美国联邦航空局（ＦＡＡ）在广域差分ＧＰＳ（邋Ｗｉｄｅ邋Ａｒｅａ邋ＤｉｆｆｅｒｅＷＡＤＧＰＳ）的基础上开发建立的一个ＧＰＳ星基增强系统，主要针对航空领航应用。ＷＡＡＳ系统现由３８个广域参考站（Ｗｉｄｅ－ａｒｅａ邋Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ邋Ｓｔａｔｉｏｎ，邋广域主控站（Ｗｉｄｅ－ａｒｅａ邋Ｍａｓｔｅｒ邋Ｓｔａｔｉｏｎ，邋ＷＭＳ）、６邋个地面上行注入站（ＧｒｏＳｔａｔｉｏｎｓ，邋ＧＵＳ）、２邋个操作控制中屯、（邸ｅｒａｔｉｏｎａｌＣｏｎｔｒｏｌＣｅｎｔｅｒ，邋ＯＣＣ）、陆（Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＴＣＮ）、Ｕ及邋３邋颗地球同步卫星（ＧＥＯＧＥＯ）组成（Ｋｅｅ邋１９９６），如图邋１．３－２邋所示（Ｍｉｔｃｈ邋Ｎａｒｉｎｓ邋２００６）。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P228.4

【参考文献】