Multi-GNSS实时相对定位方法与实现

发布时间：2020-06-10 20:37

【摘要】：目前全球卫星导航系统(GNSS)在实时定位领域拥有广阔的应用前景,同时多系统多频时代又为实时GNSS用户带来了更优越的定位条件。在实时定位中,相对定位具有应用广泛、计算效率高、解算精度高的优势。对导航用户而言,基准站与流动站之间的基线长度决定了定位结果和精度的好坏。对20公里以内的短基线定位,影响GNSS定位的卫星钟差、接收机钟误差、电离层误差、对流层误差、轨道误差、硬件延迟等主要误差将被消去,在模糊度正确固定的情况下,静态测站的定位结果可达到厘米级甚至毫米级,动态定位结果可达到厘米级。对几十公里到几百公里的中长基线定位,钟差、轨道误差以及硬件延迟依然可以被消去,但由于基准站与流动站的空间位置差距过大,导致对流层及电离层误差时空特性差异增大,难以消去,因而一般要通过模型改正、参数估计、观测值组合等方式消去。若能对这些误差进行有效改正,精度也可达分米或厘米级。对几百公里以上的超长基线,误差消去情况与中长基线类似,但由于距离过远会导致基准站与流动站之间的共视卫星大大减少,难以进行高精度定位尤其是动态定位。本文研究了Multi-GNSS实时相对定位方法,主要创新点与结论总结如下:(1)针对短基线实时相对定位中的模糊度解算问题,使用均值模糊度法对开始若干历元模糊度进行初始化,以缩短模糊度解算所需的时间(初始化时间)。短基线定位实验表明,使用模糊度均值法,模糊度初始化时间在30个历元以内,稳定后静态定位和动态定位精度分别为毫米级和厘米级。(2)使用LC模糊度均值法和电离层约束法两种长基线模糊度解算策略。长基线定位时,若电离层延迟误差无法有效改正,只能通过观测值组成消电离层组合消去,这将使冗余观测减少,而对于长基线相对定位用户,共视卫星较少本身就使得观测量并不充裕。因此,针对观测量充足的用户,研究了LC模糊度均值法;针对观测量不足或使用单频接收机的用户,提出基于电离层产品的电离层约束法。实验表明,模糊度收敛后,两种策略的定位精度均能达到厘米级。(3)研究了GF组合+MW均值法联合周跳探测的方法。相位观测值GF组合能有效探测小周跳,但是当两个频率周跳满足一定比例条件时无法进行有效探测。在这种情况下MW组合可以弥补GF组合探测的不足,但MW组合会受到伪距观测较大噪声的影响。因此采用GF组合+MW均值法进行周跳探测,能有效降低伪距噪声的影响,提高周跳探测的成功率和可靠性。(4)对Multi-GNSS相对定位中的验后定权及载波相位的频间偏差(IFB)解算进行了研究。随着我国北斗卫星导航系统(BDS)和其他卫星导航系统(美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo等)的不断完善,如何实现高精度Multi-GNSS组合相对定位值得研究。本文将参考站和流动站接收机间的IFB频率比率系数作为待估参数,并建立随机游走模型进行估计,消除了观测方程中的IFB误差影响;采用Helmert方差分量估计法对不同卫星系统观测值进行验后定权,提高了多系统组合定位结果的精度和稳定性。(5)从底层开发了面向实时与事后用户的Multi-GNSS相对定位软件。该相对定位软件借鉴了部分RTKLIB的数据格式和数据流程序,通过配置文件控制GNSS解算策略。总体上,软件拥有数据流读取与解码、GNSS数据读取与存储、伪距单点定位(SPP)、动态/静态相对定位等功能。
【图文】：

周跳,均值法,短基线

分别加入３、２、１周的周跳。在Ｃ０７号卫星的第１６０、３５０和５２０个历元的Ｌ１逡逑波段上分别加入３、２、１周的周跳。设置阈值系数《邋＝邋３邋（置信度９９．７％），ｃｒ＝０．５，，逡逑结果如图３．１所示。左右两边分别表示Ｇ２１和Ｃ０７号卫星的实验结果，黑线表逡逑示未加入周跳时每个历元的７Ｖ，＋１－况值，绿线、蓝线和紫线分别表示加入３、２、逡逑１周周跳后的值。从图中可以看出，ＭＷ均值法阈值收敛速度快，能有效探逡逑测出２２周的周跳。但是，ＭＷ均值法无法探测出Ｓ１周的周跳，因为ＭＷ组合逡逑受噪声影响较大。值得注意的是，对于Ｃ０７号卫星，ＭＷ均值法的阈值能很好逡逑的反映出值的精度范围，但对于Ｇ２１卫星，ＭＷ均值法的阈值范围明显大于逡逑Ａ／■，值的浮动范围。逡逑表３．１短基线值及可探测到的最小周跳逡逑平均值逦最大值逡逑ＳＶＮ邋逦逦逡逑ＧＦＪｕｍｐ邋／ｍｍ逦最小周跳／Ｎ１逦ＧＦｊｕｍｐ邋Ｉｍｍ逦最小周跳／Ｎ１逡逑Ｇ２１逦１．７４２逦０．０８５逦９．７３０逦０．０４３逡逑Ｃ０７逦１．９５８逦０．０８４逦１０．２９

周跳,均值法,长基线

分别加入３、２、１周的周跳。在Ｇ３１号卫星的２００、４５０、６５０个历元的Ｌ１波段逡逑上分别加入３、２、１周的周跳。阈值系数设为《＝３邋（置信度９９．７％），0＊＝０．５，逡逑统计结果如图３．２所示。左右两边分别表示Ｇ１０和Ｇ３１号卫星的实验结果，图逡逑中各颜色线段意义与图３．１相同。ＭＷ组合值几乎不受到基线长短的影响，因此逡逑长基线ＭＷ均值法探测效果与短基线几乎相同。与短基线实验中的Ｇ２１号卫星逡逑类似，Ｇ１０号卫星ＷＭ值相对稳定。左图中加入１周周跳后的紫线与黑线（未逡逑加入周跳）分离明显，但ＭＷ均值法阈值过大，没有成功探测出此周跳。右图逡逑Ｇ３１号卫星的ＭＷ值波动明显，可能由Ｇ３１号卫星前４００个历元高度角小于２０°，逡逑观测噪声较大导致；但ＭＷ均值法依然能探测出２２周的周跳，１周的周跳与原逡逑始值分离不明显，无法有效探测。逡逑表３．２长基线｜ＧＦ；，＿｜值及可探测到的最小周跳逡逑平均值逦最大值逡逑ＳＶＮ邋逦逦逡逑ＧＦｊ
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P228.4

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