Multi-GNSS精密单点定位固定解方法与性能评估

发布时间：2020-08-04 10:52

【摘要】：精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术发展于上世纪末,它仅用一台接收机的载波相位和测码伪距观测值即可实时或事后实现高精度定位,被广泛应用于大地测量、工程测量及地球空间科学等研究领域。近年来,多星座导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite Systems,GNSS)的发展和 PPP 模糊度固定技术的实现,为PPP技术的研究与应用注入了新的活力。多星座条件下,卫星数量更多,卫星观测几何更好,能够缩短收敛时间并提高定位精度。而PPP模糊度固定技术充分利用了载波信息,能够进一步提高定位精度,并在一定程度上加快收敛速度。多系统组合PPP模糊度固定已成为卫星导航领域的前沿热点方向。目前,GPS的PPP模糊度固定技术已趋于成熟,多系统PPP浮点解在模型算法方面也较为完善;但是有关融合GPS、GLONASS、Galileo、BDS四大系统的PPP模糊度固定技术还没有实现。本文在GPS PPP模糊度固定理论的基础上,采用了四大卫星导航定位系统的观测数据,研究了multi-GNSS多系统PPP模糊度固定的理论和算法,评估了 Multi-GNSSPPP固定解的定位性能。主要工作如下:(1)分析了北斗二代GEO、IGSO和MEO卫星的伪距偏差序列,针对IGSO和MEO卫星的伪距偏差随高度角变化的特性,采用加权分段线性方法建立了IGSO和MEO卫星的伪距偏差改正模型;针对GEO卫星的伪距偏差和多路径效应,采用恒星日滤波的方法削弱了伪距偏差和多路径的影响。对北斗伪距观测值进行伪距偏差改正后,伪距单点定位结果精度得到了明显的改善,宽巷模糊度的收敛速度也有一定提升。进一步分析了北斗三代实验星的伪距偏差特性,结果表明北斗三代卫星几乎不存在伪距偏差。(2)分析了北斗PPP模糊度难以固定为整数的原因,讨论了北斗系统特有的相关误差的处理策略,实现了北斗GEO、IGSO和MEO卫星的相位小数偏差估计,并分析了相位小数偏差的时空特性。结果表明北斗卫星的宽巷和窄巷UPD序列均十分稳定,在十天范围内的标准差小于0.15周。对于宽巷UPD产品,IGSO卫星的UPD序列明显优于GEO和MEO卫星。相比于香港网和MGEX,中国陆态网的宽巷UPD最稳定,标准差仅为0.03周,数据利用率高达94.07%。对于窄巷UPD产品,香港网,中国陆态网和MGEX网的标准差分别为0.037,0.052和0.058周。利用香港网测站估计得到窄巷UPD稳定性最高,且具有最高的数据利用率和最优的残差分布,主要是由于参考网范围较小,公共的轨道误差和大气误差可以被吸收到卫星UPD中。(3)基于稳定可靠的北斗UPD产品,实现了联合GEO/IGSO/MEO卫星的单北斗PPP模糊度固定。对于北斗PPP,模糊度固定后,收敛时间得到明显缩短,定位精度得到显著的提升。对于北斗静态PPP固定解,香港网和中国陆态网测站的平均首次固定时间约为40分钟,固定百分比分别为91.3%和76.4%,MGEX测站的平均首次固定时间相对较长,约为57.4分钟,固定百分比为68.99%。香港网测站北斗静态PPP固定单天解的在E/N/U方向的定位精度可达(0.72,0.54,3.21)cm,相较于浮点解提升了 58.6%,50%和41.8%。对于动态PPP,香港网,中国陆态网和MGEX网的首次固定时间分别是49.0,48.3和73.4分钟,固定百分比为84.44%,63.50%和60.17%。(4)建立了 GNSS四系统融合的UPD估计模型。基于MGEX/IGS的观测数据,估计了四系统的UPD产品,并从时间稳定性,数据利用率,残差分布等多个方面进行质量检核。其中GPS宽巷UPD在30天内的平均标准差为0.023周,窄巷UPD的标准差为0.04周。北斗卫星伪距偏差的改正对于北斗卫星的UPD估计有重要作用。伪距偏差改正后,北斗卫星宽巷UPD在稳定性方面有明显的提升,尤其是北斗IGSO和MEO卫星,提升超过了 75%,北斗卫星窄巷UPD产品的一致性也有所改善。为了克服GLONASS卫星频间偏差的影响,使用四种类型接收机(TRIMBLE NETR9_all version,TRIMBLE NETR9_5.15,JAVAD TRE_G3THDELTA和LEICA)估计了 GLONASS卫星的UPD产品。结果表明,GLONASS宽巷UPD的标准差小于0.06周,窄巷UPD的标准差小于0.11周。分别使用全球和欧洲测站估计Galileo卫星的UPD产品,结果表明两种网估计得到Galileo产品的标准差均小于0.02周,窄巷UPD小于0.11周。(5)实现了四系统PPP模糊度固定解,并评估了四系统PPP模糊度固定的定位性能。相比于PPP浮点解,PPP模糊度固定可以缩短收敛时间,提升定位精度。而四系统PPP固定解能够实现最快的收敛,达到最高的定位精度。当截止高度角为7°时,四系统PPP固定解的首次固定时间为9.21分钟,相较于单系统和双系统的定位结果,有明显的提升。当截止高度角增加到30°,GPS和GPS+Galileo的首次固定时间超过35分钟,明显变慢,而四系统PPP固定解的首次固定时间仅需要13.24分钟。在10分钟内,四系统PPP固定解的定位精度在E、N、U方向可以达到(1.84,1.11,1.53)cm,而单GPSPPP固定解的定位精度仅为(2.25,1.29,9.73)cm。在两个小时内,四系统PPP固定解相对浮点解在E、N、U方向提升了 69.6%,15.2%和 10.6%。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4
【图文】：

对比图,时间序列,对比图,多路径误差

逡逑为了分析ＧＮＳＳ伪距多路径偏差的特征，选择了ＪＦＮＧ测站２０１５年３月１０日的逡逑观测数据，计算了ＧＮＳＳ四系统ＭＥＯ卫星的ＭＰ序列。图３．１给出了邋ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、逡逑ＧＡＬＩＬＥＯ和ＢＤＳ四个系统的ＭＥＯ卫星的伪距多路径序列。由图可以看出，ＧＰＳ、逡逑ＧＬＯＮＡＳＳ和ＧＡＬＩＬＥＯ系统的多路径误差具有相似的特性，然而ＢＤＳ的伪距多路逡逑径与其他三个系统的多路径误差相比有明显的区别，存在明显的系统偏差逡逑（Ｈａｕｓｃｈｉｌｄ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１２；邋Ｍｏｎｔｅｎｂｒｕｃｋ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２０１０，邋２０１２，邋２０１３）。为了进一步分析该逡逑系统偏差的特性，图３．２给出了邋ＧＮＳＳ四系统的多路径偏差随着高度角的变化趋势。逡逑由于多路径误差与卫星高度角的大小相关，不同的高度角下，信号传播路径不同，逡逑多路径效应也不同，低高度角情况下，信号的反射情况更为严重，多路径误差较逡逑为明显

序列,北斗卫星,高度角,序列

ＥＬＥ（°）逦ＥＬＥ（°）逡逑图３．２邋ＧＮＳＳ多系统ＭＰ时间序列对比图逡逑３．１．２北斗卫星伪距偏差特性分析逡逑选取ＣＵＴ０测站２０１５年３月１日的观测数据计算得到北斗卫星的ＭＰ序列与高逡逑度角序列，图３．３给出了邋Ｂｌ、Ｂ２和Ｂ３频率上北斗ＧＥＯ、ＩＧＳＯ、ＭＥＯ卫星的ＭＰ时逡逑间序列以及高度角序列，其中蓝色、绿色和红色的点分别对应于Ｂｌ、Ｂ２和Ｂ３频逡逑率上的ＭＰ组合观测值，而黑色曲线为北斗卫星的高度角序列。由图可以看出逡逑ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的ＭＰ序列中均存在随着高度角的X棿蠖跣〉南低澄蟛睢６义希牵牛衔佬堑模停行蛄谐氏植ǘ窒螅捎诠斓栏叨冉堑谋浠段Ы闲。本嗥义喜畹拇笮∮敫叨冉堑墓叵挡⒉幌灾６杂冢牵牛稀ⅲ桑牵樱虾停停牛衔佬牵煌德噬襄义系奈本嗥罹薪衔飨缘牟畋稹ｅ义希玻埃卞危梗板澹玻埃颉邋邋邋澹保保蓿梗板澹保覆贰ⅲ邋邋澹颍蓿梗板义希琖Ｓ：丨媝逡逑＇２邋０邋０邋５００邋１０００邋１５００２０００邋２５００邋３０００邋°逦＇２邋0０邋５００逦１０００邋１５００邋２０００邋２５０°０逦＊１＇８0逦５００邋．．逦１００°０逡逑ＥＰＯＣＨ逦ＥＰＯＣＨ逦ＥＰＯＣＨ逡逑图３．３不同频率上的北斗卫星多路径误差序列与高度角序列逡逑针对北斗ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的伪距偏差

序列,北斗,多路径,站上

逑时间稳定性和空间稳定性。本文选择２０１４年和２０１５年ＤＯＹ４７、Ｄ０Ｙ８１共四天的逡逑观测数据生成ＭＰ序列进行对比分析。图３．４给出了邋Ｂ３频率上的ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星逡逑在不同天的伪距多路径误差随高度角的变化情况。可以看出，北斗ＩＧＳＯ和ＭＥＯ逡逑卫星的伪距偏差序列在不同天内具有较好的一致性。逡逑２ｔ逦１逦ｒ逦ｒ逦１逦ｃ逦ｃ邋邋ｔ逦￣邋Ｉ逦ｉ逦ｆ逦ｆ逦ｔ逦ｔ逦ｉ．逦ｉ邋ｒ＞逡逑．？邋ＤＯＹ邋０４７／２０１４逦，邋：逦？邋ＤＯＹ邋０４７／２０１４逡逑１．５邋邋邋—？邋邋逦逦逦逦逦逦邋－■邋？邋ＤＯＹ邋０８１／２０１４邋－邋１．５邋—＊＜－＊－邋￣：逦＾逦：—邋？邋ＤＯＹ邋０８１／２０１４邋ｊ逡逑，逦？邋ＤＯＹ邋０４７／２０１５逦？邋°°Ｙ邋０４７／２０１５逡逑？邋Ｍ逦？逡逑１邋５邋＿邋＿逦＿邋一邋＿邋＿邋一—邋一邋邋邋ｉ逦Ｉ逦１逦－１，５邋－邋■邋？邋ｊ＊逦１邋邋邋逦Ｊ逦ｉ￣—邋ｊ逦１逦逦逡逑＇——ｉｎ——．逦＾邋ｊ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦ｉ逦．逦；逦ｉ逦＾逡逑＂２0邋１0逦２０逦３０逦４０逦５０逦６０逦７０逦８０逦９０逦０逦１０逦２０逦３０逦４０逦５０逦６０逦７０逦８０逦９０逡逑Ｅｌｅｃｔｉｏｎ邋ｒｄｅｏｒＢｅｓｌ逦Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ邋［ｄｅｇｒｅｅｓ］逡逑困３．４邋Ｂ３频芈上北斗ＩＧＳＯ／ＭＥＯ卫星不同天的伪距多路径偏差对比逡逑为了进一步验证北斗伪距偏差的空间稳定性，选择ＣＵＴ０、ＪＦＮＧ和ＧＭＳＤ测逡逑站在２０１５年１月１０日的观测数据

【参考文献】