GNSS系统间PPP模糊度固定理论方法及软件实现

发布时间：2020-08-21 11:56

【摘要】：由于相对或差分定位技术需要参考站网支持,在全球范围无需参考站支持并能够提供瞬时厘米级定位的精密单点定位技术被提出并引起广泛关注,但是PPP技术也有自身的瓶颈,即较长的收敛时间和浮点模糊度解。PPP的收敛时间一般需要15分钟甚至更久,极大的限制了其在实时领域的应用。PPP模糊度固定能够显著改善定位精度,尤其是在东方向;同时极大缩短收敛时间从而提高生产作业的效率,使得其成为近年PPP研究领域的热点问题。本文的研究主要围绕如何快速有效的固定非差模糊度展开。关于CDMA信号体制的PPP模糊度固定研究取得了大量成果,其数据处理策略及算法适用于采用CDMA信号体制的GPS、BeiDou和Galileo系统,但其无法适用于采用FDMA信号体制的GLONASS系统。关于FDMA信号体制的GLONASS PPP模糊度固定有诸多难点:1)不同频率通道号卫星发射的载波信号波长不同;2)IFCBs无法简单模型化;3)不同类型接收机之间存在IFPBs。PPP模糊度固定一般需要通过Melbourne-Wubbena组合形成宽巷模糊度,而IFCBs势必会经由此组合进入到宽巷模糊度估值中,无法通过星间单差消除。因此有关GLONASS PPP-AR的思路均围绕如何消除IFCBs的影响展开。不同于GPS的是GLONASS无电离层模糊度恰好具有整数特性,因为其1和2频点的频率之比为9/7。在此基础上本文给出了 GLONASS PPP无电离层模糊度固定算法,该方法不受IFCBs的影响,且无需限定同类型接收机,简化了 GLONASS PPP模糊度固定数据处理流程。通过事后模式实验验证了方法的可行性,在GPS模糊度固定基础上固定GLONASS无电离层模糊度能有效改善定位精度并缩短PPP收敛时间。但无电离层模糊度波长仅为窄巷波长的一半,其对模糊度估值中的残余误差较为敏感。开展动态滤波PPP模糊度固定试验,仅固定GPS窄巷模糊度的情况下,首次模糊度固定时间为17.2分钟;若进一步固定GLONASS无电离层模糊度使得首次模糊度固定时间缩短了约10%,减小为15.45分钟,为该方法在生产作业中的广泛应用提供了参考指标。GLONASS无电离层模糊度固定方法对误差敏感,因此为了保证模糊度估值足够精确常需要较长的观测时间,严重制约了 PPP的工作效率。第四章介绍了GLONASS PPP窄巷模糊度固定方法,不同于GLONASS无电离层模糊度固定和非差非组合模糊度固定,以上两种方法都绕过Melbourne-Wubbena组合从而避免IFCBs的影响;而PPP窄巷模糊度固定利用单站GLONASS IFCBs随时间稳定这一特征,逐站逐卫星的校正IFWBs,消除了 IFCBs对Melbourne-Wubbena组合宽巷模糊度的影响,从而实现了 PPP窄巷模糊度固定。为了避免在IFWBs的整数调整中做出错误判断,实际上对于大尺度网的数据处理,这种错误很难避免;本文选择对窄巷模糊度施加IFNBs改正来消除IFWBs隐含整数的影响。IFWBs/IFNBs校正信息是GLONASS PPP窄巷模糊度固定的前提,其具有很好的时间稳定性。对同一组数据分别进行GLONASS PPP窄巷模糊度固定和PPP无电离层模糊度固定实验,当首次模糊度固定时间小于10分钟时前者的固定解比例要高出后者20%。此外,在GPS模糊度固定的基础上进一步固定GLONASS窄巷模糊度,首次模糊度固定时间为12.07分钟,而对应于无电离层模糊度则为15.45分钟,首次模糊度固定时间进一步缩短了 20%以上。参与模糊度固定的备选模糊度越多,部分模糊度固定策略的成功率越高。系统间PPP-AR仅需一颗参考星而不是像系统内固定时各系统选择各自的参考星,使得更多的备选模糊度参与模糊度固定。本文给出了有关系统间GPS/BeiDou PPP模糊度固定的算法,ISWBs/ISNBs是实现系统间PPP模糊度固定的前提,其具有很好的时间稳定性。85%相邻天之间的变化量不超过0.05周;但也存在跳变的情况,一般是因为接收机冷启动或者是固件升级,具有可预见性。此外个别测站的ISWBs/ISNBs随时间波动较大,呈现出亚天的信号;但是2小时更新频率的ISWBs/ISNBs与以天为更新频率的估值偏差一般不超过0.1周。系统间GPS/BeiDouPPP模糊度固定相比系统内模糊度固定并不改善定位精度,但可以缩短首次模糊度固定时间约10%,由10.82分钟缩短为9.77分钟。基于本文PPP模糊度固定算法研究的基础上在仅能处理GPS的PPP-RTK模块中进一步增加对GLONASS、BeiDou及Galileo系统的PPP模糊度固定功能,开发了四系统无电离层组合PPP模糊度固定软件包和非差非组合PPP模糊度固定软件包,对PANDA软件的PPP-RTK模块进行了完善和扩展。采用本文开发的两个软件包分别进行了 GPS/GLONASS/BeiDou/Galileo四系统无电离层组合PPP模糊度固定实验及GPS/GLONASS非差非组合PPP模糊度固定实验,在验证了软件包数据处理能力的同时也证明了多系统模糊度固定在无电离层组合PPP和非差非组合PPP中所发挥的重要作用。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P228.4
【图文】：

星下点轨迹,导航卫星,卫星导航定位系统,欧盟

１２０７．１４ＭＨｚ邋及邋１２６８．５２ＭＨｚ，而邋ＢｅｉＤｏｕ－３邋的频率采用了邋ＬＩ、Ｌ２邋及邋Ｂ３。截至邋２０１８逡逑年１月，己发射７颗北斗３代卫星，目标是在２０２０年建成一个包含３颗ＧＥＯ，邋３颗逡逑ＩＧＳＯ和２４颗ＭＥＯ卫星的导航系统。图１－３为ＢｅｉＤｏｕ星座在２０１７年９月１３日，逡逑０－２４ＵＴＣ期间的星下点轨迹，卫星标签表示卫星在午夜０时星下点位置；３种颜色逡逑用于区分不同轨道类型，其中红色表示ＧＥＯ卫星，绿色表示ＩＧＳＯ卫星，蓝色表示逡逑ＭＥＯ卫星（杨元喜，２０１０）。逡逑８０0ｓ＾＿逦逦逦逦ｍｍ逡逑１５０°Ｗ逦１００°Ｗ逦５０°Ｗ逦０°逦５０°Ｅ逦１００°Ｅ逦１５０°Ｅ逡逑图１－１邋２０１７年９月１３日，０－２４ＵＴＣ，ＧＰＳ导航卫星的星下点轨迹逡逑８０°Ｎ逦一逡逑４00ｓ逡逑１５０°Ｗ逦１００°Ｗ逦５０°Ｗ逦０°逦５０°Ｅ逦１００°Ｅ逦１５０°Ｅ逡逑图１－２邋２０１７年９月１３日，０－２４ＵＴＣ，邋ＧＬＯＮＡＳＳ导航卫星的星下点轨迹逡逑考虑到卫星导航定位系统对政治军事经济的巨大利益，欧盟组建了自己的逡逑Ｇａｌｉｌｅｏ系统。该系统由欧洲宇航局（Ｅｕｒｏｐｅａｎ邋Ｓｐａｃｅ邋Ａｇｅｎｃｙ

导航卫星,星下点轨迹

并分别于２００５和２００８年发射了邋２颗在轨实验星进行关键技术验证。该系统逡逑计划由３０颗卫星组成，其中６颗为在轨备用星。Ｇａｌｉｌｅｏ己在２０１６年底提供初始服逡逑务，并计划于２０２０年建设完成。图１－４为Ｇａｌｉｌｅｏ星座在２０１７年９月１３日，０－逡逑２４ＵＴＣ期间的星下点轨迹，卫星标签表示卫星在午夜０时星下点位置；４种颜色用逡逑于区分不同轨道面（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇａｌｉｌｅｏｇｎｓｓ．ｅｕ／）。逡逑截至２０１８年１月己有８３颗导航卫星可用，未来ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、ＢｅｉＤｏｕ和逡逑ＧａｌＵｅｏ四个全球导航卫星系统的可视卫星个数可达１２０颗。多频多系统的环境极大逡逑地推动了导航定位技术的发展（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｇｓ．ｏｒｇ／ｍｇｅｘ／）。逡逑１５０°Ｗ逦１００°Ｗ逦５０°Ｗ逦０°逦５０°Ｅ逦１００°Ｅ逦１５０°Ｅ逡逑图１－３邋２０１７年９月１３日，０－２４ＵＴＣ邋ＢｅｉＤｏｕ导航卫星的星下点轨迹逡逑８０°Ｎ逦一々逡逑。１逦佭＿邋ＴＨＴＭ』逡逑８0４，邋－；逦逦逦—逡逑１５０°Ｗ逦１００°Ｗ逦５０°Ｗ逦０°逦５０°Ｅ逦１００°Ｅ逦１５０°Ｅ逡逑图１－４邋２０１７年９月１３日，０－２４ＵＴＣ邋Ｇａｌｉｌｅｏ导航卫星的星下点轨迹逡逑４逡逑

示意图,天顶角,电离层,电离层模型

图２－１单层电离层模型的测站天顶角和穿刺点天顶角几何关系示意逡逑电离层延迟简化模型设定电离层为一个环绕地球的薄层。此时斜路径ＴＥＣ就可逡逑以模型化为天顶ＴＥＣ邋（ＶｅｒｔｉｃａｌＴＥＣ，邋ＶＴＥＣ）和斜路径映射函数的乘积。图２－１为逡逑单层电离层模型的测站天顶角和电离层穿刺点（ＩＰＰ，邋Ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ邋Ｐｉｅｒｃｅ邋Ｐｏｉｎｔ）天顶逡逑角几何关系示意图（Ｈｏｆｍａｎｎ－Ｗｅｌｌｅｎｈｏｆ等，２００７）。伪距电离层延迟可以表达为逡逑ＶＴＥＣ和穿刺点天顶角ｚ＇的方程：逡逑／邋＝N４０＿３．枈逦（２．４９）逡逑ＣＯＳＺ＊邋／２逡逑穿刺点天顶角Ｙ可由接收机处天顶角Ｚ、地球半径以及薄层高度／／求出：逡逑ｓｉｎｚ’邋＝邋———ｓｉｎ邋ｚ逦（２－５０）逡逑Ｒｅ＋ｈ逡逑随着站星天顶角的变化，映射函数的取值在１－３之间。ＶＴＥＣ的变化范围通常由晚逡逑上的几ＴＥＣＵ到白天的几十ＴＥＣＵ不等。当电离层活跃时，ＶＴＥＣ的峰值可达逡逑２００ＴＥＣＵ。逡逑若有ＶＴＥＣ的改正值可用，比如ＧＩＭ，用户可根据（２－４９）在观测模型中改正电逡逑离层的影响。通常全球电离层格网产品比广播星历的Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ模型改正（Ｋｌｏｂｕｃｈａｒ，逡逑１９８７）更为精确（０ｖｓｔｅｄａｌ，２00２）。在多频应用中，外部的ＶＴＥＣ信息常作为电离层先逡逑验信息

【参考文献】