GNSS实时非差高精度定位技术与方法

论文摘要

目前,全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite Systems,GNSS）已经在各领域得到广泛应用,且成为各国发展不可或缺的一部分,但由于当前GNSS技术和系统本身所固有的局限性,厘米级甚至毫米级的高精度实时位置信息的获取仍需要采用地面或空中增强系统。基于非差精密单点定位（Precise Point Positioning,PPP）的增强定位技术成为当前研究热点,本文针对实时高精度位置服务的现实需求,致力于研究并实现实时高精度非差增强定位技术,主要研究内容包括如下几方面:在研究PPP通用定位模型的基础上,分析了非差模糊度失去整数特性的原因。针对全球或者大范围参考站网单差参考星基准不统一,使得星间单差法不适用于该类型网估计卫星端相位硬件延迟（下文简称卫星端Phase Bias）的问题,提出了一种适用于全球或者大范围参考站网络实时估计卫星端Phase Bias的方法。通过实验分析发现,实时估计的卫星端宽巷Phase Bias在一天内具有一定的稳定性,但窄巷Phase Bias不具备该特性。相对于浮点解,修正卫星端Phase Bias后的实时PPP模糊度固定解在N、E、U三个方向上精度平均提升了22.6%、37.1%和14.9%。针对非差模糊度固定易受到卫星轨道钟差、大气未模型化残差、卫星端相位延迟精度与稳定性影响的问题,提出了部分模糊度固定结合“HOLD Phase Bias”的新方法。通过实验分析,该方法将非差模糊度固定率相对提高了30.5%,达到了99.3%。进一步分析,发现基于区域参考站估计得到的卫星端Phase Bias易包含未模型化的大气残差,将各区域网内的参考站共同参与卫星端Phase Bias估计,利于提升各区域内精密单点定位模糊度固定解（Precise Point Positioning Ambiguity Resolution,PPPAR）的性能。针对常规PPP及PPPAR通常需要20分钟左右收敛时间的问题,本文研究了利用PPPAR方式提取参考站位置的非差大气延迟信息的问题。提出利用非差综合改正数融合精密轨道、钟差、卫星端Phase Bias及非差大气延迟的新方法,在利用该非差综合改正数后,采用附有约束的PPP非差模糊度单历元固定方法,实现PPP单历元获取高精度定位结果。实验过程中,针对不同参考站接收机硬件延迟及相对模糊度基准不同导致非差改正数基准不同而无法直接对比验证的问题,采用“似双差”法验证非差综合改正数的正确性。通过实测数据,对兼容BDS的区域增强PPP非差模糊度单历元固定技术进行验证。同一个实验环境GPS单系统的平均定位结果为:N方向0.034m、E方向0.034m、U方向0.075m;BDS+GPS双系统平均定位结果为:N方向0.033m、E方向0.033m、U方向0.077m;两种模式的单历元固定率分别为99.1%与99.58%。针对目前非差改正数无法直接用于实时相对动态定位（Real Time Kinematic,RTK）的问题,提出了将非差综合改正数等价转换为虚拟参考站观测数据的新方法,满足RTK定位需求;考虑转换后虚拟参考站数据基准与物理参考站基准不同,无法直接对比的问题,采用虚拟零基线的方式验证生成的虚拟参考站观测数据的正确性;最后,采用RTK定位方式对转换后的虚拟参考站观测数据进行了不同长度基线的定位分析,其中零基线N、E、U三个方向上的平均定位精度分别为0.004m,0.008m,0.011m,平均模糊度固定率为98.9%;平均长度为70km的基线N、E、U三个方向上的平均定位精度0.012m,0.009m,0.022m,平均模糊度固定率为94.1%;这与传统模式RTK定位效果一致,证明了利用区域增强PPP系统中提取的非差综合改正数经过等价变换后亦能够提供类似网络RTK系统所提供的虚拟参考站服务,扩充了应用方式。根据区域增强定位关键技术的研究内容与方法,设计并开发了区域增强PPP定位系统,系统包括以下几个子系统:能够根据已知坐标及原始观测数据等独立解算固定非差模糊度并反演非差综合改正数的区域增强参考站计算单元子系统;兼容区域或广域参考站网络数据实时卫星端Phase Bias估计系统;具备大并发能力的增强参考站计算单元管理子系统,具备非差模糊度快速固定的PPP终端用户子系统。最后,利用实测数据验证了系统的正确性与可靠性。

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摘要

ABSTRACT

缩略词注释表

第1章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PPP研究现状

1.2.2 卫星端相位延迟估计与非差模糊度固定

1.2.3 区域增强PPP定位

1.2.4 非差改正信息用于RTK定位的研究

1.3 本文的研究目标与内容安排

第2章实时精密单点定位的关键技术

2.1 PPP数学模型及参数估计方法

2.1.1 PPP数学模型

2.1.2 参数估计方法

2.2 GNSS定位误差处理

2.2.1 与卫星有关的误差

2.2.2 与信号传播途径有关的误差

2.2.3 与测站位置有关的误差

2.3 实时PPP改正数据流

2.4 实时PPP浮点解实验结果与分析

2.4.1 单GPS实验结果与分析

2.4.2 GPS+BDS实验结果与分析

2.5 本章小结

第3章 PPP非差模糊度固定及改进新方法

3.1 卫星端相位延迟实时估计方法

3.1.1 相位延迟与PPP非差模糊度的关系

3.1.2 全球站网统一基准的卫星端Phase Bias新方法

3.1.3 实验结果与分析

3.2 实时PPP模糊度固定解

3.2.1 非差模糊度固定方法

3.2.2 实验结果与分析

3.3 基于“HOLD PHASE BIAS”的非差模糊度固定新算法

3.3.1 部分模糊度固定策略

3.3.2 “HOLD Phase Bias”新方法

3.3.3 实验结果与分析

3.4 区域站点与卫星端PHASE BIAS的相关性分析

3.5 本章小结

第4章区域增强PPP模糊度单历元固定方法

4.1 非差综合改正数提取方法

4.1.1 精密非差大气延迟

4.1.2 非差综合改正数生成

4.2 非差综合改正数区域模型化方法

4.2.1 Delaunay方法构建独立三角形

4.2.2 非差综合改正数内插方法

4.3 附有约束的PPP非差模糊度单历元固定方法

4.4 实时区域增强PPP实验结果与分析

4.4.1 GPS区域增强PPP实验结果与分析

4.4.2 GPS+BDS双系统区域增强PPP实验结果与分析

4.5 本章小结

第5章基于非差改正数的VRS定位新方法

5.1 VRS数据生成新方法

5.2 VRS定位方法

5.3 非差改正数用于RTK定位实验

5.3.1 实时PPPAR定位结果

5.3.2 非差改正数与VRS观测数据等价变换

5.3.3 结果与分析

5.4 本章小结

第6章区域增强PPP定位系统设计与实现

6.1 系统总体设计

6.2 基础通讯平台设计

6.2.1 通讯架构设计

6.2.2 请求应答机制

6.2.3 可视化实现

6.3 区域增强定位系统子系统设计及实现

6.3.1 区域增强参考站计算单元子系统计及实现

6.3.2 卫星端Phase Bias估计子系统设计及实现

6.3.3 增强参考站计算单元管理子系统设计及实现

6.3.4 区域增强终端用户子系统设计及实现

6.4 实验结果与分析

6.4.1 WL与LC解的精度对比分析

6.4.2 不同基线长度单历元定位结果与固定率

6.4.3 不同定位模式定位结果与固定率

6.5 本章小结

第7章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

作者简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张勇

导师: 王庆

关键词: 区域增强,实时卫星估计,非差模糊固定,非差综合改正数

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 东南大学

分类号: P228.4

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.004016

总页数: 155

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