基于模糊聚类分析的GNSS实时质量控制方法及定位定轨应用研究

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全球导航卫星系统(GNSS,Golbal Navigation Satellite System)具有全天候、实时和高精度的优势,是20世纪一项伟大的系统工程,蕴含了大量的科学技术和工程应用的创新。自上世纪70年代出现至今,GNSS导航定位的理论与技术层面都经历了快速发展。一方面,全球导航系统从单独的GPS系统逐渐发展成GLONASS、Galileo以及北斗等多系统,信号也从最初的双频信号朝着三频和多频信号方向发展,基础设施日益完善,硬件配置也逐渐多样、兼容与全面化。另一方面,数据处理模式也朝着实时、高精度的方向快速发展。这为GNSS技术的广泛应用奠定了基础。卫星导航定位的可靠性是该项技术稳定应用的重要因素之一,可靠、准确的精密产品和导航定位结果是所有应用的前提和基础。GNSS实时精密数据处理过程中,及时、准确地发现粗差,合理进行质量控制,可以有效规避粗差影响平差结果正确性的问题,提高可靠程度。因此,研究实时GNSS精密数据处理中从观测数据到参数解算的实时质量控制具有重要意义。质量控制的实质就是将数据分为“好”和“坏”两类,这与数学上的聚类思想一致。传统的质量控制方法认为数据非好即坏,但实际数据处理过程中有时数据很难准确界定。模糊聚类则是将样本之间的模糊关系定量地表示,建立样本类属的不确定性描述,避免传统“非此即彼”性质的硬分类。依据模糊聚类分析方法能有效实现样本类属的不确定性描述及分类的特点,可将模糊聚类分析应用于GNSS数据处理质量控制。本文针对GNSS精密数据处理的实时性、可靠性应用需求,围绕GNSS实时质量控制及应用的研究热点,重点研究基于模糊聚类分析的实时观测数据质量控制、实时模糊度固定可靠性质量控制两个方面内容,并将其应用于实时精密定轨定位中,解决目前存在的部分理论难点与技术问题。在此方法的基础上,基于实测数据开展观测数据实时预处理、PPP单差模糊度固定及可靠性检验、实时滤波轨道双差模糊度固定及产品精度评估、实时定轨双差模糊度固定可靠性检验等研究。本文的研究内容和主要贡献如下:(1)分析总结了卫星导航技术的发展趋势和应用需求,论证了实时质量控制的必要性,结合质量控制与模糊聚类的本质及特点,提出了将模糊聚类分析方法应用于GNSS卫星导航精密数据处理的实时质量控制。该方法能有效应用于观测数据预处理和模糊度固定可靠性检验两类质量控制问题,解决观测数据多粗差和周跳探测以及模糊度固定错误导致定位定轨精度下降问题。(2)提出了基于模糊聚类分析的单/多频粗差识别和周跳探测方法。利用非差/历元间单差观测方程的系数矩阵及残差向量构建样本并计算其隶属度,通过隶属度分析实现粗差识别和周跳探测。该方法充分利用了观测值的几何图形和残差分布,数学模型易于拓展。单频实验结果表明,与传统抗差方法比较,在多个粗差与周跳情况下该方法探测成功率提升近30%。双频实验定位结果进一步验证了本文方法的有效性。(3)分析了利用LAMBDA搜索和Ratio检验方法进行精密单点定位模糊度固定的效果及可靠性,提出了基于模糊聚类分析的PPP单差模糊度固定可靠性检验方法。该方法采用时变参数的系数矩阵和模糊度固定后的残差向量构建样本并计算隶属度,通过隶属度分析识别错误固定的单差模糊度。利用全球140个IGS测站的实测数据静态、动态定位实验验证了本文方法的有效性。结果表明,与单独Ratio检验方法相比,静态定位中模糊度固定准确性识别率由90%提升至97%,动态定位提升约17%,模糊度固定准确性识别平均提升约12%,并且有效地避免了因错误固定模糊度导致定位精度下降的问题。(4)研究和实现了基于均方根信息滤波的实时定轨模糊度固定,并提出了基于模糊聚类分析的双差模糊度固定可靠性检验方法。该方法充分考虑滤波计算效率,利用时变参数的系数矩阵和双差模糊度固定后的残差向量构建样本并计算隶属度,通过隶属度分析识别错误固定的双差模糊度。实时定轨试验验证表明,模糊度固定后实时滤波轨道精度在切向、法向、径向分别提高了24%、27%、6%,达到4.4cm、2.6cm、2.2cm。并分析了通过可靠性检验可有效避免因模糊度错误固定导致滤波发散问题的可行性。
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