基于多模GNSS融合的精密单点定位方法研究

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传统单机卫星导航的定位精度始终保持在米级,无法满足更高精度的实时定位要求。为此,专家学者们提出了精密单点定位(precise point positioning,PPP)。精密单点定位通过接收来自于全球各个国际地球动力服务组织(international geodynamic service,IGS)参考站的精密星历和钟差信息,并且通过单台卫星导航接收机接收来自可用导航卫星的观测数据,通过建立合适的观测模型和误差模型,实现厘米级定位精度。与传统的高精度实时定位方法即载波相位差分定位技术相比,PPP具有不受观测站与接收机之间的距离限制的优点,从而可以在全球范围内满足高精度实时定位的要求。目前PPP的研究主要局限于单GNSS系统,即基于GPS的精密单点定位。单系统PPP的定位结果容易受到观测卫星数量的影响。在一些观测条件比较恶劣的地方诸如城市、矿山地区,较少的可用卫星数将增加定位解算的收敛时间并降低定位结果的精度。目前,我国北斗卫星导航系统(BDS)的不断发展,使得利用BDS实现精密单点定位成为可能。基于多模GNSS融合的精密单点定位可以有效解决单系统PPP中存在的问题。论文首先介绍了全球定位系统和北斗卫星导航系统,并对两者进行了系统地比较,为之后双系统的融合定位打下基础。接下来讨论了PPP过程中遇到的各种误差,对其来源和对应的消除策略进行分析。除了传统单机定位中常见的电离层延迟、对流层延迟、卫星钟差等误差项之外,PPP的定位解算过程中,还加入了对一些特殊误差源的考虑,包括Sagnac效应、天线相位中心偏差、固体潮、大洋负荷、相对论效应等。这些误差项对定位结果的影响较小(多为厘米级至分米级),因此在传统单机定位中不对其进行处理。由于PPP对定位结果的精度要求极高,论文加入了对精密单点定位误差消除策略的介绍。此外,论文详细阐述并比较了单GNSS系统PPP中常用的两种观测模型,包括传统模型和Uof C模型;对PPP所采用的随机模型进行了分类和讨论。由于GPS和BDS两种系统之间在时间和空间上都存在着的一定差异,因此,需要在建立双系统融合建模时根据不同的系统特性建立与之相适应的误差模型。在单系统PPP的基础上,推导了适用于双系统融合定位的GPS/BDS融合PPP的观测模型和随机模型。模型包括基于等权随机模型的GPS/BDS融合Uof C模型和基于Helmet后验定权法的GPS/BDS融合Uof C模型,后者可以针对GPS和BDS在不同环境下的定位效果不同,自动对两系统的权重进行调整,从而提高收敛速度和定位精度。利用IGS提供的卫星精密星历以及钟差数据,同时结合支持多系统多频信号的用户接收机采集得到的原始观测数据。用静态定位和动态定位两种不同的定位方式,对论文中提出的单GNSS PPP观测模型和误差模型、GPS/BDS融合PPP模型进行验证和评价。实验结果表明Helmet后验定权法的引入将有效地改善双系统融合定位的随机模型选择问题。GPS/BDS融合PPP相比于单GNSS系统PPP,有着更好的定位性能。在静态条件下,论文提出的基于Helmet后验定权法的GPS/BDS融合PPP能够在20分钟的收敛时间内,将平面误差控制在1厘米以内,将高程误差控制在3厘米以内。在动态条件下,基于Helmet后验定权法的GPS/BDS融合PPP能够在较短的收敛时间内,将平面误差控制在8厘米以内。
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