Multi-GNSS相位小数偏差产品估计方法与性能评估

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全球卫星导航系统是重要的空间信息基础设施,在国民经济建设与国防安全领域发挥着十分重要的作用。精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术作为继RTK/网络RTK技术后的又一次技术革命,在理论研究和实际应用方面均受到国内外学者的广泛关注。鉴于PPP模糊度固定解能有效缩短PPP收敛时间,改善定位性能,且多系统观测值能改善卫星几何构型,增加观测方程的稳健性,加之北斗三号系统即将组网完成,本文针对Multi-GNSS PPP模糊度固定解中所必需的相位小数偏差(Fractional Cycle Bias,FCB)产品进行研究,从多系统FCB产品估计方法,FCB性能评估指标,北斗三号系统PPP定位性能等方面进行了系统的研究。论文主要工作如下:(1)总结了当前主流的四大全球卫星导航系统和个别区域增强系统的发展历程,发展现状以及空间段各卫星运行情况,从星下点轨迹、全球各处平均可见卫星数等方面简要分析了各系统的性能。结果表明,截至2020年1月,各卫星导航系统共有超过100颗卫星处于可观测状态,并且除了区域增强系统外,各卫星导航系统均能实现全球覆盖,各个分析中心也致力于发布多系统精密产品,给本文估计多系统相位小数偏差产品提供了前提条件。(2)估计并评估了GPS+Galileo+BDS-2+QZSS FCB产品。从GNSS观测方程开始,细致推导了多系统FCB观测方程,介绍了整网解算FCB的方法,并设计了FCB产品文件格式用于提供正式服务。从时间稳定性、模糊度数据使用率、模糊度残差和与CNES发布产品的对比等指标方面对FCB产品进行了评估。结果表明,上述四系统的宽巷FCB在一月内能保持相对稳定,窄巷FCB在一天内能保持相对稳定。四个系统的宽巷FCB标准差分别为0.019,0.005,0.015和0.008周,窄巷FCB标准差分别为0.021,0.021,0.057和0.010周。使用本文生成的FCB与CNES发布的FCB产品互差结果表明,93.0%的GPS宽巷FCB和91.3%的Galileo宽巷FCB互差在0.05周以内,97.6%的GPS窄巷FCB和92.8%的Galileo窄巷FCB互差在0.05周以内。本文生成和发布的FCB产品的精度和可靠性均处于较高水平。(3)介绍了PPP模糊度固定方法并结合实际算例进行定位评估。从模糊度固定方法,LAMBDA方法以及所用的模糊度检核指标等方面简要介绍了多系统PPP模糊度固定。使用31个MGEX测站的数据进行了静态和动态PPP浮点解和固定解解算。结果表明,四系统模糊度固定解能显著缩短PPP的收敛时间和首次固定时间,相对于单GPS固定解而言,在静态PPP中,收敛时间和首次固定时间分别被缩短27.3%和29.4%,动态PPP中,分别缩短42.6%和51.9%。(4)初步估计并评估了BDS-3 FCB产品,对BDS-3 PPP浮点解和固定解定位性能作出了初步评估。结果表明,BDS-2卫星宽巷和窄巷FCB序列标准差分别为0.022和0.111周,BDS-3宽巷和窄巷FCB标准差分别为0.040和0.067周;BDS-2的模糊度残差和数据使用率略优于BDS-3,原因可能因为BDS-3的观测值较少,导致结果易受个别粗差的影响。在静态PPP中,BDS-2+3固定解的精度相对于浮点解在E、N、U方向分别提高了28.6%,33.3%和20%,且BDS-3收敛快于BDS-2,BDS-2+3收敛速度最快,相对于BDS-2缩短了52.4%。在动态定位中,BDS-2+3动态PPP固定解的精度比BDS-2+3浮点解在E、N、U各方向分别提高了38.2%,30.6%和23.3%,比BDS-2固定解在各方向分别提高了42.4%,51.0%和33.0%。当BDS-3卫星加入观测值后,能有效缩短首次固定时间36.7%。
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