基于多径误差抑制的北斗精密单点定位方法研究

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精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)技术是一种利用高精度卫星轨道和钟差产品,精确考虑各种误差修正,基于单台GNSS接收机伪距和载波相位观测值进行高精度定位的技术。在全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)中,PPP因具有成本低、高精度、无需基站辅助的优势,而被广泛应用于海上测绘以及天气预测等方面。随着我国北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)的全球组网,将逐步具备全球覆盖的能力,同时提供PPP服务,为海洋应用提供高精度位置基准。相比于全球定位系统(Global Position System,GPS),受北斗二号卫星星座构型以及较大的非模型化观测误差的影响,进一步增加了单北斗PPP的收敛时间,限制了其广泛应用。多路径误差作为伪距观测量中主要的非模型化误差,严重影响PPP的收敛时间。多路径误差在PPP数据处理过程中往往通过构建随机模型的方式进行抑制,但由于随机模型的不确定性,使得该方法对多路径误差的抑制效果有限,尤其是在精密单点定位的首次收敛阶段,这会严重影响定位结果的收敛时间。此外,虽然采用无电离层组合的方式可以消除电离层一阶延迟,但会将噪声水平放大,使得PPP的收敛时间进一步恶化,难以满足实时性要求。抑制多路径误差,可以提高伪距观测量的精度,从而加快PPP的收敛速度,减少PPP的收敛时间。针对以上问题,本文的主要研究内容如下:(1)首先研究了精密单点定位的数学模型及其对应的随机模型,并主要分析了传统无电离层组合模型。然后研究精密单点定位中电离层、对流层等一系列主要误差的修正方法,最后研究PPP的参数估计方法并实现了BDS精密单点定位算法的程序仿真同时得到仿真结果。结果表明:对于北斗系统的精密单点定位,本文所选择的数学模型和随机模型解算收敛后的精度在10cm以内,收敛时间长达1个小时。(2)多径的产生与接收机所处的环境密切相关,同时也与卫星的运行相关。本文研究了多径误差的产生原理与影响影响因素,同时对多径误差的提取方法进行了研究。对于静止的接收机,当周围环境不发生变化时,由于卫星的运动具有空间上的重复性,多径误差序列也同样的具有周期性,本文对相邻的两天的多径误差的周期性和相关性进行了计算和分析。结果表明:GEO(Geostationary Earth Orbits,GEO)卫星的多径误差序列存在着高度相关性;IGSO(Inclined Geosynchronous Satellite,IGSO)卫星和MEO(Medium Earth Orbit,MEO)卫星存在显著相关性,基于这种相关性,可以通过恒星日滤波的方式进行多径误差的消除。(3)在传统无电离层组合的精密单点定位中,使用基于高度角加权的随机模型可以抑制多径误差和噪声,但是由于无电离层组合模型会将量测误差放大,在精密单点定位的初始阶段会严重影响载波相位模糊度的收敛水平。在此基础上本文研究了使用载波相位平滑伪距的方法对多径误差进行抑制,研究了一种基于高度角和多径误差组合的随机模型对多径误差进行抑制,研究了使用恒星日滤波对伪距多径的抑制方法,结果表明:这三种方法均可以抑制伪距多径误差的影响。(4)本文在传统精密单点定位方法使用基于高度角随机模型的基础上分别使用载波相位平滑伪距的多径抑制方法,使用基于高度角和多径组合的随机模型抑制方法,基于恒星日滤波的方法对多径误差进行抑制。结果表明:这三种方法对收敛前多径误差进行抑制,可以提高载波相位模糊度的估计速度,从而加快PPP的收敛速度,收敛时间分别提高了75.3%、71.5%和76.3%。定位精度分别提高到了62.6%、29.6%和58.4%。因此验证了通过了这三种基于伪距多径误差抑制的精密单点定位算法有助于改善PPP的收敛时间。
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