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目前,单频全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机受限于自身软硬件性能,在高精度服务领域如形变监测等应用较少。鉴于其成本低、体积小等优点,但又受到其服务精度限制,本文对基于单频北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)组合的实时动态载波相位差分定位技术(Real-time Kinematic,RTK)的质量控制进行研究,主要包括参数估计的质量控制、周跳与钟跳探测以及模糊度估计的质量控制。论文主要研究成果及创新点如下:
(1)阐述了基于BDS/GPS的单频RTK定位原理,包括函数模型、随机模型、参数估计及整周模糊度的固定与确认方法,并给出了BDS/GPS单频RTK定位的方程组以及双差方差-协方差矩阵。
(2)在参数估计的质量控制方面,介绍了抗差扩展卡尔曼滤波(Robust Extended Kalman Filter)的原理,并利用模拟数据以及实际应用场景中的数据,分析了常规扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)以及抗差EKF的解算性能,说明了抗差EKF在实际应用场景中优越的粗差处理性能。
(3)阐述了常见单频周跳探测方法的基本原理,分析了多普勒法以及伪距相位法的周跳探测性能。针对伪距相位法无法探测小周跳的缺陷,提出一种改进的伪距相位法,该算法利用积分多普勒值对伪距观测值进行平滑,并将灰色Verhulst马尔科夫动态模型与传统伪距相位法结合。实验结果表明,该方法可探测出小至1周的周跳。分析了钟跳的特性及其对常见单频周跳探测算法影响,给出了一种单频钟跳探测与修复方法,结合实验验证了该方法的有效性。
(4)在模糊度估计的质量控制方面,对常见的部分模糊度固定(Partial Ambiguity Resolution,PAR)算法进行改进,提出了一种改进的PAR算法。该算法在全模糊度固定(Full Ambiguity Resolution,FAR)失败后,根据卫星连续锁定历元数、卫星仰角、卫星信噪比、几何精度因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)、模糊度方差及模糊度精度衰减因子(Ambiguity Dilution of Precision,ADOP)来分步筛选模糊度子集,并对其中的最优模糊度子集进行搜索。根据R-ratio值与成功率指标对搜索结果进行联合检验,用通过检验的子集修正剩余子集。通过采集于滑坡监测区的数据实例,分析对比了FAR算法、常规PAR算法以及新算法的性能。结果表明,相比于FAR和常规PAR算法,新算法的固定率分别提高了65.01%和27.97%,在精度方面也有明显提升。
(1)阐述了基于BDS/GPS的单频RTK定位原理,包括函数模型、随机模型、参数估计及整周模糊度的固定与确认方法,并给出了BDS/GPS单频RTK定位的方程组以及双差方差-协方差矩阵。
(2)在参数估计的质量控制方面,介绍了抗差扩展卡尔曼滤波(Robust Extended Kalman Filter)的原理,并利用模拟数据以及实际应用场景中的数据,分析了常规扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)以及抗差EKF的解算性能,说明了抗差EKF在实际应用场景中优越的粗差处理性能。
(3)阐述了常见单频周跳探测方法的基本原理,分析了多普勒法以及伪距相位法的周跳探测性能。针对伪距相位法无法探测小周跳的缺陷,提出一种改进的伪距相位法,该算法利用积分多普勒值对伪距观测值进行平滑,并将灰色Verhulst马尔科夫动态模型与传统伪距相位法结合。实验结果表明,该方法可探测出小至1周的周跳。分析了钟跳的特性及其对常见单频周跳探测算法影响,给出了一种单频钟跳探测与修复方法,结合实验验证了该方法的有效性。
(4)在模糊度估计的质量控制方面,对常见的部分模糊度固定(Partial Ambiguity Resolution,PAR)算法进行改进,提出了一种改进的PAR算法。该算法在全模糊度固定(Full Ambiguity Resolution,FAR)失败后,根据卫星连续锁定历元数、卫星仰角、卫星信噪比、几何精度因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)、模糊度方差及模糊度精度衰减因子(Ambiguity Dilution of Precision,ADOP)来分步筛选模糊度子集,并对其中的最优模糊度子集进行搜索。根据R-ratio值与成功率指标对搜索结果进行联合检验,用通过检验的子集修正剩余子集。通过采集于滑坡监测区的数据实例,分析对比了FAR算法、常规PAR算法以及新算法的性能。结果表明,相比于FAR和常规PAR算法,新算法的固定率分别提高了65.01%和27.97%,在精度方面也有明显提升。