实时精密单点定位系统的若干关键技术研究

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随着用户定位以及地震监测、空间天气探测等科学研究领域的不断发展,实时精密定位已经成为GNSS应用的发展趋势。精密单点定位作为实现GNSS高精度定位的模式之一,具有高精度、灵活以及服务范围不受限制等特点,因而受到广大用户的密切关注,在科学研究、生产实践中占有重要地位。当前,以实时精密单点定位技术作为用户定位手段而发展起来的全球或广域实时精密定位系统吸引了广大研究机构、公司和学者的关注,成为近年来GNSS领域的研究热点。  与事后模式不同,目前用户无法从IGS或其它分析中心获取高精度实时卫星钟差产品,并且实时精密单点定位相比于差分定位在收敛速度和定位精度方面存在不足。为了实现在用户端进行实时精密单点定位的目标,本文基于全球或区域分布基准站的实时观测数据提取实时卫星钟差和初始相位偏差产品;同时,通过提取基准站的大气延迟信息,建立实时区域大气延迟模型,为用户提供大气延迟预报信息。基于上述产品,设计一套完善的实时PPP及PPP模糊度固定数据处理策略,实现用户高精度实时定位。按照上述研究目标,本文的主要研究内容包括:  (1).设计满足不同需求的卫星钟差估计算法  与差分定位方式不同,在PPP定位中,卫星钟差产品精度将直接影响用户定位精度。本文针对事后和实时两种模式,设计了基于无电离层组合非差伪距和相位观测数据的卫星钟差精密估计算法,利用全球分布的基准站的观测数据,估计高精度卫星钟差产品。采用上述钟差产品,并结合对应的卫星轨道,可以满足用户精密单点定位的需求。  对于高频定位用户,需要提供高频卫星钟差产品以降低卫星钟差内插造成的精度损失。本文通过历元间差分以消除模糊度参数,采用星间及历元间差分的相位观测数据估计卫星钟差历元间变化,在此基础上,利用星间差分的伪距观测数据确定卫星钟差初始时刻偏差,由此获得最终的实时高频卫星精密钟差产品,该方法在保证卫星钟差估计精度的同时,可以满足高频卫星钟差估计的速度需求。  (2).提出实现卫星UFO信息实时提取的两步法  PPP模糊度固定是当前GNSS领域的研究热点。通过实现实时PPP模糊度固定,能够有效提高实时PPP的收敛速度和定位精度。  按照宽巷-窄巷两步法实现模糊度固定的思路,本文实现了卫星初始相位偏差信息的估计;基于全球或区域分布的基准站网的观测数据,首先按照事后模式处理所有基准站的观测数据,实现宽巷模糊度固定,进而提取卫星之间的宽巷UFO并进行预报;然后,考虑到窄巷UFO随时间的变化幅度,在实时数据处理中,通过处理无电离层组合的伪距和相位观测数据,并实现双差模糊度固定,得到GPS网固定解,进而提取卫星之间的窄巷UFO。用户基于上述实时宽巷和窄巷UFO信息,可以实现星间差分宽巷和窄巷模糊度固定,从而获得实时PPP固定解。该方法与GPS网固定解保持一致,进一步提高UFO信息精度。  基于上述方法提取卫星窄巷UFO信息时,需要同时处理所有测站的观测数据,参数估计速度受限。本文提出在确定卫星钟差后,对所有基准站分别按照PPP定位模式进行参数估计,计算模糊度参数浮点解,进而实现卫星窄巷UFO信息提取,由于该方法避免了在一次参数估计过程中同时估计所有测站的模糊度参数,因而在保证UFO信息精度的情形下可以提高参数估计速度。  (3).研制实时动态PPP及PPP模糊度固定软件  相比于事后模式,实时PPP技术具有其特殊性。本文中提出采用星间差分的观测值以消除由于接收机运动造成的接收机相位缠绕误差,进而基于无电离层组合的星间差分伪距和相位观测值,设计了一套有效的实时PPP数据处理策略;在此基础上,当接收到服务器端提供的实时UFO改正信息时,用户即可实现宽巷和窄巷组合星间差分模糊度固定,从而得到PPP固定解,实现用户高精度定位。  (4).提出实时动态PPP快速重新初始化算法  实时PPP需要经过一段时间的初始化才能获得高精度定位结果。针对由于信号中断或大部分卫星发生周跳而造成的重新初始化问题,本文提出利用历元间及星间差分的相位和伪距观测数据,并引入电离层延迟历元间变化预报信息和Doppler观测值,获得周跳参数的浮点解,并尝试将其固定为整数,以完成快速重新初始化。在本方法中,设计了一种有效的电离层延迟历元间变化定权策略,可以合理考虑该信息的精度。  (5).提出一种基于星间差分方式的PPP-RTK算法  相比于NRTK技术,PPP仍然需要较长的时间才能实现第一次模糊度固定。为了进一步提高其速度,本文提出利用区域分布的少数基准站的观测数据,在实时估计卫星钟差和初始相位偏差信息的同时,提取星间差分电离层延迟以及天顶对流层延迟,进行内插得到用户处的大气延迟预报信息;在用户端,处理该测站的观测数据的同时,将上述预报信息作为虚拟观测值引入到参数估计中,可以进一步提高模糊度参数估计精度,利用几个历元的观测数据就可以实现模糊度固定及用户精密定位。
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