多系统GNSS紧组合精密相对定位技术研究

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随着GPS、BDS、Galileo和GLONASS的进一步完善和现代化进程的推进,卫星导航定位技术已经进入到多频、多系统的新时代。联合多个GNSS系统进行融合定位,能够显著增加可视卫星数目,改善卫星空间几何结构,提高定位精度和可靠性,尤其在卫星信号接收困难区域效果显著。因此,如何充分利用多GNSS系统资源实现多系统融合定位,进一步提高定位精度和可靠性是当前GNSS领域的研究热点。相对定位是高精度定位的一种经典定位模式,双差模糊度固定是该定位模式的关键步骤。在多系统GNSS相对定位中一般能形成两种双差模糊度:系统内双差模糊度和系统间双差模糊度。系统内模糊度是同一GNSS系统内形成的双差模糊度,而系统间双差模糊度则是不同GNSS系统间形成的双差模糊度。由于不同GNSS系统间存在偏差,不同系统的信号频率也可能不一致,系统间双差模糊度一般很难固定。因此在当前相对定位中,一般仅固定系统内双差模糊度,即多系统松组合定位。然而,松组合定位无法充分利用卫星资源,且在观测环境恶劣,单一GNSS系统观测卫星数目较少的情况下难以进行高精度、可靠地定位。为此,本文重点研究不同GNSS接收机端系统间相位偏差的特征,提出相应的估计和改正方法,突破不同GNSS系统间双差模糊度固定的关键技术,实现多系统GNSS紧组合精密定位,提高复杂环境下定位的精度和可靠性。本文的主要工作和研究内容包括:(1)系统研究了GNSS相对定位的基本理论与方法,比较分析了基于非差和双差模式定位模型的异同,给出了不同长度基线条件下,不同定位模型中各参数的估计和处理方法。(2)提出了基于非差模式的系统间相位偏差(ISPB)的估计方法。该方法首先固定站间单差模糊度,然后基于不同GNSS系统接收机端相位小数偏差(RUPD)来确定ISPB值。该方法不仅能估计不同GNSS系统间相同频率信号的相位偏差,还能估计不同GNSS系统间不同频率信号的相位偏差。实验结果表明,通过该方法获得的ISPB与已有研究成果一致,证实了该方法的有效性。(3)系统分析了接收机端ISPB的稳定性。选择了20余条长度为0~2000km的基线,对相同频率信号的GPS L1和Galileo E1进行实验,结果表明相同接收机类型之间的ISPB几乎为零,可以忽略不计;而不同类型接收机之间的ISPB不为零,其14天的ISPB平均值的中误差(STD)仅为0.003周,说明具有较好的稳定性;而对双频无电离层组合观测值L1/L2和E1/E5a信号,不论接收机类型相同或者不同,ISPB都不为零,31天宽巷ISPB平均值的STD仅为0.03周,窄巷ISPB平均值的STD仅为0.05周,表明该ISPB也具有较好的稳定性。然而,实验还发现当模糊度弧段发生中断时,硬件或软件升级的情况下,ISPB可能会发生跳变。(4)实现了顾及ISPB的多系统GNSS紧组合精密相对定位,并分析了该方法在复杂环境中的定位效果。实验结果表明:紧组合定位方法能有效提升定位精度和可靠性,随着高度角的增加,提升效果更加明显,当截止高度角为25度时,紧组合精密定位方法能将精度在E、N、U三方向分别从3.2cm、1.2cm、2.8cm提高到0.3cm、0.3cm、2.2cm,提升幅度分别为90.6%、75.0%、21.4%。当截止高度角大于35度时,松组合模糊度难以固定,而紧组合平面和高程定位精度仍能分别优于2cm和5cm。即使在仅观测到4颗GPS和2~4颗Galileo卫星时,紧组合的定位精度在水平和高程方向仍能分别优于3cm和5cm。
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