BDS/GNSS多频紧组合RTK定位方法研究

摘要

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是国家定位导航授时(Position Navigation and Timing，PNT)体系的基础设施，也是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的重要成员。实时动态(Real Time Kinematic，RTK)差分定位技术可以提供厘米级的实时导航定位精度，因而在导航定位领域广泛应用。传统RTK多系统松组合与单系统方法相比，增加了可用卫星数，因此模糊度固定率和定位性能也得到提升。然而，在城市或峡谷环境下信号遮挡严重导致收星数不足情况下，可用卫星高度角较大，多系统松组合RTK定位模式性能急剧恶化甚至出现定位中断的问题，严重地限制了卫星导航的应用。因此，提出高精度导航定位的BDS/GNSS多频紧组合RTK定位方法，从而解决收星受限的问题。 紧组合RTK定位方法通过分析北斗和GPS系统差异性构造紧组合观测模型，选择GPS参考星作为北斗系统差分参考星构建北斗和GPS紧组合观测模型，提高观测量的冗余度，由此计算参考星单差模糊度，建立接收机系统偏差(Inter System Bias，ISB)的估计模型，基于ISB的时域稳定特性消除ISB对紧组合整周模糊度解算性能影响。所构建的双模双频紧组合比双模双频松组合方法能够获得更好的观测量冗余度，可实现RTK单历元模糊度固定。 由于紧组合直接使用观测精度较低的伪距观测量而导致降低了紧组合定位性能，通过引入MW(Melbourne-Wubbena)紧组合的方法帮助固定紧组合双频模糊度，从而提高紧组合模糊度固定性能。顾及到宽巷ISB的影响构建MW紧组合模型，代替传统双频紧组合的伪距观测量，估计并消除MW宽巷ISB对紧组合模糊度固定的影响，从而实现紧组合双频窄巷模糊度的可靠固定，可进一步提高紧组合RTK的定位性能。 为了验证本文研究紧组合方法的性能，采用提高卫星截止高度角的方法来模拟收星受限的条件，分别进行了静态和动态试验测试。计算得到载波相位ISB时域稳定性对紧组合模糊度固定的影响不足0.1周，满足紧组合解算要求;在卫星数较多时，本文研究的双模双频紧组合、MW紧组合和松组合方法都具有很好的定位性能;随着卫星数的减少，松组合的模糊度固定率迅速降低，而紧组合和MW紧组合仍然可以保持较高的模糊度固定率，并且MW紧组合比紧组合模糊度固定率有提高。其中，在卫星截止高度角为50°的静态测试中，紧组合比松组合模糊度固定率提高115％，MW紧组合比紧组合模糊度固定率提高0.1％;在卫星截止高度角为60°的动态测试中，紧组合比松组合模糊度固定率提高91％，MW紧组合模糊度固定率比双频紧组合提高9.4％，并比松组合提高105％。 综合静态和动态试验测试结果可发现在卫星数不足以及遮挡较为严重时，本文研究的双频紧组合RTK定位方法和传统松组合模式相比，定位性能明显提高;MW紧组合RTK定位方法和双频紧组合相比，定位精度有所提高，有效地提高了RTK定位精度，并有力地拓展RTK方法的应用领域。