实时GNSS精密单点定位技术研究及实现

摘要

精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)采用单台全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)接收机，基于国际GNSS服务组织(International GNSS Service，IGS)的精密卫星轨道及钟差产品，精确修正各种误差，从而实现高精度定位的技术。相比于传统差分定位，PPP能较好的克服基线距离对定位的影响，降低定位成本，扩大应用范围，具有重要的市场应用价值。 目前PPP技术从单系统、后处理向多系统、实时应用方向发展，其中PPP函数模型和随机模型的一致性是实现PPP高可靠性、高精度定位的关键。经过多年技术积淀，针对PPP函数模型的研究日臻成熟。然而，面对信号传播的复杂性、误差源的多样性、精密产品质量的差异性等问题，如何精确的刻画随机模型，提高PPP精度及可靠性是多系统实时PPP亟待解决的问题。此外，多系统实时PPP软硬件工程化是实现PPP技术应用推广的重要基础。针对以上问题，本文主要的研究内容如下: (1)系统阐述了多系统实时PPP的基本理论知识，通过分析几种典型的PPP函数模型、主要误差源的处理方式以及参数估计方法，总结出了适用于多系统实时PPP的处理流程，并通过实际测试，验证了多系统联合相比于单系统在导航定位精度以及收敛时间上具有明显优势。 (2)从保证函数模型和随机模型一致性角度出发，首先，根据误差的传播规律，理论推导先验权值偏差对PPP可靠性及定位性能的影响，并通过实际数据验证当系统随机模型中出现权值偏差时，导航定位精度及可靠性明显下降。其次，针对传统高度角模型仅考虑与高度角相关随机误差项的问题，重点评估了实时精密卫星轨道及钟差、对流层延迟等主要误差源，构建更为精细化的PPP随机模型，实现了PPP精度的提升以及定位可靠性的保证，通过GPS系统的实际测试，相比于传统的高度角模型定位，在东向、北向、天向三轴的定位精度提升率分别为10％、6％、1％。 (3)在多系统随机模型权值分配方面，针对不合理的系统间权比所导致的多系统PPP函数模型与随机模型不符的问题，采用了Helmert方差分量估计实时调整系统间的权比，达到了函数模型和随机模型匹配的目的，保证了多系统PPP的可靠性，通过实测东北天三轴动态定位精度都有明显提升。同时考虑到非模型化误差对PPP可靠性影响，为了提升PPP的鲁棒性，采用基于IGGⅢ模型的抗差Helmert方差估计方法，降低粗差观测量的权重，实现对观测量粗差的抑制，有效的避免由粗差引起的定位异常情况，保证了PPP的可靠性。 (4)针对现阶段多系统实时PPP的应用需求，本文针对平台运行稳定性、动态导航环境适应性等要求出发选取硬件平台，设计基于DSP的实时处理软件，实现了导航定位、定位结果标准输出等功能。大量动态测试，系统性能稳定，满足强实时、高精度、高动态的导航定位需求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景目的及意义

1．2国内外研究进展概述

1．2．1 GNSS实时PPP算法研究现状

1．2．2 GNSS随机模型研究现状

1．3．1研究目标

1．3．2研究内容

第2章实时精密单点定位基本理论与方法

2．1精密单点定位模型

2．1．1基本的观测值与观测方程

2．1．2 PPP数学模型

2．2精密单点定位误差修正方法

2．2．1与卫星相关的误差

2．2．2与信号传播相关的误差

2．2．3与接收机相关的误差

2．3精密单点定位参数估计方法

2．3．2卡尔曼滤波

2．4测试及分析

2．5本章小结

第3章PPP随机模型的分析与确定

3．1随机模型对PPP的影响分析

3．1．1随机模型对PPP性能的影响

3．1．2随机模型对可靠性的影响分析

3．2实时精密单点定位随机模型的确定

3．2．1卫星钟和卫星轨道误差分析及确定

3．2．2观测噪声误差的分析与确定

3．2．3对流层延迟模型的误差分析及确定

3．3测试及分析

3．4本章小结

第4章基于方差分量估计的多系统PPP随机模型确定

4．1 Helmert方差分量估计定权模型

4．1．1 Helmert方差估计理论

4．1．2Helmert方差分量估计算法实例分析

4．2基于IGGIII模型的抗差Helmert方差分量估计模型

4．2．1 IGGIII模型估计理论

4．2．2 IGGIII模型的抗差理论算法实例分析

4．3本章小结

第5章系统的设计与实现

5．1系统的总体设计

5．1．1系统硬件设计

5．1．2系统软件设计

5．2系统运行测试

5．2．1静态测试

5．2．2动态测试

5．3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢