北斗全球卫星导航系统高精度测量数据处理及应用

摘要

卫星导航系统的高精度测量数据处理是进行精密定位、精密定轨和时频同步的基础。随着卫星导航系统向三频、四频系统发展，用户可以获得更多的冗余观测量，需要优化多频测量数据的处理方法，从而实现更快的初始化时间和更高的解算精度。北斗全球卫星导航系统未来拟播发包含S频段在内的4个频点导航信号，本文针对四频伪距、载波相位和多普勒测量数据的高精度处理需求，研究了多频伪距消除电离层延迟技术、多频载波相位平滑伪距技术、长基线下多频载波相位模糊度快速解算技术和基于载波多普勒的远程时频同步和评估技术，取得了以下创新性成果：
　　1.针对多频伪距电离层延迟消除导致的伪距噪声放大问题，推导了多频伪距消除电离层延迟的通用算法，分析了北斗全球系统中基于组合噪声方差最小准则的双频、三频、四频用户的电离层延迟消除算法，为北斗全球系统的导航信号设计提供理论支撑。理论分析和试验结果表明，播发S频段导航信号的北斗全球系统比北斗区域系统在无电离层伪距精度和定位精度上，都能提高5~8倍。同样播发4频导航信号且同等噪声水平下，北斗全球系统的无电离层组合伪距的精度是Galileo系统的1~4倍。
　　2.针对四频导航信号带来的新机遇，研究了多频GNSS系统的载波相位平滑伪距技术，推导了通用的算法模型，提出了基于随机误差方差最小准则的四频一阶伪距平滑优化算法。理论分析和试验结果表明，北斗全球系统载波相位平滑伪距能够将伪距随机误差降低至毫米级，比北斗区域系统精度提高2~3倍，并使得定位精度提高5~8倍。
　　3.针对传统层叠式整数解算法(CIR)在长基线场景中无法单历元求解模糊度的问题，提出了利用组合载波模糊度转换求解基础载波模糊度的单历元解算算法。该算法以长波长、总误差较小和转换矩阵条件数最小为优化准则，并利用平滑后的双频伪距和已确定模糊度的组合载波相位来消除电离层延迟，提高组合载波模糊度解算精度和基础载波模糊度单历元解算成功率。该算法将适用基线长度从几十km提升至1000km以上，且在1000km的长基线下，该算法将单历元解算模糊度的成功率从传统CIR法的7％提升至100%。
　　4.针对导航系统长基线地面站的时间频率同步和频率稳定度评估问题，提出一种基于双向卫星频率比对和三角帽法的远程频率稳定度评估算法。该算法利用载波多普勒测量数据计算站间频差，克服了基于伪距的双向卫星时间频率传递算法在短稳评估上精度差的缺点，通过三站之间两两的频率比对，实现单站的频率稳定度评估。利用该算法处理北斗系统实测数据的结果表明，解算的秒稳达到10-13量级，万秒稳达到10-15量级。
　　论文的研究成果中关于三频测量数据的处理算法和远程频率稳定度评估算法，已经应用到北斗区域系统地面运控系统的主控站测量与通信系统和时间同步/注入站等多个项目，在精密定位、精密定轨和高精度频率比对等技术领域，支撑项目的总体方案论证和设备研制工作。关于四频测量数据的处理算法可应用于北斗全球系统的研制，对于GPS、Galileo等其他卫星导航系统也有重要借鉴价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状和发展

1.3论文主要工作及章节安排

第二章 多频GNSS系统中电离层延迟消除技术

2.1引言

2.2 GNSS基本观测方程

2.3多频电离层延迟消除通用算法

2.4包含S频率的北斗系统四频电离层延迟消除算法

2.5 Galileo系统中四频电离层延迟消除算法

2.6本章小结

第三章 多频GNSS系统中载波相位平滑伪距技术

3.1引言

3.2多频载波相位平滑伪距通用算法

3.3包含S频率的北斗系统四频载波相位平滑伪距算法

3.4本章小结

第四章 多频GNSS系统中长基线模糊度的单历元解算算法

4.1引言

4.2载波相位观测方程及线性组合

4.3 CIR算法原理及误差分析

4.4多频GNSS系统中长基线模糊度的单历元解算算法

4.5本章小结

第五章 基于载波多普勒的远程原子钟稳定度评估技术

5.1引言

5.2基于伪距的双向卫星时间频率传递技术

5.3基于载波多普勒的双向卫星频率比对技术

5.4远程原子钟频率稳定度估计算法

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文工作总结

6.2后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果