基于非差观测模型的BDS/GPS网络RTK算法研究

摘要

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)由于其不受天气限制，且能连续24小时的提供高精度的导航与定位服务，已经在航天技术、国土安全、智能交通等领域发挥着不可或缺的作用。目前，我国的北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)已经正式向亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。GNSS标准定位服务不能满足高精度定位的应用需求，网络RTK是提高GNSS定位精度，实现高精度实时动态定位服务的重要手段。
　　网络RTK一般使用传统的双差模型，它需要在参考站网中选择主参考站进行双差组合，虽然可以实现用户的高精度误差改正，但双差模型造成了测站和卫星间的相关性，双差观测值间的相关性给数据处理增加了难度，限制了网络RTK作业的灵活性。如果网络RTK使用非差观测模型，整个参考站网将不再区分主参考站和辅站，参考站网覆盖范围内的误差改正模型直接利用参考站间的非差整周模糊度、载波相位观测值及已知的参考站坐标建立，流动站使用的是参考站网提供的非差误差改正信息，流动站不再受传统双差模型的限制。基于非差观测模型的网络RTK不仅克服了双差网络RTK带来的测站和卫星间的相关性，而且也能够在算法上实现不同CORS网之间的融合，使网络RTK的作业方式更加灵活，适用于在参考站网覆盖区域内实现统一的BDS/GPS高精度实时动态定位算法。
　　本文系统研究了BDS/GPS网络RTK的定位理论和观测误差的影响及处理策略，在此基础上，研究了BDS/GPS参考站间双差整周模糊度解算方法和参考站网非差整周模糊度单历元快速计算方法，然后建立参考站网覆盖范围内高精度BDS/GPS非差观测模型，进一步利用基于非差观测模型的BDS/GPS参考站间区域误差改正方法进行流动站误差处理，之后研究了流动站BDS/GPS多频非组合载波相位整周模糊度解算方法，最后根据文中提出的算法开发了一套BDS/GPS网络RTK数据处理软件，并利用BDS/GPS实测数据进行了分析验证。主要内容和成果如下:
　　1.研究了基于非差观测模型的BDS/GPS网络RTK定位的基础理论。包括BDS/GPS的时间系统与时间变换、坐标系统与坐标变换;BDS/GPS的观测值和观测方程，差分定位原理及观测方程的线性化;最小二乘参数估计方法和多频线性组合观测理论。
　　2.研究了BDS/GPS高精度定位中的误差影响及其特性，进一步探究了误差的消除或削弱方法，在此基础上，着重分析了卫星轨道误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差等与距离具有强相关的误差的处理策略。
　　3.在充分利用BDS三频超宽巷长波长及三频整周模糊度之间的整数线性关系的条件下，提出了BDS网络RTK参考站三频整周模糊度确定方法。利用B2、B3频率的观测值及严格的模糊度固定标准确定超宽巷整周模糊度，将固定的超宽巷整周模糊度与其他宽巷整周模糊度的线性关系作为约束条件，然后估计宽巷整周模糊度、相对天顶对流层延迟误差和电离层延迟误差，并搜索确定宽巷整周模糊度。利用固定的宽巷整周模糊度与三频整周模糊度的整数线性关系，将线性关系加入载波相位整周模糊度参数估计观测模型中，然后确定载波相位整周模糊度。在BDS参考站三频整周模糊度确定方法的基础上，进一步研究了GPS参考站间双频整周模糊度确定方法和BDS/GPS参考站间多频整周模糊度确定方法。
　　4.针对长距离GPS参考站间低高度角卫星整周模糊度固定不准确的问题，提出了一种长距离GPS网络RTK参考站间低高度角卫星整周模糊度解算方法。利用L1、L2频率的观测值及严格的模糊度固定标准确定宽巷整周模糊度，将固定的宽巷整周模糊度与双频整周模糊度的线性关系作为约束条件，结合双频无电离层组合观测值进一步确定双频整周模糊度。然后利用模糊度固定的卫星的大气延迟误差确定低高度角卫星的宽巷整周模糊度，将模糊度固定的卫星的双频无电离层组合观测方程和低高度角卫星的宽巷整周模糊度与双频整周模糊度的整数线性关系作为低高度角卫星双频无电离层组合观测方程的约束条件，进一步确定低高度角卫星的双频整周模糊度。
　　5.根据参考站网双差整周模糊度与非差整周模糊度的组合关系，利用双差整周模糊度、参考站和卫星的非差基准模糊度，研究了参考站网非差整周模糊度单历元快速计算方法，在此基础上，建立了参考站网覆盖范围内高精度BDS/GPS非差观测模型，克服了传统双差模型的网络RTK带来的测站和卫星间的相关性。进一步利用基于非差观测模型的BDS/GPS参考站间区域误差改正方法进行流动站误差处理，恢复流动站模糊度的整数特性。非差观测模型中选取的不同的非差基准整周模糊度之间的差异可以被流动站整周模糊度吸收，流动站的误差处理不受非差基准整周模糊度选取影响。
　　6.针对观测值间线性组合放大噪声和逐级模糊度固定的计算冗余等问题，提出了一种BDS/GPS网络RTK流动站多频非组合整周模糊度解算方法，将各系统各频率的载波相位观测值同时进行参数估计，实现了BDS/GPS单系统、双系统融合的高精度定位。
　　7.根据文中提出的算法开发了一套BDS/GPS网络RTK数据处理软件，并利用BDS/GPS实测数据进行了分析验证，证明了本文算法具有很好的可用性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 网络RTK参考站间整周模糊度的确定

1．2．2 流动站误差的计算和消除

1．2．3 流动站整周模糊度的确定

1．3 主要研究内容

1．4 本章小结

2 基于非差观测模型的BDS／GPS网络RTK定位原理

2．1 BDS／GPS时空系统

2．1．1 时间系统与时间变换

2．1．2 坐标系统与坐标变换

2．2 BDS／GPS的观测值及观测方程

2．2．1 测码伪距观测值

2．2．2 载波相位观测值

2．2．3 站星间双差

2．3 BDS／GPS非差观测方程的线性化

2．4 最小二乘参数估计方法

2．5 BDS／GPS多频线性组合

2．6 本章小结

3 BDS／GPS网络RTK非差观测误差

3．1 与卫星有关的误差

3．1．1 卫星钟差

3．1．2 卫星轨道误差

3．1．3 相对论效应

3．1．4 卫星天线相位中心偏差及其变化

3．1．5 天线相位缠绕

3．2 与信号传播有关的误差

3．2．1 电离层延迟误差

3．2．2 对流层延迟误差

3．2．3 多路径效应

3．3 与接收机和测站有关的误差

3．3．1 接收机钟差

3．3．2 地球自转

3．3．3 地球固体潮

3．3．4 大洋负荷潮

3．4 本章小结

4 BDS／GPS网络RTK参考站整周模糊度解算

4．1 参考站间整周模糊度解算方法

4．1．1 GPS长距离参考站整周模糊度单历元解算

4．1．2 BDS参考站间三频宽巷／超宽巷整周模糊度解算

4．1．3 BDS中距离参考站间整周模糊度单历元解算方法

4．2 BDS网络RTK参考站三频整周模糊度解算

4．2．1 BDS双差三频观测值及线性组合

4．2．2 参考站间B2、B3超宽巷整周模糊度解算

4．2．3 参考站间宽巷整周模糊度解算

4．2．4 参考站间B1、B2和B3整周模糊度解算

4．3 GPS网络RTK参考站双频整周模糊度解算

4．3．1 参考站问宽巷整周模糊度解算

4．3．2 参考站间L1、L2整周模糊度解算

4．4 BDS／GPS网络RTK参考站间整周模糊度解算

4．4．1 参考站间B1、B2、L1、L2整周模糊度解算

4．4．2 参考站间B1、B2、B3、L1、L2整周模糊度解算

4．5 长距离GPS网络RTK参考站间低高度角卫星整周模糊度解算

4．5．1 高高度角卫星的整周模糊度解算

4．5．2 低高度角卫星的整周模糊度解算

4．6 参考站网间非差整周模糊度实时快速计算

4．7 算法实验和结果分析

4．8 本章小结

5 基于非差观测模型的BDS／GPS参考站间区域误差改正方法

5．1 区域误差改正方法

5．2 基于非差观测模型的BDS／GPS参考站间区域误差改正方法

5．2．1 基于非差观测模型的伪距观测值误差改正方法

5．2．2 基于非差观测模型的载波相位观测值误差改正方法

5．3 算法实验和结果分析

5．4 本章小结

6 BDS／GPS网络RTK流动站的整周模糊度解算

6．1 流动站实时动态整周模糊度解算算法

6．1．1 取整法

6．1．2 快速解算模糊度法

6．1．3 扩频法

6．1．4 单历元整周模糊度搜索法

6．2 BDS／GPS网络RTK流动站多频非组合整周模糊度解箅方法

6．2．1 BDS和GPS流动站多频非组合整周模糊度解算方法

6．2．2 BDS／GPS流动站多频非组合整周模糊度解算方法

6．3 算法实验和结果分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 主要研究成果和创新点

7．2 展望

参考文献

作者简历

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