GPS精密单点定位和高精度GPS基线网平差研究及其软件实现

摘要

随着空间技术的发展，GPS定位技术应用越来越广泛，人们对GPS的定位精度要求也越来越高，因此，研究精密单点定位(PPP)和高精度GPS网平差的数据处理方法具有重要的理论和实际价值。 对于本文的研究内容，主要包括两大部分：一是精密单点定位模型和卫星钟差研究及P3TEXT软件实现；研究涉及利用频谱分析法分析精密星历卫星钟差精度；精密单点定位数学模型的建立，以及基于自适应滤波的PPP算法，并编写相应的软件P3TEXT等。二是高精度GPS网平差数据处理方法研究，其中包括采用附加系统参数和附加基准条件的平差处理方法，编制了相应的高精度GPS网平差软件HPGPSADJ。 概括起来，本文主要做了以下几方面的工作： (1)论述了GPS单点定位的观测模型以及线性组合。分析了各种误差源以及相应的改正模型，总结了精密单点定位中的主要关键技术。 (2)利用频谱分析的方法对IGS精密星历钟差产品进行了精度分析，得出了卫星钟差精度不均匀的结论。 (3)研究了GPS精密单点定位的数学模型，包括函数模型和随机模型。针对卡尔曼滤波容易发散的缺点，引入了三种自适应滤波模型，并将其运用于精密单点定位中。 (4)GPS动态定位中，如采用序贯平差求解，模糊度参数变化以及参考星升降时，前后历元的承接关系异常复杂，这使得序贯平差模型变得十分复杂，针对这个问题，本文详细推导了序贯平差统一模型，并通过算例验证了模型的正确性和高效性。 (5)论述了高精度GPS网的四种平差方法和三种参考基准，并分析了不同参考基准的几何意义。同时，当参考基准不一致时，需要在基线处理阶段或网平差处理阶段统一基准。 (6)重点研究了高精度GPS形变监测网的平差数学模型，包括平差函数模型、随机模型以及附加系统参数的平差基准模型等。推导了系统参数对坐标估值的影响公式，提出形变监测网数据处理时，应在平差模型中考虑系统参数的影响，同时须选择合适的基准模型。 (7)编制了精密单点定位软件P3TEXT和高精度GPS网平差软件HPGPSADJ，展示了软件的基本思路以及程序框架。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2研究背景及现状

1.3课题来源及研究意义

1.4主要研究工作

第二章GPS精密单点定位基础

2.1 IGS轨道和钟差产品概述

2.2 GPS的观测模型及其线性组合

2.2.1 GPS观测方程

2.2.2观测值的线性组合

2.3 PPP的主要误差源及改正模型

2.3.1与卫星有关的误差

2.3.2与信号传播有关的误差

2.3.3与接收机有关的误差

2.4精密单点定位的基本原理及其关键技术

第三章 IGS精密星历卫星钟差精度分析研究

3.1引言

3.2常规卫星钟差模型分析

3.3频谱分析

3.3.1频谱分析原理及过程

3.3.2对拟合模型进行显著周期项改正

3.3.3白噪声检验

3.4算例及结论

3.4.1算例分析

3.4.2结论与建议

第四章 GPS精密单点定位数学模型研究

4.1引言

4.2参数估计方法

4.2.1序贯最小二乘法

4.2.2卡尔曼滤波参数估计

4.3 PPP的观测模型和随机模型

4.3.1观测模型

4.3.2随机模型

4.4 PPP的数据预处理

4.5几种自适应滤波模型及其在PPP中的应用

4.5.1基于预报残差的附加衰减因子动态卡尔曼滤波

4.5.2自适应选权滤波

4.5.3抗差自适应滤波

4.6算例分析

4.6.1算例1

4.6.2算例2

4.6.3算例3

4.7本章小结

第五章GPS动态定位序贯平差统一模型

5.1引言

5.2序贯平差数学模型

5.3 GPS动态定位中的序贯平差模型

5.3.1观测方程

5.3.2固定参数序贯模型

5.3.3变参数的序贯平差模型

5.3.4参考星变化的序贯平差模型

5.4推导序贯平差统一模型

5.5算例分析

5.6结论

第六章高精度GPS基线网概述

6.1背景

6.2国内外高精度GPS基线网的概况

6.3国内外高精度GPS网数据处理方法的研究现状

6.4本文高精度GPS网数据处理研究的意义和主要内容

第七章高精度GPS网的平差方法和参考基准研究

7.1概述

7.2高精度GPS网的数据处理方法

7.2.1经典平差

7.2.2伪逆平差

7.2.3拟稳平差

7.2.4顾及参数先验信息的平差

7.3高精度GPS网的平差基准及其几何意义

7.3.1固定基准(又称经典基准)

7.3.2重心基准(又称伪逆基准)

7.3.3拟稳基准

7.4高精度GPS网参考基准统一及其转换关系

7.4.1基线处理阶段统一基准

7.4.2网平差处理阶段统一基准

7.5本章小结

第八章高精度GPS形变监测网平差数学模型

8.1高精度GPS形变监测网平差的函数模型

8.2同步环基线相关性讨论及独立基线选择方案

8.2.1同步环基线相关性讨论

8.2.2同步环独立基线选择方案

8.3随机模型

8.3.1同步环的随机模型

8.3.2整网的随机模型

8.4附加系统参数的平差基准模型

8.4.1带有系统参数的重心基准

8.4.2带有系统参数的固定基准

8.4.3带有系统参数的拟稳基准

8.4.4其他情况

8.5附加系统参数的秩亏自由网平差

8.6系统参数对坐标估值的影响

8.7系统参数显著性检验

8.8高精度GPS网平差中的粗差分析与处理

8.8.1 GPS基线网的粗差分析

8.8.2 GPS基线网的抗差估计

8.8.3 GPS网整体平差中的方差分量估计

8.9本章小结

第九章高精度GPS网平差算例结果与分析

9.1算例数据描述

9.2分析方案选取

9.3算例分析

9.3.1算例1

9.3.2算例2

9.3.3算例3

9.3.4算例4

9.3.5算例5

9.4本章小结

第十章软件设计与实现

10.1 P3TEXT精密单点定位软件

10.1.1基本思路及主界面

10.1.2程序框架

10.1.3主要菜单项展开

10.2 HPGPSADJ高精度GPS网平差软件

10.2.1基本思路及主界面

10.2.2程序框架

10.2.3主要菜单项展开

10.3本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致 谢