GPS精密单点定位算法与大气延迟改正研究

论文摘要

精密单点定位（PPP, Precise Point Positioning）是最近几年发展起来的一项GPS定位新技术。该定位模式仅利用单台接收机即可联合IGS等组织提供的卫星星历和卫星钟差来进行分米级至厘米级精度的单点定位。这在实时精密导航、精密授时、国土资源调查以及航空摄影测量等领域均具有广阔的应用前景。本文围绕精密单点定位数据处理这一中心展开研究,介绍了其数学模型和大气延迟改正方法,最后用参数估计方法进行了静态定位和动态定位解算。本文对数据预处理的TurboEdit算法进行了较大改进。改进后宽巷模糊度及其方差的计算考虑了不同弧段、弧段长度、粗差影响等因素;两类组合观测值Melbourne-Wübbena（M-W）和Geometry-Free（G-F）均通过探测连续三个历元的状态来决定当前历元是否为周跳或粗差;设计了一个基于滑动窗口的拟合模型,该模型更符合G-F观测值的平滑时间序列特征;同时对划分的G-F弧段,可进行二次处理,进一步剔除小粗差。实验表明改进的算法可探测并精确修复等周、等距、连续周跳,对连续粗差和表现并不明显的粗差,亦能有效将其剔除。在误差改正方面,本文详细介绍了IGS的新版本天线文件igs05.atx及基于此文件将天线相位中心偏差改正到卫星/测站坐标或信号传播距离改正值的方法。另基于IGS及其分析中心发布的15min、30s、5s钟差产品,本文比较了Lagrange、Newton、三次样条等代数插值方法的精度,提出基于傅里叶变换和谱分析的最小二乘拟合法,该方法精度更高,同时适于钟差预报。对于相对论效应,本文推导了四类计算方法并以实验结果得出结论:在精密定位数据后处理中,固然可以利用精度极高的精密星历,但在一般的导航定位或实时精密单点定位中,即使利用导航电文的信息也可以有效消除相对论效应对定位的影响。由于用精密星历计算相对论效应时要求得到精度较高的卫星速度,本文并没有采用简单的中点方法,而是由辛普森积分推导了辛普森数值微分公式,并应用于卫星速度的计算。大气延迟是GPS定位的主要误差源。其中电离层延迟一般用双频改正模型,然而该模型只能消除一阶项的影响。本文从理论上探讨了利用地磁场数据消除电离层二阶项影响的途径。对流层延迟改正是GPS数据处理中一个较难解决的问题,一般方法是将其划分为干分量和湿分量,先用映射模型进行初步改正,再设置一个待估计的湿延迟参数。近年来不少学者陆续提出了新的映射函数,其中VMF1是公认精度最高的,也是IGS推荐的算法。本文介绍了GAMIT软件中的对流层模型设置以及GAMIT估计对流层天顶延迟和提取可降水量PW的途径,然后对中国地壳运动观测网络2008年的基准站数据进行了解算,并根据解算结果,多角度比较了三类高精度的对流层延迟映射函数:GMF、NMF和VMF1。在分析实验结果以及近一两年文献的基础上,选择精度最高的VMF1算法用于本文的精密单点定位模块。本文详细介绍了利用VMF1模型消除对流层延迟的数据处理流程。本文介绍了序贯最小二乘和扩展的卡尔曼滤波这两类参数估计方法,并应用于精密单点定位模块中。最后的实验结果表明,对于载波相位平滑伪距定位,测站位置误差的X , Y ,Z分量基本在±0.5m内;静态精密单点定位时即使利用15min钟差产品其定位精度也可达到厘米级;仿动态下定位精度为分米级,比静态情况下平滑伪距定位精度稍高些。本文还分析了粗差以及15min、30s、5s等不同采样率钟差产品对定位结果的影响,实验结果显著表明了粗差的剔除和高采样率钟差产品对提高定位精度的积极意义。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

第二章精密单点定位基本原理

2.1 引言

2.2 GPS 观测方程

2.2.1 GPS 原始观测方程

2.2.2 相位观测方程的常用线性组合

2.3 GPS 定位的时空基准

2.3.1 GPS 时间标示法

2.3.2 坐标系统及其相互转换

2.4 精密单点定位的主要外部数据来源-IGS

2.4.1 IGS 组成

2.4.2 IGS 数据和IGS 产品

第三章精密单点定位算法研究

3.1 引言

3.2 非差相位数据预处理的TurboEdit 算法及其改进

3.2.1 M-W 观测值探测宽巷周跳和粗差

3.2.2 G-F 观测值探测周跳和剔除粗差

3.2.3 改进的TurboEdit 算法数据预处理实验

3.2.4 双频观测值的载波相位平滑伪距

3.3 精密单点定位的数学模型

3.4 精密单点定位的参数估计策略

3.4.1 序贯最小二乘估计

3.4.2 卡尔曼滤波

3.5 误差分析及模型改正

3.5.1 消除或消弱GPS 定位误差的一般处理策略

3.5.2 基于傅里叶变换和谱分析的最小二乘拟合用于卫星钟差处理

3.5.3 精密星历与广播星历的轨道精度比较

3.5.4 基于新版本IGS 天线文件的天线相位中心改正

3.5.5 相对论效应的四类计算方法

3.5.6 其余误差源的模型改正

第四章 GPS 信号的大气延迟改正

4.1 引言

4.2 电离层延迟及改正

4.2.1 电离层延迟一阶项的双频改正模型

4.2.2 顾及地磁场影响的电离层二阶项改正

4.3 对流层延迟及改正

4.3.1 对流层延迟改正表达式

4.3.2 GAMIT 中的对流层延迟改正

4.3.3 适于精密单点定位的VMF1 模型

4.3.4 本文的对流层延迟改正策略

第五章精密单点定位实验与结果分析

5.1 引言

5.2 载波相位平滑伪距定位

5.3 静态定位实验分析

5.3.1 BJFS 站滤波分析

5.3.2 观测值粗差对定位结果的影响

5.3.3 不同钟差产品对定位结果的影响

5.4 动态定位实验分析

第六章总结与展望

参考文献

读研期间学术活动及发表的论文

致谢

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