本文選題：GNSS + 精密單點定位　； 參考：《武漢大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：GPS精密單點定位(Precise Point Positioning,簡稱PPP)是二十世紀(jì)九十年代末發(fā)展起來的一種空間定位技術(shù),它集成了GPS標(biāo)準(zhǔn)單點定位和GPS相對定位技術(shù)的優(yōu)點,是GPS定位技術(shù)中繼實時動態(tài)定位(Real Time Kinematic, RTK)技術(shù)后出現(xiàn)的又一次技術(shù)革命。由于多GNSS(GPS/GLONASS/BDS/GALLIEO)系統(tǒng)集成能為PPP提供更為豐富的觀測信息,提高平差系統(tǒng)的冗余度,改善定位精度及可靠性,而固定模糊度能夠充分利用載波相位模糊度整數(shù)特性,顯著提高短時間內(nèi)PPP尤其是東西方向的定位精度,也可為PPP解的質(zhì)量檢核提供豐富的信息。因此近年來,多系統(tǒng)組合PPP和PPP固定解成為GNSS領(lǐng)域的研究熱點。歷經(jīng)約十年的快速發(fā)展,GNSS在系統(tǒng)布設(shè)方面取得了重大進(jìn)展,GPS PPP固定解的基本理論與技術(shù)問題已經(jīng)得到較好的解決。但是,有關(guān)多系統(tǒng)組合PPP和PPP固定解的研究通常是分開進(jìn)行的。對于GPS PPP模糊度固定,目前僅有CNES分析中心公開提供吸收了相位小數(shù)周偏差(Fractional Cycle Bias, FCB)的GRGS整數(shù)衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品,尚無其他機構(gòu)公開提供相應(yīng)于各分析中心精密產(chǎn)品的FCB改正數(shù),這極大地限制了PPP固定解技術(shù)相關(guān)研究與應(yīng)用工作的展開。而在用戶端,現(xiàn)階段GPS PPP的首次固定時間依然長達(dá)30分鐘或以上,這與當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)RTK的模糊度初始化時間還有相當(dāng)距離。這也是目前制約PPP技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的瓶頸。因此,隨著PPP技術(shù)的不斷發(fā)展,開發(fā)GPS FCB服務(wù)系統(tǒng)已成為PPP固定解研究和應(yīng)用的迫切需求,加快PPP固定解首次固定速度也是PPP技術(shù)推廣應(yīng)用過程中必須解決的關(guān)鍵問題。針對上述需求和問題,本論文旨在：1)在服務(wù)端,系統(tǒng)深入地研究高精度GPS/BDSFCB估計的算法,分析影響FCB估計精度的多項因素,建立評估FCB產(chǎn)品內(nèi)部和外部質(zhì)量的手段與方法,最終開發(fā)出能公開提供GPS FCB產(chǎn)品的服務(wù)系統(tǒng),以推動GPS PPP固定解的深入研究與應(yīng)用；2)在用戶端,針對PPP全模糊度固定失敗的情況,提出自動尋找滿足bootstrapping成功率和ratio-test的部分可固定模糊度子集的方案,實現(xiàn)PPP部分模糊度固定,以提高PPP獲得固定解的概率。在GNSS PPP模糊度固定方面,分別從GPS+BDS雙系統(tǒng)組合PPP模糊度固定,以及利用GLONASS觀測值信息輔助GPS/BDS單／雙系統(tǒng)模糊度固定兩個角度,實現(xiàn)多GNSS PPP模糊度固定算法,深入分析多GNSS觀測條件對PPP固定解性能的影響。論文的主要工作和貢獻(xiàn)如下：(1)系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前GPS精密單點定位數(shù)學(xué)模型和模糊度固定的基本理論與方法。從最基本的函數(shù)模型出發(fā),推導(dǎo)了影響PPP模糊度參數(shù)整數(shù)特性的小數(shù)周偏差的具體誤差組成。對基于單站PPP解的FCB估計算法進(jìn)行了改進(jìn),使用最小二乘整體平差解算區(qū)域／全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星端FCB改正數(shù)。并在此基礎(chǔ)上,開發(fā)了一套GPS FCB產(chǎn)品估計與服務(wù)系統(tǒng),可供全球PPP用戶利用對應(yīng)各分析中心的FCB改正數(shù)實現(xiàn)PPP固定解。并從內(nèi)符合精度、與CNES整數(shù)產(chǎn)品互符合性,及各場景實際PPP固定解效果等方面對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行了細(xì)致分析。內(nèi)符合精度方面,GPS衛(wèi)星WL和NL模糊度的平均利用率分別為93.7%,89.9%；WL模糊度殘差在+/-0.2周以內(nèi)比例為94.2%,窄巷模糊度殘差在該范圍內(nèi)的比例為93.7%。與CNES提供的整數(shù)衛(wèi)星鐘改正數(shù)相比,兩套產(chǎn)品WL FCB幾乎所有的互差都在+/-0.05內(nèi),而窄巷FCB 97.4%的互差都在+/-0.075周內(nèi)。PPP固定解算例方面,相比PPP浮點解,固定解將1h靜態(tài)PPP東、北、高分量上的平均RMS偏差分別減少44.4%,28.6%和25.0%；將80分鐘左右的車載動態(tài)數(shù)據(jù)三分量上的定位偏差改善78.2%,20.8%和65.1%；應(yīng)用于GRACE衛(wèi)星定軌上,可將A/B雙星徑向、切向和法向的偏差RMS分別減少23%,37%和43%。(2)針對傳統(tǒng)的GPS PPP全模糊度固定(Full Ambiguity Resolution, FAR)受待估參數(shù)較多、參數(shù)相關(guān)性較強,初始階段部分模糊度精度較低等因素影響容易失敗的特點,提出了一種能依據(jù)bootstrapping成功率和ratio-test檢驗,從降相關(guān)的模糊度集合中選出滿足檢核條件的模糊度子集的部分模糊度固定(Partial Ambiguity Resolution, PAR)方法。使用該方法,在FAR失敗的情況下,依然有可能成功固定部分模糊度子集,從而保留固定解。實驗結(jié)果表明：靜態(tài)PPP解算,FAR的平均首次固定時間(Time to First Fix, TTFF)為26.5分鐘,而PAR為20.1分鐘,相較FAR將TTFF減少了24.2%；動態(tài)PPP解算,TTFF由FAR的39.1分鐘減少到PAR的30.9分鐘,平均減少了20.9%。對于歷元固定率,靜態(tài)PPP解算由FAR的83.4%提高到PAR的97.7%,動態(tài)PPP解算由FAR的77.6%提升到PAR的94.7%。與FAR相比,使用該方法可以較為顯著縮短PPP首次固定時間,提高歷元固定率。(3)討論了BDS系統(tǒng)特有的相關(guān)誤差的處理策略,分析了BDS衛(wèi)星端偽距多路徑對BDS FCB估計的影響,實驗表明：不考慮該項誤差改正,BDS所有衛(wèi)星的WL模糊度平均利用率由91.8%降為80.4%,且WL模糊度殘差RMS由0.106周增加到0.113周。針對基于BDS單系統(tǒng)PPP的FCB估計對測站觀測條件限制較高、浮點模糊度估值精度較低的不足之處,提出基于GPS+BDS組合PPP模型估計BDS FCB的方法,提高了測站數(shù)據(jù)利用率和BDS FCB估值精度。分析了BDS寬巷和窄巷FCB的時變特性,結(jié)果表明：BDS衛(wèi)星WL FCBs在接近30天的時間內(nèi)變化不超過0.1周,BDS NL FCBs在15min間隔的相鄰時段內(nèi)的變化值絕大部分不超過0.1周,其中,90.5%的變化量在0.075周之內(nèi)。根據(jù)以上分析,本文每天估計一組BDS WL FCB,每15min估計一組BDSNL FCBS�；贐DS PPP固定解的算例驗證了BDS FCB具有較高的質(zhì)量,相較浮點解能較顯著提高定位精度。(4)利用提出的部分模糊度固定方法實現(xiàn)了GPS+BDS雙系統(tǒng)模糊度自適應(yīng)融合。基于估計的雙系統(tǒng)FCB首次實現(xiàn)了BDS單系統(tǒng)、GPS+BDS組合PPP模糊度固定解。詳細(xì)分析了雙系統(tǒng)PPP固定解相對于單系統(tǒng)固定解在首次固定時間和歷元固定率方面的改善。結(jié)果表明：單BDS PPP固定解靜態(tài)和動態(tài)模式下通常都需要長達(dá)數(shù)小時的首次固定時間,歷元固定率通常低于30%。單GPS PPP固定解靜態(tài)和動態(tài)模式的首次固定時間分別約為20和30分鐘,固定率分別為97.1%和95.0%。無論對于GPS還是BDS,增加另一系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)均可改善單系統(tǒng)PPP固定解�；贕PS+BDS組合的雙系統(tǒng)PPP固定解可以取得最短的首次固定時間以及最高的歷元固定率,其靜態(tài)和動態(tài)模式下的平均首次固定時間約為16.7和24.5分鐘,平均固定率為99.5%和98.8%。(5)提出了利用GLONASS觀測信息輔助GPS、BDS單/雙系統(tǒng)模糊度固定的策略。結(jié)果表明：集成GLONASS觀測值為PPP帶來了更多的冗余信息,可有效提高待固定模糊度參數(shù)的估計精度,從而改善固定解性能。GLONASS輔助可將不同模式PPP固定解的首次固定所需時間減少約10-20%,顯著加快了PPP首次固定速度,同時也能在不同程度上提高各模式的歷元固定率。靜態(tài)和動態(tài)模式下,GLONASS輔助雙系統(tǒng)固定解平均首次固定時間分別為14.0和20.1分鐘。
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【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P228.4
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本文編號：1746900