非差非组合PPP-RTK区域网数据处理理论方法及应用砑究

来源 :中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院) | 被引量 : 3次 | 上传用户:wshzzfdc
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区域网增强精密单点定位技术(PPP-RTK)是继RTK/网络RTK/PPP技术后出现的新一代GNSS精密定位技术,即利用稀疏区域参考网估计并生成各类状态域定位增强信息,向海量用户单向进行广播以实现快速精密单点定位。PPP-RTK技术综合了 PPP和网络RTK的技术优势,在精密测量、精细农业及自动驾驶等领域具有广泛应用前景。PPP-RTK技术主要分为非差组合PPP-RTK和非差非组合PPP-RTK。非差组合PPP-RTK技术需要先基于两两组合的观测值估计精密卫星产品,再基于估计的精密卫星产品和非组合观测值估计精密区域大气延迟,最后发送给用户使用。非差非组合PPP-RTK技术直接利用原始观测值,基于S-basis消秩亏理论重构严密函数模型,实现上述精密卫星及大气延迟产品的同步估计。相比于非差组合PPP-RTK技术,非差非组合PPP-RTK技术有效回避了多频观测值组合选择的理论技术难题,并具备观测噪声小、参数间自洽性好以及模型可拓展性强等技术优势,更适应于当前多频多模GNSS数据处理的主要趋势。然而,面向大区域网(站间距>100 km)及海量用户的快速精密定位需求,非差组合/非组合PPP-RTK技术共同面临区域网电离层延迟估计、精细建模与约化播发等理论技术瓶颈,直接制约了 PPP-RTK大范围快速精密定位技术的发展与应用。具体表现在三个层面:(1)接收机码/相位偏差与电离层延迟高度耦合,通常将接收机码偏差当作时不变参量处理,但接收机码偏差短期变化已被证实是影响电离层延迟精密提取的重要因素,如何实现偏差的精细化处理是保证电离层延迟估值精度需要解决的首要问题;(2)现有可估电离层延迟参数包含的接收机码偏差基准不统一限制了区域电离层延迟精密建模,如何统一电离层延迟估值中接收机码偏差基准是PPP-RTK增强定位信息生成亟待解决的核心问题;(3)实时PPP-RTK应用中,网端估计的精密区域产品需要通过互联网发送给用户使用,如何同时满足区域电离层延迟精密建模和约化播发是高效实现区域网PPP-RTK快速精密定位的关键问题。因此,本文立足于严密的非差非组合PPP-RTK模型与S-basis消秩亏理论,针对PPP-RTK在电离层延迟估计、建模及播发三个方面面临的理论技术难题,开展了基于区域稀疏参考网的多频多模事后/实时PPP-RTK模型算法及应用平台研究。主要工作及创新点包含以下4个方面:1.多系统接收机码偏差短期变化的特征、成因及其对电离层延迟提取精度的影响分析针对接收机码偏差天内不变假设影响电离层延迟估计精度问题,本文开展了如下研究:首先,基于S-basis消秩亏理论严密推导了作者所在团队提出的顾及接收机码偏差短期变化的相位平滑伪距电离层提取方法(MCCL),并将其从GPS单系统拓展应用到GNSS多系统。然后,基于MCCL逐历元提取的接收机差分码偏差(RDCB)相对首历元变化值以及电离层斜延迟,依次分析不同接收机及天线类型RDCB短期变化的显著性、RDCB天内变化与温度天内变化的相关性以及RDCB短期变化对电离层延迟提取的影响。结果显示:RDCB短期变化与接收机相关性较大,与接收机天线类型无明显关系;RDCB天内变化与温度天内变化具有较高相关性并可通过线性模型进行表示,为温度建模约束GNSS参数估计提供参考;分离RDCB变化后的电离层斜延迟精度较不分离RDCB变化的电离层斜延迟精度提升明显,而分离RDCB变化前后的电离层斜延迟投影为垂直延迟后精度提升不明显,主要因为投影函数模型误差大于接收机短期变化的影响,因此精密电离层应用时应直接对电离层斜延迟进行建模。2.顾及电离层延迟区域特性,提出附加站间单差电离层延迟伪观测值的非差非组合PPP-RTK模型——电离层加权非差非组合PPP-RTK模型针对电离层延迟估值中接收机码偏差基准不统一而影响电离层延迟精密内插的问题,本文提出附加站间单差电离层伪观测值的非差非组合PPP-RTK模型。本文首先系统推导了多频多模非差非组合PPP-RTK数学模型,在此基础上引入站间单差电离层延迟伪观测值及其随机模型,并基于S-basis理论进行参数重组,进而构建出电离层加权非差非组合PPP-RTK模型。站间单差电离层伪观测值不仅增强了网端模型,还统一了区域网各监测站有偏电离层延迟参数中接收机码偏差基准,使得网端接收机码偏差基准可以被用户码/相位偏差参数完整吸收,进而避免对用户观测方程造成系统性误差。本文基于美国密歇根州稀疏区域参考网对上述电离层加权非差非组合PPP-RTK模型的用户动态定位性能进行初步评估,并对比分析传统PPP-AR/RTK/IW-RTK三种模糊度固定解方案。同时,电离层延迟在本文电离层加权PPP-RTK模型中扮演重要角色,其精度对PPP-RTK用户定位性能影响较大,因此本文分别基于电离层平静和电离层扰动大两种场景进行实验分析,更全面展示本文模型用户动态定位性能。3.提出区域网单星电离层斜延迟函数模型,设计区域精密产品电文格式,初步探索基于BDS3 PPP-B2b精密卫星产品的实时PPP-RTK针对PPP-RTK服务端精密产品实时传输数据量大、电离层延迟建模精度低等问题,结合本文电离层加权非差非组合PPP-RTK模型优势,提出单星电离层斜延迟函数模型,该模型在满足应用精度前提下,将数量庞大的区域电离层斜延迟简化为几个单星模型系数,减少需要传输产品数量。同时,根据误差传播定律及数据处理经验,顾及BDS3 PPP-B2b下一步有望升级为PPP-RTK的规划,确定PPP-RTK各类网端产品的取值范围及其最小有效位,并重点设计了区域精密产品电文格式。基于上述理论,本文首次基于BDS3 PPP-B2b进行PPP-RTK理论验证实验,可为我国BDS下一代星基PPP-RTK技术提供参考。4.设计研发有特色的事后/实时多频多模PPP-RTK软件平台——NASDAK灵活、稳定、高效的软件平台是PPP-RTK理论研究及工程应用的基础。本文基于严密的非差非组合PPP-RTK模型及系统的数据处理策略设计开发出一套事后/实时多频多模 PPP-RTK 软件平台 NASDAK(Network Augmented Satellite Data Analysis Kits)。NASDAK软件平台兼顾理论研究和工程应用需求,模块化的算法具有高度可拓展性,弹性的主程序框架适应多种应用场景,以及简洁的用户程序可嵌入式运行。NASDAK软件平台由多个子程序构成,不仅为PPP-RTK理论研究及应用奠定重要基础,平台中各个子程序亦可为其他相关GNSS理论研究及应用提供重要技术支持。
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