北斗分米级星基增强系统关键技术研究及精度评估

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20世纪70年代开始,全球导航卫星系统GNSS开始建设,并不断地提升和迅猛发展,目前运行中的全球卫星导航系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的GALILEO等卫星导航系统等。现阶段,中国正在实施北斗卫星导航系统的建设,在2012年底,系统已经具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。  为了提高卫星导航系统的精度、完好性等性能,满足精密进近民用航空等用户的需求,发展了广域差分系统,即星基增强系统,建立了WAAS、EGNOS等。而中国的北斗卫星区域导航系统在建设之初,采用了不同于GPS等全球卫星导航系统的独特系统设计,在系统设计层面就统一考虑了开放服务和授权服务,其目的是满足不同用户的需求。  本文主要针对中国北斗星基增强系统,研究了北斗分米级星基增强系统的关键技术,重点阐述了卫星钟差改正数和轨道改正数的算法,并对北斗星基增强模型进行详细的分析,利用大量北斗实测数据进行北斗星基增强的试验,对系统进行精度评估。论文的具体研究内容如下:  (1)回顾了卫星导航系统的发展,介绍了GNSS和星基增强系统的现状,以及北斗广域差分系统的现状。阐述了北斗星基增强系统数据处理中涉及到的坐标系统和时间系统。  (2)详细介绍了北斗星基增强理论以及数据处理方法。首先阐述了观测值、观测值误差改正模型以及数据的预处理方法,分析了轨道误差对不同测站测距误差影响,轨道径向误差在不同方向造成的测距误差在厘米量级;而卫星轨道径向垂直方向的误差在不同天底角引起的测距误差可达到分米,不可忽略。基于以上分析,北斗广域差分模型增加了三维轨道改正数的求解。另外增加了相位历元间差分数据的处理,避免了因相位数据周跳引起的CNMC重新初始化的问题。  (3)对星基增强模型进行了各种影响因素的分析:从观测数据采样率、参与解算的监测站的个数分布等角度对模型进行了研究,并对均值预报、线性模型预报2种钟差预报模型进行评估,发现两种钟差预报得到的钟差改正数参数相差厘米量级,相应的在差分用户定位精度影响为厘米,可忽略不计。  (4)对轨道模型进行分析,讨论计算轨道改正数时卫星轨道改正数的PDOP值合理的约束条件;分析轨道改正数速度项,发现引入轨道改正数速度项对用户站定位精度的影响为毫米到厘米级别,可忽略不计;利用卫星状态转移矩阵作为约束条件,解算卫星的轨道改正数,发现约束前后轨道改正数的值差异在厘米量级。  (5)研究伪距偏差对北斗广域差分的影响,分析了伪距偏差的均值、标准差的特性,并根据伪距偏差的特性建立了伪距偏差修正模型。将修正模型应用到北斗广域差分计算中,并利用北斗实测数据进行验证,分析其对用户增强定位的影响;对利用实测气象参数模型计算的对流层延迟量精度进行评估,发现模型计算的对流层延迟精度在分米量级,但是使用不同的对流层延迟计算得到的卫星UDRE结果相差几个厘米,因为对流层延迟的差异已被钟差轨道改正数吸收,各自产品之间是自洽的。  (6)采用北斗实测数据进行北斗星基增强的试验。利用相位历元间差分数据和伪距数据,综合解算差分改正数,提高了差分信息的解算精度。对于GEO卫星,卫星UDRE提高百分比为27%,对于IGSO卫星,提高百分比为35%,对于MEO卫星,提高百分比为24%;采用新模型得到的广域差分改正数显著改善了用户定位精度。南北、东西、高程方向的定位精度分别提升了23%,32%和52%;测站三维定位精度提高了27%;目前北斗单频差分用户使用差分产品进行定位后,平均定位精度达到水平0.88m,高程1.28m,三维1.57m。  (7)采用2017年3月的北斗实测数据,对系统进行精度评估。北斗卫星使用星基增强系统生成的钟差和轨道改正数后,对于不同类型的卫星,空间信号精度有不同程度的提升,GEO卫星信号精度由1.04m提升为0.34m,提升67%,IGSO卫星由0.9m提升为0.35m,提升61%,MEO卫星由0.93m提升为0.39m,提升58%;北斗星基增强系统平均的卫星UDRE为0.35m。在中国国土范围内选择不同地理位置的测站,分析长达1个月的单/双频差分定位结果,发现定位误差连续稳定,说明北斗星基增强系统提供可靠稳定的服务性能。北斗双频差分用户的定位精度,水平方向为0.58m,高程为0.88m,三维精度为1.07m;单频差分用户的定位精度,水平方向为0.83m,高程为1.44m,三维精度为1.69m。
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