GNSS地基增强系统非差数据处理方法及应用

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高精度卫星定位是精密测绘、位置服务和未来智能导航等应用不可替代的核心技术之一,是支撑国家战略需求发展的重要组成部分。长期以来,以RTK(Real-time Kinematic)和PPP(Precise Point Positioning)技术为代表的GNSS载波定位技术可提供厘米级的位置信息,有效推进了卫星导航系统在高精度位置服务等领域的广泛应用。然而,随着我国北斗系统的运行,Galileo、IRNSS等建设推进和GPS、GLONASS提升完善,卫星导航已进入多星座系统并存的崭新时代,强调定位过程的连续性、实时性和可靠性已成为高精度GNSS定位技术的创新和变革的迫切需求,发展融合RTK和PPP优势,兼容全星座全频段的GNSS数据处理方法已成为卫星导航研究领域的热点问题。针对上述需求及问题,本文基于全星座全频段地基增强系统网络,致力于实现网络RTK、PPP增强的统一地基增强系统GNSS数据处理方法,实现了从“星间站间差分组合”到“观测值域深度融合、全网状态空间误差估计”的技术转变创新,主要工作和贡献包括:1.发展了非差与差分等价处理理论与GNSS多频数据处理方法从GNSS原始观测值出发,定义了影响非差模糊度固定的各项时延偏差,建立了GNSS数据处理中的非差、差分及多频的统一数学模型表达,针对非差观测模型的秩亏问题,论证了引入基准实现待估参数去相关方法,并基于新的差分算子设计实现了非差和差分观测方程的等价变换。2.建立了接收机间时延偏差估计和多路径误差消除模型顾及模糊度的时不变特性,引入初始历元参考卫星模糊度基准,建立了站间单差滤波模型,基于零基线数据分析了不同接收机间、不同频率间、不同星座间的各项时延偏差的时域变化特性,为时延偏差的全网估计提供参数随机模型验证;基于残差结果采用小波降噪及傅里叶变换分析提取了多路径延迟值,验证了多路径延迟的时间、空间重复特性,并建立了多路径空间误差改正图实现了多径误差消除补偿,结果表明使用多路径模型可明显减弱多路径延迟对模糊度浮点偏差的影响,定位精度提升30%-45%。3.提出了基于非差非组合的单站大气误差提取和长基线模糊度解算方法提出了一种基于单站的实时非差大气估计算法,采用非差非组合模型,针对电离层延迟值建立单站电离层参数化模型,分离接收机端及卫星端硬件延迟偏差影响,并利用单、双频PPP用户验证了提取的非差大气误差精度。结果表明,分离的卫星硬件延迟产品精度大部分优于0.2ns,对于单频静态用户,30-40分钟平面定位精度可达到10cm以内;双频静态用户可以稳定保障10分钟内平面精度优于10厘米。同时,利用单站非差实数模糊度,通过加入IGS实时卫星钟差产品作为伪观测值,并增加卫星钟的随机游走和模糊度的时不变约束,验证了采用非差处理方法可达到同等甚至更优的双差模糊度固定效果,利用8条平均长度为150km的基线的基础模糊度固定进行统计,非差方法L1模糊度固定成功率为98.40%,且具有更为集中的浮点解偏差收敛效果。4.提出了全星座PPP-RTK整网数据处理新方法态空间误差估值模型,解决了全网待估参数秩亏问题,恢复了非差模糊度的整数特性,针对全星座全频段数据,在服务端,提出了附加ISB参数的全星座全网估计模型,建立了基于卫星钟差、星端载波偏差及非差电离层延迟的全网状完善了地基增强系统的服务体系。在用户端,提出了基于区域增强信息的用户端非差固定解滤波解算模型,通过弱化用户与区域基准站网的几何分布关系,实现了广域非差增强定位新模式,实验验证了各类偏差参数的时域变化特点,并基于不同精度的增强信息产品,分析了其对定位结果和模糊度精度的影响。5.整合上述算法研发了地基增强系统软件利用上述算法研究内容,开发了 GNSS网络服务地基增强系统软件EarthNet V3.0,引入高级消息队列协议(AMQP)总线技术,采用多核心业务层实现软件的分布式处理,实现了基于PPP/RTK/RTD的各类增强信息统一播发。利用南京区域北斗三频测试站点数据,通过对网内22km站点和网外99.8km的流动站解算验证了区域网网解产品的可靠性。单天统计结果表明,北斗三频观测环境下附加大气约束可实现网内站点的非差单历元快速固定,动态条件下可实现平面1.76cm,高程2.22cm精度结果。对于网外站点,受限于增强产品存在一定空间相关性,需1-2分钟以实现模糊度可靠固定,各历元平均定位精度为平面9.03cm,高程9.88cm。
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