BDS-GPS融合精密定位理論與算法研究.pdf

1、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)，是首個(gè)異構(gòu)星座，是目前完全運(yùn)行的唯一的三頻導(dǎo)航系統(tǒng)，集導(dǎo)航定位、授時(shí)、用戶監(jiān)測(cè)、短報(bào)文通信于一體，在中國(guó)及周邊地區(qū)能提供7-9顆衛(wèi)星，與GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Globarnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)、Galileo等全球衛(wèi)星導(dǎo)航系

2、統(tǒng)能兼容與互操作。BDS具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有利于改善DOP(Dilution of Precision)值、消弱大氣誤差、縮短模糊度初始化時(shí)間等。目前，BDS在亞太地區(qū)已具備與GPS相當(dāng)?shù)母呔榷ㄎ恍阅?，但因其起步晚，?guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)目前仍以GPS為主導(dǎo)。BDS與GPS融合衛(wèi)星資源的利用，將成為BDS逐步走向國(guó)際衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的一個(gè)過(guò)程。
　　在此背景下，本文分析BDS與GPS在時(shí)空參考框架、星座結(jié)構(gòu)、信號(hào)內(nèi)容、數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面的差異性，研

3、究BDS/GPS融合高精度相對(duì)定位關(guān)鍵技術(shù)。提出了一套BDS/GPS靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相對(duì)定位算法，并開(kāi)展大量的試驗(yàn)研究，如鐵路CPI控制網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)處理，基于相對(duì)定位精度因子RPDOP(Relative Positioning Dilution of Precision)分析的快速靜態(tài)定位，不同范圍與挑戰(zhàn)性環(huán)境下RTK(Real Time Kinematic)定位等，驗(yàn)證本文理論算法研究的正確性。
　　本文的研究工作和貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在如下幾

4、個(gè)方面:
　　1.考慮BDS/GPS不同系統(tǒng)觀測(cè)值隨機(jī)模型的差異，進(jìn)行了隨機(jī)模型的精化與評(píng)估。為了精化隨機(jī)模型，利用五類經(jīng)驗(yàn)隨機(jī)模型函數(shù)擬合BDS/GPS衛(wèi)星觀測(cè)值精度與衛(wèi)星高度角、信噪比間的關(guān)系，并計(jì)算擬合優(yōu)度，選擇最優(yōu)隨機(jī)模型。開(kāi)展BDS/GPS差分整周模糊度固定及定位試驗(yàn)，評(píng)估精化隨機(jī)模型的性能。結(jié)果表明:精化隨機(jī)模型可提高整周模糊固定成功率，加常數(shù)隨機(jī)模型更適合測(cè)試接收機(jī)，信噪比隨機(jī)模型能更好的反應(yīng)融合系統(tǒng)觀測(cè)值質(zhì)量。

5、r>　　2.分析BDS GEO(Geostationary Orbit)衛(wèi)星、IGSO(Inclined Geosynchronous Orbit)衛(wèi)星、MEO(Medium Earth Orbit)衛(wèi)星觀測(cè)值的方差分量，發(fā)現(xiàn)其大小不同、時(shí)間相關(guān)性存在顯著差異。顧及不同類型BDS衛(wèi)星觀測(cè)值的異方差特性，研究采用迭代最小二乘與最小范數(shù)二次無(wú)偏估計(jì)MINQUE（minimum norm quadratic unbiased estimati

6、on)相結(jié)合的方法，實(shí)時(shí)估計(jì)BDS不同類型衛(wèi)星觀測(cè)值方差分量和精確的位置參數(shù)。為評(píng)估實(shí)時(shí)估計(jì)隨機(jī)模型的性能，對(duì)243m、645m、10137m三條不同長(zhǎng)度基線進(jìn)行精密相對(duì)定位測(cè)試，結(jié)果表明:實(shí)時(shí)估計(jì)隨機(jī)模型能有效改善BDS精密單歷元?jiǎng)討B(tài)相對(duì)定位性能，尤其當(dāng)站間距離較長(zhǎng)時(shí)改善更顯著。10137m基線測(cè)試結(jié)果，表明1h數(shù)據(jù)單歷元解在北、東、高方向，平均定位精度分別提高了41.3％、54.5％、51.6％。
　　3.從精度因子DOP的角

7、度，論證BDS與GPS融合能夠提高單系統(tǒng)相對(duì)定位的精度和時(shí)間效率。論證了BDS與GPS系統(tǒng)融合，模糊度精度因子ADOP減小，能夠快速固定模糊度，且相對(duì)幾何精度因子RGDOP和對(duì)流層TrDOP減小，能夠提高定位精度，達(dá)到與延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)相同作用。另外，論證引入BDS三頻，電離層精度因子IDOP減小，相比三頻數(shù)據(jù)較少的GPS系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析驗(yàn)證了該理論推導(dǎo)的正確性。
　　4.研究BDS與GPS高精度靜、動(dòng)態(tài)相對(duì)定

8、位數(shù)據(jù)處理算法，并研制相關(guān)軟件，開(kāi)展測(cè)試分析。川藏鐵路CPI控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，表明BDS基線解算精度與GPS相當(dāng)，系統(tǒng)融合能提高基線解算合格率和精度，且融合實(shí)時(shí)快速測(cè)量能提高85％的時(shí)間效率。不同距離RTK數(shù)據(jù)處理，表明BDS與GPS短距離RTK均能獲得1cm水平精度、5cm高程精度，20-50km中長(zhǎng)距離RTK均能獲得2cm水平精度、1dm高程精度，融合系統(tǒng)能夠顯著提高RTK定位高程精度。在本文實(shí)驗(yàn)的城市環(huán)境及墻角，實(shí)施RTK定位，融合