多GNSS系統(tǒng)間雙差模糊度構建與固定理論方法研究

隋 心

遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院，遼寧 阜新 123000

多GNSS組合定位的核心課題之一是解決不同系統(tǒng)的兩個衛(wèi)星間的差分模糊度構建與固定問題。這個問題的解決對于提高組合系統(tǒng)的性能、特別是在單個系統(tǒng)觀測衛(wèi)星很少時的特殊地區(qū)和時間區(qū)間上的應用具有重要意義。因此，本文提出了顧及系統(tǒng)間雙差模糊度固定的多GNSS定位統(tǒng)一數(shù)學模型及GNSS接收機端相位偏差參數(shù)快速估計方法，實現(xiàn)了GPS-GLONASS-BDS-Galileo多系統(tǒng)多頻率緊組合數(shù)據(jù)處理應用。本文具體工作和主要貢獻包括：

(1) 顧及IFB/ISB、不同波長對系統(tǒng)間雙差模糊度的影響，在經典的GNSS系統(tǒng)內部雙差觀測模型基礎上建立了顧及系統(tǒng)間雙差模糊度固定的多GNSS定位統(tǒng)一數(shù)學模型，量化分析了不同波長對雙差模糊度固定的影響，建立了相位偏差與模糊度進行快速分離的方法，實現(xiàn)參數(shù)解算和模糊度固定。

(2) 從理論上分析了影響ISB穩(wěn)定性因素。根據(jù)優(yōu)先考慮不同系統(tǒng)間互相重疊或接近的頻段進行組合的原則，將不同系統(tǒng)間的ISB進行分類，在此基礎上設計了ISB穩(wěn)定性測試方案。利用建立的統(tǒng)一數(shù)學模型分別對GPS-BDS、GPS-GLONASS、GPS-Galileo、BDS-Galileo在第一頻段、第二頻段及第三頻段的ISB的穩(wěn)定性進行測試分析。測試結果表明碼ISB可以始終保持穩(wěn)定，相位ISB在連續(xù)觀測時間段內能夠保持穩(wěn)定，相對于其他影響因素，接收機重啟對相位ISB影響較大。認為產生該現(xiàn)象的主要原因為同一GNSS接收機對于不同系統(tǒng)衛(wèi)星的初始相位偏差并不一致，導致接收機重啟后相位ISB發(fā)生跳變，不夠穩(wěn)定。

(3) 通過分析相位偏差參數(shù)與RATIO值之間的關系，將多維相位偏差估計問題歸結為求解最優(yōu)化問題，提出了采用優(yōu)化方法中的粒子群優(yōu)化算法進行多維相位偏差參數(shù)同步快速估計。設計了基于粒子群優(yōu)化算法的相位偏差參數(shù)快速估計方法流程，利用1維和4維相位偏差參數(shù)估計試驗對算法的效率和精度進行驗證。試驗結果表明，對于1維相位偏差參數(shù)估計，每歷元IFB變化率平均搜索次數(shù)僅為9次，模糊度固定成功率為97.8%；對于4維相位偏差參數(shù)估計，每歷元平均搜索次數(shù)為178次，模糊度固定成功率為100%，每歷元平均計算時間僅為0.12 s。試驗結果表明該方法能夠滿足高精度實時動態(tài)定位要求。

(4) 采用非組合觀測值構建長基線條件下多GNSS相對定位數(shù)學模型，分析不同波長和電離層延遲殘差對系統(tǒng)間雙差模糊度固定所產生的影響，采用粒子群優(yōu)化算法對參考衛(wèi)星單差模糊度的最優(yōu)值進行搜索，以此消除不同波長的影響。對于電離層延遲殘差的影響，首先將單差非組合模糊度浮點解投影為雙差超寬巷/寬巷模糊度，然后將其固定，再根據(jù)正確固定的雙差超寬巷/寬巷模糊度對單差非組合模糊度進行約束和改正，削弱電離層延遲殘差對雙差非組合模糊度固定的影響。在此基礎上結合多維相位偏差參數(shù)同步快速估計方法，設計了長基線條件下系統(tǒng)間雙差模糊度固定方法總體流程，低緯地區(qū)的50 km基線和中緯地區(qū)的75 km基線解算結果表明，該方法可以實現(xiàn)長基線條件下的系統(tǒng)間雙差模糊度固定，并可以滿足實時定位的要求。

(5) 實現(xiàn)了多GNSS系統(tǒng)間雙差模糊度構建與固定方法的GPS、GLONASS、BDS、Galileo實測數(shù)據(jù)處理應用。將該方法應用于復雜觀測環(huán)境下的GNSS數(shù)據(jù)處理，分別采用模擬復雜觀測環(huán)境和真實復雜觀測環(huán)境兩種條件下的靜態(tài)和動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行測試，利用模糊度固定成功率、正確率、定位精度及定位偏差在不同精度區(qū)間所占的比例進行統(tǒng)計分析，進一步比較驗證了多GNSS系統(tǒng)間雙差模糊度構建與固定方法的優(yōu)越性，以及處理軟件的可靠性。