GPS/BDS及PL高精度RTK定位算法研究

李 昕

長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054

本文旨在研究GPS/BDS常規(guī)RTK和中長距離RTK，以及室內(nèi)偽衛(wèi)星RTK高精度定位算法，主要涉及定位數(shù)學模型的建立、誤差源的處理方法、載波相位觀測值的整周模糊度求解及質(zhì)量控制等領域，在現(xiàn)存算法的基礎上，針對其局部局限性，深入分析其原因并對部分算法作出相應的改進和創(chuàng)新，以滿足更多環(huán)境下的高精度RTK定位需求，為拓寬RTK應用領域提供可行性基礎。本文的主要工作和貢獻如下：

(1) 實現(xiàn)了GPS/BDS常規(guī)RTK基本定位功能，并利用靜態(tài)和車載動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行定位性能分析。

(2) 針對復雜環(huán)境下觀測值殘差檢驗閾值難以合理確定的問題，提出：基于殘差平方，判斷是否存在觀測值粗差，若存在則采用“嘗試法”思想進一步實現(xiàn)粗差定位。傳統(tǒng)觀測值殘差檢驗因閾值設置不合理導致過多或過少地剔除相應的觀測值。本文方法在一定程度上避免了以上問題。通過車載試驗驗證了該方法在復雜環(huán)境下具備較好的實用性。

(3) 改進了一種附有多普勒測速信息約束的GPS/BDS動態(tài)單歷元模糊度求解算法和數(shù)據(jù)處理策略，該方法充分利用了多普勒測速速度和方差信息，改善了動態(tài)卡爾曼濾波模型精度，通過實測數(shù)據(jù)驗證了該方法可以提高動態(tài)單歷元模糊度求解成功率和平均定位精度。

(4) 將一種改進的粒子群搜索算法(IPSO)引入GPS/BDS模糊度求解中，通過GPS/BDS不同維數(shù)和不同精度的模糊度浮點解驗證了IPSO-AR的性能。試驗結果表明，該方法在模糊度維數(shù)較低或者附有基線長約束的情況下具備一定的實用價值。

(5) 分析了GPS/BDS中長距離RTK定位的主要誤差源，總結了幾種常用的對流層和電離層延遲誤差的處理方法，并通過實測數(shù)據(jù)對比驗證了基于參數(shù)估計法是目前較優(yōu)的方法。通過實測數(shù)據(jù)評估了GPS/BDS中長距離RTK定位性能。

(6) 針對全球或區(qū)域VTEC內(nèi)插模型獲取電離層延遲量精度損失嚴重問題，提出了一種首先利用站間單差法精確求解區(qū)域接收機硬件延遲(DCB)的方法，進而通過雙頻偽距和IGS公布的衛(wèi)星端DCB獲取基站和流動站的非差電離層延遲量。該站間單差法求解接收機DCB從一定程度上避免了復雜的電離層模型和衛(wèi)星端DCB基準的問題，模型簡單，適用于目前的BDS系統(tǒng)。

(7) 針對目前常規(guī)RTK和中長距離RTK使用臨界狀態(tài)較模糊問題，探討了二者的統(tǒng)一數(shù)學模型，重點介紹了電離層加權模型和基于雙頻模糊度反算電離層延遲迭代模型，并深入分析了其優(yōu)缺點及需要進一步突破的問題。

(8) 分析了室內(nèi)偽衛(wèi)星定位的主要誤差源及常用處理方式，針對目前室內(nèi)偽衛(wèi)星定位中存在信號以后干擾中斷，偽距觀測值精度差，靜態(tài)累計觀測無意義，線性化誤差等特點，采用固定點初始化(KPI)，利用LMABDA方法并基于迭代的拓展卡爾曼濾波實現(xiàn)了室內(nèi)載體高精度(厘米級)的動態(tài)定位。

(9) 針對基于LAMBDA方法的KPI對初始坐標精度較為依賴的問題，提出了一種較為實用的室內(nèi)偽衛(wèi)星單歷元、非線性模糊度求解方法，該方法基于模糊度函數(shù)法(AFM)，采用了一種改進的粒子群算法大大提高了搜索效率，并且具備較高的搜索空間分辨率，針對AFM多峰特性，給出了相應的提高可靠性的策略。試驗結果表明，在初始坐標優(yōu)于0.2 m的情況下，該方法能夠以較高的計算效率(20 ms左右)和可靠性實現(xiàn)室內(nèi)載體厘米級的單歷元動態(tài)定位。