多模GNSS融合精密单点定位理论与方法

第1章 绪论
　　1.1 概述
　　 全球导航卫星系统( Global Navigation Satellite Svstem，GNSS)是一种全球、全天候、全天时、高精度的无线电导航定位系统，它能提供三维位置、速度和时间信息。当前的全球导航卫星系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗导航卫星系统(BeiDou Navigation Satellite Svstem，BDS)和欧盟的Galileo系统。其中，GPS是历史*悠久、系统*完善、应用*广泛的一种全球导航卫星系统。第一颗GPS卫星于1978年发射，1993年达到了24颗卫星，1995年美国国防部宣布GPS具备完全T作能力。早年的GPS卫星信号包括民用C/A码、军用P码、两种载波L1和L2以及数据码。P码是一种军用码，民用用户一般只能利用C/A码和载波相位观测值进行定位。整个系统的初始设计目标是提供两种单点定位服务，一种是为民用用户提供的利用C/A码进行的标准定位服务(standard positioning service，SPS)，另一种是为美国军方以及授权用户提供的利用P码进行的精密定位服务(precise positioning service．PPS)。这两种服务模式均是采用一台GPS接收机，因而将受到所有GPS误差源的影响。选择可用性(selective availabilitv，SA)政策取消以前，标准定位的标称精度为100m，2000年5月1日SA政策取消后，标准定位服务提供的定位精度回到了30m左右的水平，相比SA政策取消前精度有显著提高（蔡昌盛等，2002）。然而，这样的精度仍然满足不了精密导航和测量用户的需要。
　　 随着GPS定位技术的发展，GPS已经超越了初始的设计目标。一个*主要的突破是提出了差分定位技术，差分定位技术分为局域差分和广域差分。局域差分GPS实时定位技术由基准站、数据通信链路和用户站组成。基准站和用户站间隔在一定范围内(一般不超过150km)并同步观测相同的GPS卫星。对于同一卫星同一历元的观测值，由于误差的空间相关性，基准站和用户站包含近似相同的误差。因此，在基准站计算出每一颗GPS卫星的误差改正信息后，通过数据通信链路传输至用户站，用户站对观测值进行改正，即可提高定位精度。一般用户站定位精度为1～5m。由于基准站和用户站的误差相关性随它们之间距离的增加而降低，所以用户站定位精度的改善在很大程度上受基准站和用户站之间距离的限制。广域差分GPS技术的基本思想是对GPS的卫星轨道误差、卫星钟差及电离层延多模(JNSS融合精密单点定位理论与方法迟等主要误差源加以区分，并单独对每一个误差源分别加以“模型化”，计算其误差修正值，然后将计算出的每一误差源的数值通过数据通信链路传输给用户，以对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，达到削弱这些误差源、改善用户定位精度的目的（刘经南等，1999）。因而，在广域差分GPS系统中，只要数据链路有足够能力，基准站和用户站之间的距离原则上是没有限制的。在一般情况下，广域差分GPS的定位精度在1000～1500km的范围内为1～5m。局域差分和广域差分GPS定位技术显然还无法满足高精度测量的要求。
　　 长期以来，人们在利用载波相位观测值进行定位方面做了大量的卓有成效的研究T作，其中载波相位相对定位技术得到了广泛的应用。类似于伪距码差分定位技术，载波相位相对定位采用两台及以上接收机进行同步观测。静态相对定位技术一般可以达到厘米级或毫米级的定位精度。在利用载波相位观测值进行动态定位方面，人们又提出了实时动态差分（real-time kinematic，RTK）技术，它是一种实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。载波相位差分可分为两类：一类是修正法，另一类是差分法，所谓修正法，即将基准站的载波相位修正值发送给用户，以改正用户接收到的载波相位，再求解坐标。所谓差分法，即将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标（徐绍铨等，2003）。对于单基准站动态定位，一般要求基准站和用户站之间的距离为10～15km，定位的精度为厘米级。为了不受距离的限制，人们又提出了多基准站RTK、虚拟参考站(virtual reference stations，VRS)等技术，利用这些技术在50～70km内可实现厘米级实时动态定位。
　　 载波相位相对定位虽然可以达到很高的精度，但通常要受到测站之间距离的限制。对于有些应用如海洋测绘、航空测量、海岛礁测绘、西部无人区测图等由于缺少基准站或者与基准站相距甚远，原有的定位手段无法满足需求，需要寻求新的定位方式或技术。在这种情况下，精密单点定位(precise point positioning，PPP)技术应运而生。精密单点定位概念首先由美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratorv，JPL)的Zumberge等于1997年提出(Zumberge et al，1997)，并在他们开发的数据处理软件“GIPSY”上给予丁实现。精密单点定位是一种利用精密卫星轨道和精密卫星钟差数据，以及测码伪距和载波相位观测值进行的一种高精度绝对定位的方法。其静态单天解的精度约为：水平方向±1cm，高程方向±2cm。非差单点定位模式和差分相对定位模式相比具有很多优点，例如，保留了所有观测信息、能直接得到全球精度均匀的测站坐标、测站之间没有距离限制、数据处理容易、数据采集简单等。精密单点定位所能获得的精度在很大程度上依赖于精密卫星轨道和钟差数据的质量。国际GNSS服务(lnternational GNSS Service，IGS)所提供的优于ocm的GPS卫星精密轨道和优于0.1ns的精密卫星钟差数据为精密单点定位技术的出现奠定了基础。
　　 自精密单点定位技术诞生后约十年的时间里，精密单点定位技术的实现都是基于GPS观测数据。但作为一种基于卫星的定位技术，它的可用性、定位结果的可靠性和精度在很大程度上取决于观测到的卫星的数量。在有些场合如城市峡谷、露天矿区和山区，可见卫星的数量往往是不够的。增加系统可用性和可靠性的一个可行的办法是联合多GNSS进行组合定位。随着俄罗斯GLONASS的复苏、我国BDS的迅速崛起和欧盟Galileo系统建设步伐的稳步推进，GPS -统天下的局面已经被打破，多GNSS的共存与融合将是GNSS发展的必然趋势。作者在GNSS多系统组合定位方面开展了一系列的研究T作(Cai et al，2007; Cai et al，2008;Cai et al.2009; Cai et al.2013a; Cai et al， 2013c; Cai et al， 2014b; Cai et al，2014c；Cai et al，2014d；Cai et al，2015a；Cai et al，2015b)，本书在总结已有研究工作的基础上，系统阐述GNSS多系统融合精密单点定位的理论、方法与结果。
　　1.2 精密单点定位技术的发展
　　 精密单点定位概念*初由美国JPL的Zumberge等于1997年提出，并在他们开发的数据处理软件“GIPSY“上实现(Zumberge et al，1997)。在此期间约20年的时间里，精密单点定位技术得到了迅速的发展，并取得了许多实质性的成果。Kouba和Heroux(2000)采用GPS传统精密单点定位模型获得了厘米级精度的定位结果。传统模型是分别在码和码之间、相位和相位之间形成消电离层组合。加拿大卡尔加里大学的Gao等对精密单点定位进行了深入研究(Gao et al，1997;Gao et al，2002)，并提出了GPS精密单点定位的UofC模型，该模型不像传统模型那样在两个频率的码和码观测值之间形成消电离层组合，而是分别在两个频率的相位和码观测值之间形成消电离层组合。试验结果证明，该模型比传统模型具有更好的性能(Shen，2002)。美国JPL的Muellerschoen等(2001)提出了全球实时动态精密单点定位技术，该技术利用非差双频载波相位观测值，在经过一段时间初始化后进行单历元实时动态精密单点定位。试验结果表明平面位置的定位精度为±(10～20) cm。经过近些年的发展，精密单点定位技术已由原来的双频精密单点定位扩展到单频精密单点定位(Le et al，2007)和三频精密单点定位(Geng et al．2013)，由GPS单系统定位拓展到多系统联合定位(Cai et al，2007)，由事后静态处理发展到实时动态处理(Chen et al，2008)，这些发展极大地拓展了精密单点定位技术的应用领域。近年来，一些学者在精密单点定位模糊度固定解方面进行了研究(Ge et al， 2007; Collins， 2008; Geng et al， 2009; Zhang et al. 2013a;I.i et al，2016)，利用模糊度参数的整数特性，模糊度固定解技术能在一定程度上减少位置滤波的收敛时间，但模糊度固定需要分离卫星和接收机端的初始相位偏差，而分离该偏差项需要借助跟踪站网的数据以获取相位小数偏差改正值，这同时也增加了精密单点定位技术实现的难度和复杂度。为了加快精密单点定位模糊度收敛速多模(JNSS融合精密单点定位理论与方法度，近几年区域地基增强PPP-RTK方法应运而生(Liet al，2011；Geng et al，2011；Odijk et al，2014;Teunissen et al，2015)，它是一种固定整周模糊度的实时点定位方法。利用该方法可以有效实现PPP与网络RTK数据处理模式的统一和无缝衔接(邹璇等，2014)。
　　 国内学者也对精密单点定位技术进行了深入研究。武汉大学的叶世榕在博士论文中利用其自行研制的精密单点定位处理软件进行了试算，结果表明，单天解的精度纬度方向优于1cm，经度方向优于2cm，高程方向优于3cm。动态定位时初始化时间约为15min，初始化后单历元解在纬度、经度和高程方向的精度均优于20cm，大部分解的精度优于10cm(叶世榕，2002)。刘经南等(2002)利用GPS的精密预报星历和实时卫星钟差数据计算得到的实时动态定位的精度为40cm。武汉大学的张小红对精密单点定位进行了深入研究，独立研发了后处理精密单点定位软件“TriP”，并成功地将其应用于航空测量，试验结果表明，采用精密单点定位技术可以获得几厘米的动态定位精度（张小红等，2005；张个红等，2006）。香港理工大学的胡丛玮等比较了非差、卫星间单差、历元间单差、历元卫星间差四种不同单点定位差分模型的定位精度和其他指标(Huet al，2005)。在整周模糊度固定解研究方面，国内学者也取得了丰硕的成果(张小红等，2010a;张宝成等，2012；郑艳丽，2013)。除此之外，也有多位学者对区域地基增强的PPP-RTK方法进行了研究，并取得了一系列研究成果（姜卫平等，2012；张小红等，2013b;张宝成等，2015）。随着我国北斗系统的快速崛起，北斗精密单点定位技术也逐渐引起学者的重视和关注(Liet al，2014b;Guo et al，2016).
　　 一种有效的提高精密单点定位性能的方法是进行多星座GNSS组合。在GNSS双系统组合精密单点定位研究方面，作者于2007年首次发表了组合GPS/GLONASS精密单点定位的初步结果(Cai et al，2007)，随后一些学者在该领域进行了积极的探索(Hesselbarth et al，2008;Li et al，2009; Piriz et al，2009; Melgard et al. 2009; Tolman et al， 2010; Cai et al. 2013a).Hesselbarth筹(2008)利用30s间隔的钟差数据进行GPS/GLONASS组合精密单点定位计算后发现，增加GLONASS观测值能显著提高位置滤波的收敛速度。Melgard等(2009)利用

《多模GNSS融合精密单点定位理论与方法》对多模GNSS融合精密单点定位的理论与实现方法进行了系统全面的阐述，详细推导了GPS/GLONASS组合精密单点定位的观测模型和随机模型，在此基础上进一步讨论了GPS/GLONASS组合精密单点定位模糊度固定解方法；发展并建立了单频GPS/GLONASS组合精密单点定位模型，提出了一种利用GLONASS观测数据自主识别GLONASS卫星频率信道号的方法；进一步将GPS/GLONASS双系统组合精密单点定位拓展到GPS、GLONASS、BDS和Galileo四系统组合，并进行了软件实现与结果分析；*后将多系统组合精密单点定位技术应用到对流层水汽三维层析中，验证了多系统组合定位的优势。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1概述 1
1.2精密单点定位技术的发展 3
1.3主要技术内容 5
第2章 GNSS系统简介 8
2.1概述 8
2.2 GPS现代化 10
2.3 GLONASS现代化 12
2.4 BDS现状 14
2.5 Galileo建设进展 16
2.6 四大GNSS比较 17
2.6.1 时间系统 18
2.6.2 坐标系统 19
2.6.3 系统比较 20
2.7 本章小结 21
第3章 卫星运动理论与精密定轨22
3.1 概述 22
3.2 卫星动力学模型 22
3.2.1 动力学模型的建立22
3.2.2 数值积分 25
3.2.3 卫星精密定轨的参数估计 26
3.3 轨道摄动力模型 26
3.3.1 地球非球形引力 27
3.3.2 固体潮 28
3.3.3 多体引力 28
3.3.4 相对论效应 29
3.3.5 大气阻力 29
3.3.6 太阳光压 30
3.4 GNSS卫星精密定轨 30
3.4.1 GPS卫星精密定轨 31
3.4.2 GLONASS卫星精密定轨 32
3.4.3 BDS卫星精密定轨 33
3.4.4 Galileo卫星精密定轨 34
3.5 本章小结 35
第4章 精密单点定位误差源及处理方法 36
4.1 概述 36
4.2 传统误差源 36
4.2.1 卫星轨道和钟误差 36
4.2.2 电离层延迟 40
4.2.3 对流层延迟 43
4.2.4 接收机钟差 45
4.2.5 多路径误差 46
4.2.6 观测值噪声 49
4.3 特别考虑的误差源 54
4.3.1 卫星和接收机天线相位中心 54
4.3.2 相对论效应 58
4.3.3 天线相位缠绕 59
4.3.4 固体潮 60
4.3.5 大洋负荷 60
4.3.6 大气负荷 61
4.3.7 萨奈克效应 62
4.3.8 极潮 62
4.3.9 码观测值兼容性 63
4.4 本章小结 63
第5章 数据预处理 65
5.1 概述 65
5.2 观测数据的粗差探测 65
5.2.1 Baarda数据探测法 66
5.2.2 多维粗差同时定位定值法 66
5.2.3 祖差的拟准检定法 67
5.3 非差相位观测值的周跳探测与修复 69
5.3.1 TurboEdit方法 69
5.3.2 基于宽巷组合的移动窗口滤波法 71
5.4 钟跳处理 78
5.4.1 接收机钟跳概述 78
5.4.2 接收机钟跳影响 78
5.4.3 接收机钟跳探测 79
5.5 本章小结 80
第6章 GPS精密单点定位方法 82
6.1 概述 82
6.2 参数估计方法 82
6.2.1 序贯*小二乘 82
6.2.2 卡尔曼滤波83
6.2.3 白适应卡尔曼滤波 85
6.2.4 抗差估计 87
6.3 定位模型 88
6.3.1 传统模型 88
6.3.2 UofC模型 93
6.3.3 非组合模型 96
6.3.4 消模糊度模型 97
6.4 质量控制 99
6.5 本章小结 99
第7章 GPS/GLONASS组合精密单点定位 101
7.1 概述 101
7.2 双频精密单点定位 101
7.2.1 观测模型 101
7.2.2 随机模型 108
7.2.3 处理结果与分析 111
7.3 单频精密单点定位 116
7.4 GLONASS卫星频率信道号的白主识别方法 119
7.5 双系统组合PDOP计算方法 122
7.6 本章小结 124
第8章 GPS/GLONASS组合精密单点定位模糊度固定解 126
8.1 概述 126
8.2 PPP模糊度固定解方法 126
8.2.1 几种观测值的线性组合 127
8.2.2 几种典型的(;PS模糊度固定解方法 129
8.3 GPS/GLONASS组合PPP模糊度固定解方法 134
8.3.1 CNES卫星轨道与钟差产品 134
8.3.2 整周模糊度固定方法 135
8.3.3 数据处理与结果分析 139
8.4 本章小结 147
第9章 四系统组合精密单点定位及软件实现 148
9.1 概述 148
9.2 四系统组合PPP模型 148
9.3 多模PPP软件设计与实现 151
9.3.1 算法流程 151
9.3.2 MIPS-PPP软件功能 153
9.3.3 MIPS-PPP软件界面 153
9.4 数据处理与结果分析 155
9.4.1 数据获取 155
9.4.2 静态结果与分析 156
9.4.3 动态结果与分析 159
9.4.4 定位精度与收敛时间评估 163
9.4.5 系统时间差估值分析 165
9.5 本章小结 166
第10章 基于多模精密单点定位技术的水汽三维层析 167
10.1 概述 167
10.2 水汽三维层析原理 168
10.3 试验与分析 171
10.4 本章小结 175
参考文献 176
附录 中英文及缩写对照 189