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GPS单频精密单点定位理论研究与算法实现

作　者: 汪平
导　师: 郝金明
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 单频精密单点定位相位/伪距半和法格网电离层模型选点内插模型硬件延迟偏差双向Kalman滤波时序定权法
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 327次
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内容摘要

论文系统地研究了单频精密单点定位原理及技术细节,内容涵盖数学模型、定位误差及其改正方法、数据预处理及参数估计方法。由于单频精密单点定位只能使用单频观测数据,因此在观测模型、电离层延迟、硬件延迟偏差及数据预处理这四个方面与双频精密单点定位存在差异,这是单频精密单点定位技术的难点也是本文研究的重点。围绕上述四个方面,本文的主要研究内容如下:1.单频精密单点定位观测模型鉴于载波相位观测方程和伪距观测方程受到的电离层延迟大小相等、符号相反这一特点,论文采用相位/伪距半和法消去载波相位观测值中的电离层延迟,从而得到新的组合观测量,再联立单频伪距观测方程作为单频精密单点定位的观测模型。2.电离层延迟改正论文详细讨论了两种适合于单频数据的电离层延迟改正方法:格网电离层模型及Klobuchar模型。针于格网电离层模型中格点内插的问题,基于传统的四点内插模型,提出了顾及格点电子含量误差的选点内插模型及两种定权方法,并通过实验对其有效性进行了证明。3.硬件延迟偏差改正论文介绍了硬件延迟偏差改正的数学模型,详细推导了单频精密单点定位中交叉相关及非交叉相关两类接收机的硬件延迟偏差改正公式。4.数据预处理论文介绍了两种适用于单频数据的周跳/粗差探测方法:多项式拟合法及多普勒积分法,详细分析了这两种方法各自的特点,阐述了在单频精密单点定位中联合使用这两种方法进行数据预处理的流程。5.参数估计方法针对传统Kalman滤波在模糊度收敛之前定位精度不高的缺陷,进一步介绍了双向Kalman滤波。为了解决双向Kalman滤波的难点——如何确定前、后向滤波结果的权比,论文从实际出发提出了简单实用的时序定权法,并对其进行了严格的证明。在充分理解单频精密单点定位原理和相关数据处理方法的基础上,基于Visual Studio平台作者开发了单频精密单点软件——SPPP-SPAN,并进行了大量相关试验和分析,得出了以下结论:1.SPPP-SPAN软件静态定位精度达到厘米级,动态定位精度与载体的机动性密切相关:弱机动性条件下,定位精度水平方向为0.4~0.5m ,高程方向为0.5~0.6m ;强机动性条件下,定位精度水平方向为0.5~0.6 m,高程方向为0.9~1.0m。因此,可认为SPPP-SPAN软件能实现分米级动态定位精度。2.双向Kalman滤波能有效克服传统Kalman滤波初期定位精度低的缺陷,更适用于动态定位。在双向Kalman滤波中,采用论文提出的时序定权法可以快速地确定前、后向滤波结果的权比,有效改善传统Kalman滤波初期的定位精度。3.格网电离层模型的改正精度优于Klobuchar模型,在单频精密单点定位中采用格网电离层模型改正伪距观测量的电离层延迟效果明显。4.在静态定位中,各种电离层产品的效果相当,可以忽略它们之间的差异;在动态定位中,建议采用IGS电离层产品。值得一提的是,IGS的快速电离层产品和最终产品的定位精度相当,因此用户可以根据实时性需要灵活的选用IGS电离层产品,而不必担心精度损失。

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-12
第一章绪论  12-20
  1.1 引言  12-13
  1.2 单频精密单点定位技术研究现状  13-14
  1.3 IGS及其产品介绍  14-18
    1.3.1 IGS组织构成  14-16
    1.3.2 IGS全球电离层格网图  16-18
  1.4 本文研究的目的和主要内容  18-20
第二章单频精密单点定位数学模型  20-26
  2.1 引言  20
  2.2 观测模型  20-22
  2.3 随机模型  22-26
    2.3.1 观测量随机模型  22-23
    2.3.2 参数随机模型  23-26
第三章单频精密单点定位主要误差源及改正方法  26-41
  3.1 引言  26
  3.2 与卫星有关的误差  26-28
    3.2.1 卫星星历误差改正  26
    3.2.2 卫星钟差改正  26-27
    3.2.3 相对论钟差  27
    3.2.4 卫星天线相位中心偏差  27-28
    3.2.5 相位绕转效应  28
  3.3 与信号传播路径有关的误差  28-36
    3.3.1 对流层延迟  28-30
    3.3.2 电离层延迟  30-34
    3.3.3 Sagnac效应  34-35
    3.3.4 引力延迟  35
    3.3.5 多路径效应  35-36
  3.4 与接收机、测站有关的误差  36-40
    3.4.1 硬件延迟偏差改正  36-38
    3.4.2 接收机天线相位中心改正  38
    3.4.3 固体潮改正  38-39
    3.4.4 海洋负载潮改正  39
    3.4.5 周日地球自转参数改正  39-40
    3.4.6 极潮改正  40
  3.5 本章小结  40-41
第四章数据预处理  41-45
  4.1 引言  41
  4.2 多项式拟合探测周跳/粗差的原理  41-42
  4.3 多普勒积分法探测周跳  42-44
  4.4 本章小结  44-45
第五章单频精密单点定位参数估计方法  45-53
  5.1 引言  45
  5.2 Kalman滤波  45-49
    5.2.1 Kalman滤波的基本原理  46-47
    5.2.2 模糊度参数的处理  47-48
    5.2.3 Kalman滤波的特点  48-49
  5.3 双向Kalman滤波  49-51
    5.3.1 协方差定权法  49-50
    5.3.2 时序定权法  50-51
  5.4 本章小结  51-53
第六章单频精密单点定位软件及其定位精度分析  53-70
  6.1 引言  53
  6.2 数据处理策略及Kalman滤波参数设置  53-54
  6.3 SPPP-SPAN软件定位精度分析  54-68
    6.3.1 静态试验  54-60
    6.3.2 静态模拟动态试验  60-62
    6.3.3 机载动态试验  62-65
    6.3.4 车载动态试验  65-66
    6.3.5 船载动态试验  66-68
  6.4 本章小结  68-70
第七章格网电离层模型及其与Klobuchar模型的比较  70-79
  7.1 引言  70
  7.2 Klobuchar模型分析  70-71
  7.3 格网电离层模型技术细节  71-75
    7.3.1 计算电离层穿刺点处的地心经纬度  72-73
    7.3.2 内插计算电离层穿刺点的垂直电子含量  73-75
  7.4 两种格点内插模型和定权方法的比较  75-76
  7.5 格网电离层模型与Klobuchar模型的比较  76-78
  7.6 本章小结  78-79
第八章不同电离层产品对单频精密单点定位精度的影响  79-86
  8.1 引言  79
  8.2 不同电离层产品对静态定位精度的影响  79-84
  8.3 不同电离层产品对动态定位精度的影响  84-85
  8.4 本章小结  85-86
第九章总结与展望  86-88
参考文献  88-91
作者简历攻读硕士学位期间完成的主要工作  91-92
致谢  92

GPS单频精密单点定位理论研究与算法实现

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