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GPS多频观测数据处理方法及应用研究

作　者: 冯来平
导　师: 王刚
学　校: 解放军信息工程大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: 多频数据 组合 格网电离层模型 模糊度分解 成功率 消电离层组合
分类号: P228.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


为提高导航系统的整体性能,新一代卫星导航系统都采用多个载波频率。本文针对GPS多频数据处理理论和应用方法进行研究,为多频数据在高精度测量中的应用提供技术支持。主要研究了多频数据在绝对定位、相对定位、电离层建模以及模糊度确定等方面的应用,所做的工作主要包括:1)针对目前多频数据无法获取问题,详细讨论了数据模拟方法,并在Bernese软件数据模拟模块GPSSIM的基础上经过改造,得到了多频观测数据,经验证与实际观测一致,可用于各种测量用途。2)从相位组合的一般表达式出发,考虑了波长、噪声及电离层因素的影响,给出了GPS多频观测组合系数的选择方法;通过对常见的消电离层组合L3、宽巷组合L5C和基础频率L1相位观测值用于精密单点定位精度的比较,分析了三者的特性。然后用相对定位的例子详细说明了常用的线性组合在Bernese软件相对定位解算各步骤中的作用。3)详细推导了通过三频观测数据消除电离层改正二阶项的组合表达式。基于全球地磁场模型IGRF05和CODE电离层模型,对不同纬度地区消电离层组合中由于忽略电离层改正二阶项引起的残余误差做了分析,结果表明在电子含量较大时,该项改正可以达到2cm,在精密定位中必须考虑。用模拟的三频观测数据通过消电离层组合实现了精密单点定位,比较了双频和三频消电离层组合对精密单点定位的影响,并比较了三频消电离层组合在不同的噪声下对精密单点定位结果的影响。4)在对不同频率电离层残差组合估计电离层模型精度分析的基础上,用实验验证了利用L1/L5电离层残差组合取代原来的L1/L2组合,可以提高电离层建模精度0.1TECU。用全球200个跟踪站的多频模拟数据,利用15阶15次球谐函数拟合,分别得到了L1/L2、L2/L5和L1/L5电离层残差组合得到的电离层模型,比较结果表明:L1/L5组合可有效提高电离层建模精度,而L2/L5组合不能用于电离层建模。5)对几种常见的确定整周模糊度的方法做了详细介绍;选取不同长度基线,用实测数据对两种常用的模糊度分解方法QIF和Melbourne ? Wubbena的可靠性和适用性做了详细分析。针对三频CIR模糊度分解方法,从理论角度分析了电离层和噪声对该方法每一步中模糊度解算的影响,探讨了它们对成功率的影响。6)利用模糊度精度衰减因子(ADOP)评估了不同因素(频率个数、基线长度等)对模糊度确定精度的影响,分析了不同长度基线多频数据对模糊度解算成功率的影响,结果表明:增加多个频率观测数据,对短基线模糊度确定成功率提高不明显,但对于长基线,可以提高约30%。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第一章 绪论  11-17
  1.1 卫星导航系统发展概述  11-14
    1.1.1 GPS 系统与现代化  11-12
    1.1.2 GALILEO 系统发展状况  12
    1.1.3 GLONASS 系统现代化进展  12-13
    1.1.4 导航系统的频率演化  13-14
  1.2 本文研究目的  14-15
  1.3 国内外研究现状  15-16
  1.4 研究内容  16-17
第二章 GPS 定位的理论方法及数学模型  17-27
  2.1 时空参考系  17-18
    2.1.1 时间系统  17-18
    2.1.2 坐标系统  18
  2.2 观测量及观测方程  18-21
    2.2.1 原始观测方程  18-20
    2.2.2 差分观测方程  20-21
  2.3 主要误差源和消除对策  21-25
    2.3.1 卫星轨道误差  21-23
    2.3.2 卫星钟差  23
    2.3.3 卫星天线相位中心改正  23-24
    2.3.4 电离层延迟  24
    2.3.5 对流层延迟  24-25
    2.3.6 接收机钟差  25
    2.3.7 其它误差改正  25
  2.4 IGS 服务及产品  25-27
    2.4.1 IGS 组织形式  25-26
    2.4.2 IGS 产品  26-27
第三章 GPS 多频观测数据模拟仿真  27-34
  3.1 GPS 多频观测数据模拟原理及流程  27
  3.2 模拟观测中误差模型的选取  27-30
    3.2.1 卫星轨道  27-28
    3.2.2 电离层模型  28-29
    3.2.3 对流层模型  29
    3.2.4 卫星钟差和接收机钟差  29
    3.2.5 观测噪声及模糊度  29
    3.2.6 其它误差项  29-30
  3.3 数据仿真与验证  30-33
  3.4 本章小结  33-34
第四章 多频观测数据组合理论及常用组合应用  34-47
  4.1 多频观测数据组合理论  34-36
    4.1.1 相位组合的表达式  34-35
    4.1.2 相位组合的选取标准  35-36
  4.2 组合系数的选取方法  36-38
    4.2.1 弱电离层组合  36-37
    4.2.2 低噪声选择  37-38
    4.2.3 其它影响  38
  4.3 浮点型线形组合  38-39
    4.3.1 GF 线形组合  38
    4.3.2 IF 线形组合  38-39
  4.4 常用的线形组合及应用  39-41
    4.4.1 电离层自由组合  39
    4.4.2 电离层残差组合  39-40
    4.4.3 宽巷组合  40
    4.4.4 Melbourne-Wübbena 组合  40
    4.4.5 载波相位平滑伪距  40-41
  4.5 常用组合的单点定位结果  41-43
    4.5.1 定位结果  41-42
    4.5.2 结果分析  42-43
  4.6 线性组合在基线解算中的应用  43-46
    4.6.1 数据处理流程  43
    4.6.2 数据选取  43-44
    4.6.3 参数选取  44
    4.6.4 计算结果  44-46
  4.7 本章小结  46-47
第五章 多频观测数据在模糊度解算中的应用  47-65
  5.1 模糊度确定的基本方法  47-51
    5.1.1 模糊度确定的一般过程  47-48
    5.1.2 模糊度确定方法  48-51
  5.2 不同的模糊度分解方法对基线解算的影响  51-56
    5.2.1 数据选取  52
    5.2.2 比较方法  52-53
    5.2.3 计算结果  53-55
    5.2.4 结论  55-56
  5.3 CIR 方法求解模糊度误差分析  56-60
    5.3.1 层迭模糊度解算方法  56-57
    5.3.2 误差分析  57-59
    5.3.3 模糊度解算成功率  59-60
  5.4 模糊度精度衰减因子（ADOP）及成功率分析  60-64
    5.4.1 ADOP 定义及特性  60-62
    5.4.2 电离层加权模型  62
    5.4.3 ADOP 分解表达式  62-63
    5.4.4 计算与分析  63-64
  5.5 本章小结  64-65
第六章 多频消电离层组合理论及对定位结果的影响  65-76
  6.1 电离层折射误差  65-68
    6.1.1 电离层影响  65-66
    6.1.2 消电离层组合  66-68
  6.2 电离层折射误差二阶项量级分析  68-73
    6.2.1 电子密度和地磁场的确定  68-69
    6.2.2 基于IGRF 地磁模型和CODE 电离层模型的△R_2 计算  69-71
    6.2.3 计算结果  71-73
  6.3 模拟计算方法及结果  73-75
    6.3.1 数据模拟情况  73-74
    6.3.2 结果分析  74-75
  6.4 本章小结  75-76
第七章 多频数据在构建全球电离层模型中的应用  76-92
  7.1 常见的电离层模型  76-77
    7.1.1 IRI 模型  76
    7.1.2 Bent 模型  76-77
    7.1.3 Klobuchar 模型  77
  7.2 单层电离层模型  77-83
    7.2.1 单层电离层模型的建立  78-79
    7.2.2 局部电离层模型  79
    7.2.3 全球电离层模型  79
    7.2.4 投影函数  79-80
    7.2.5 观测模型表达式  80
    7.2.6 太阳-地磁坐标系的定义  80-81
    7.2.7 不同线形组合对电离层的影响  81-83
  7.3 模拟计算结果  83-91
    7.3.1 数据模拟  83
    7.3.2 计算方法与结果  83-91
  7.4 本章小结  91-92
第八章 总结与展望  92-94
  8.1 工作总结  92
  8.2 展望  92-94
参考文献  94-98
作者简历 攻读硕士学位期间完成的主要工作  98-99
致谢  99

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 测绘学 > 大地测量学 > 卫星大地测量与空间大地测量 > 全球定位系统（GPS）
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