BDS-GPS融合精密定位理論與算法研究.pdf

1、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)，是首個異構星座，是目前完全運行的唯一的三頻導航系統(tǒng)，集導航定位、授時、用戶監(jiān)測、短報文通信于一體，在中國及周邊地區(qū)能提供7-9顆衛(wèi)星，與GPS(Global Positioning System)、GLONASS(Globarnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema)、Galileo等全球衛(wèi)星導航系

2、統(tǒng)能兼容與互操作。BDS具有的獨特優(yōu)勢，有利于改善DOP(Dilution of Precision)值、消弱大氣誤差、縮短模糊度初始化時間等。目前，BDS在亞太地區(qū)已具備與GPS相當?shù)母呔榷ㄎ恍阅埽蚱淦鸩酵?，國際國內市場目前仍以GPS為主導。BDS與GPS融合衛(wèi)星資源的利用，將成為BDS逐步走向國際衛(wèi)星導航領域的一個過程。
　　在此背景下，本文分析BDS與GPS在時空參考框架、星座結構、信號內容、數(shù)據(jù)質量等方面的差異性，研

3、究BDS/GPS融合高精度相對定位關鍵技術。提出了一套BDS/GPS靜態(tài)與動態(tài)相對定位算法，并開展大量的試驗研究，如鐵路CPI控制網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)處理，基于相對定位精度因子RPDOP(Relative Positioning Dilution of Precision)分析的快速靜態(tài)定位，不同范圍與挑戰(zhàn)性環(huán)境下RTK(Real Time Kinematic)定位等，驗證本文理論算法研究的正確性。
　　本文的研究工作和貢獻主要表現(xiàn)在如下幾

4、個方面:
　　1.考慮BDS/GPS不同系統(tǒng)觀測值隨機模型的差異，進行了隨機模型的精化與評估。為了精化隨機模型，利用五類經(jīng)驗隨機模型函數(shù)擬合BDS/GPS衛(wèi)星觀測值精度與衛(wèi)星高度角、信噪比間的關系，并計算擬合優(yōu)度，選擇最優(yōu)隨機模型。開展BDS/GPS差分整周模糊度固定及定位試驗，評估精化隨機模型的性能。結果表明:精化隨機模型可提高整周模糊固定成功率，加常數(shù)隨機模型更適合測試接收機，信噪比隨機模型能更好的反應融合系統(tǒng)觀測值質量。

5、r>　　2.分析BDS GEO(Geostationary Orbit)衛(wèi)星、IGSO(Inclined Geosynchronous Orbit)衛(wèi)星、MEO(Medium Earth Orbit)衛(wèi)星觀測值的方差分量，發(fā)現(xiàn)其大小不同、時間相關性存在顯著差異。顧及不同類型BDS衛(wèi)星觀測值的異方差特性，研究采用迭代最小二乘與最小范數(shù)二次無偏估計MINQUE（minimum norm quadratic unbiased estimati

6、on)相結合的方法，實時估計BDS不同類型衛(wèi)星觀測值方差分量和精確的位置參數(shù)。為評估實時估計隨機模型的性能，對243m、645m、10137m三條不同長度基線進行精密相對定位測試，結果表明:實時估計隨機模型能有效改善BDS精密單歷元動態(tài)相對定位性能，尤其當站間距離較長時改善更顯著。10137m基線測試結果，表明1h數(shù)據(jù)單歷元解在北、東、高方向，平均定位精度分別提高了41.3％、54.5％、51.6％。
　　3.從精度因子DOP的角

7、度，論證BDS與GPS融合能夠提高單系統(tǒng)相對定位的精度和時間效率。論證了BDS與GPS系統(tǒng)融合，模糊度精度因子ADOP減小，能夠快速固定模糊度，且相對幾何精度因子RGDOP和對流層TrDOP減小，能夠提高定位精度，達到與延長觀測時長相同作用。另外，論證引入BDS三頻，電離層精度因子IDOP減小，相比三頻數(shù)據(jù)較少的GPS系統(tǒng)具有一定的優(yōu)越性。利用實測數(shù)據(jù)，分析驗證了該理論推導的正確性。
　　4.研究BDS與GPS高精度靜、動態(tài)相對定

8、位數(shù)據(jù)處理算法，并研制相關軟件，開展測試分析。川藏鐵路CPI控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理，表明BDS基線解算精度與GPS相當，系統(tǒng)融合能提高基線解算合格率和精度，且融合實時快速測量能提高85％的時間效率。不同距離RTK數(shù)據(jù)處理，表明BDS與GPS短距離RTK均能獲得1cm水平精度、5cm高程精度，20-50km中長距離RTK均能獲得2cm水平精度、1dm高程精度，融合系統(tǒng)能夠顯著提高RTK定位高程精度。在本文實驗的城市環(huán)境及墻角，實施RTK定位，融合