GNSS融合实时精密动态相对定位方法研究

作     者：李建龙 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘万科

授予年度：2018年

学科分类：081802[工学-地球探测与信息技术] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0818[工学-地质资源与地质工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：GNSS系统融合 动态相对定位 复杂动态观测条件 低成本GNSS接收机 随机模型精化 抗差估计 

摘      要：自GPS(Global Positioning System,GPS)系统建成以来,卫星导航定位理论取得了长足的发展,其中实时精密动态相对定位技术以实时性,全天候,高精度,高可靠性等优势而被广泛应用于变形监测,精准农业,动态载体定姿,编队飞行等领域。现有的动态相对定位理论及方法可以保证大多数应用场景下载体的定位精度,但是特殊观测条件下,如在建筑物、树木遮挡严重,载体高速运动或者水面信号反射严重,使用非测地型GNSS接收机或天线,采用单一定位系统或者传统动态相对定位方法难以获得稳定可靠的定位结果,甚至可能无法满足实时定位需求。随着各GNSS系统的建成与发展,预计到2020年,四大全球导航定位系统都将具备全球定位服务的能力,这为在复杂环境下实现高精度动态相对定位提供了保障。因此,本文将建立适合单/多GNSS系统动态相对定位的数学模型并构建适用于特殊观测环境下的数据处理方法。首先针对GLONASS频分多址特殊性,提出适用于实时处理的单GLONASS及多系统融合定位模型,然后从已有的经典动态相对定位理论出发,结合复杂观测条件以及非测地型低成本接收机的数据特点,在随机模型精化以及验后抗差处理方面开展了详细研究,实现了多系统动态相对定位处理软件,并通过实测数据进行验证。本文主要工作和结论如下:(1)阐述了相对定位的函数模型以及不同基线处理方式;根据GLONASS频分多址的特点,在单差滤波模型基础上,改进了频间偏差的处理方式。同时,为兼容GLONASS系统,满足多GNSS融合动态定位需要,构建了适合单/多系统,单/多频观测的参数估计方法。实测数据表明,模型能有效处理单/多系统融合定位问题,短基线GLONASS定位精度接近其他单系统定位精度,显著提升了GLONASS模糊度固定率。(2)特殊观测条件下,特别是遮挡较为严重时,观测数据易出现粗差及周跳,可用观测数据十分有限且观测值精度不能提前获知,需要充分利用已有数据先验信息以期得到最优定位结果。本文先从定位的随机模型方面出发,首先总结了现有的高度角、信噪比随机模型的优缺点,然后提出了相对定位实时伪距噪声计算方法,并通过实测数据对三种模型进行了对比分析。结果显示,采用实时伪距噪声计算方法更能反映伪距观测数据的真实质量,可有效提高卡尔曼滤波浮点解精度,减少抗差迭代次数并提升定位解算精度。(3)特殊观测条件中粗差及周跳难以在验前阶段被完全探测识别,需要在验后进一步抗差迭代处理。针对这一问题,本文在经典IGGⅢ抗差方案的基础上,对于未能识别的粗差,直接进行降权或零权处理;对于未能探测的小周跳,在下个历元再次被判定为异常后重置其模糊度参数。实测数据表明,改进方法可以有效抑制粗差观测值影响,同时及时处理了观测值中未能识别的周跳异常,较经典方法的抗差效果更优。(4)在本文提出的多GNSS融合动态相对定位模型的基础上,研制了 GNSS融合动态精密相对定位软件,并分别利用实测的多GNSS观测数据、低成本接收机观测数据以及动态多粗差数据对软件进行验证,结果表明软件具备单/多GNSS动态相对定位处理能力,在复杂动态观测环境下,三维解算精度优于0.1m。