GPS快速定位中病态问题的正则化抗差解法

针对GPS快速定位中因观测信息不足造成的法矩阵病态和观测量含粗差的问题,利用抗差M估计思想,提出一种新的抗差估计——正则化抗差估计。这种方法可以用于解决大地测量中的不适定性问题。通过计算表明,该方法具有抗粗差能力强、精度高和稳定性好的特点。

利用多普勒观测检测周跳和粗差

基于多普勒积分提出一种判断"野值"属于周跳还是粗差的方法,即前后两个历元的周跳检测值如果接近则认为是周跳,如果不接近则认为是粗差;通过对多普勒观测量进行不同阶数的多项式插值,得出线性插值的精度高于高阶多项式插值的精度,且计算量少的结论,所以在一个采样率内利用梯形公式积分来检测周跳和粗差的精度较高。

GPS精密星历的外推精度分析

列出了轨道拟合和轨道外推所用的摄动力模型,讨论了轨道拟合和轨道积分的过程。利用轨道拟合的方法拟合出高精度的初始轨道参数,在此基础上外推7天的轨道,将结果与IGS提供的最终星历比较,得出GPS轨道的外推精度:每颗卫星都是切向误差最显著,径向和法向的误差不明显;星蚀卫星的轨道外推精度明显低于一般卫星;问题卫星的轨道外推误差特别大。

第二类无奇点根数的北斗历书参数设计

为统一北斗三类卫星的历书拟合算法，提出基于第二类无奇点根数进行历书参数设计的方法，设计了以倾角向量变率作为摄动参数的历书参数模型，并给出新的历书模型的用户使用算法。利用覆盖2013年全年的实际在轨卫星的数值轨道进行了历书拟合试验。结果表明，地球静止轨道（GEO）和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星的拟合位置误差为2～4km，拟合用户距离误差（URE）约为1km，中圆地球轨道（MEO）卫星的拟合位置误差为1～2km，拟合URE约为500m。通过分析6个轨道根数和2个摄动参数全年的变化范围，对新历书模型进行量化单位和占用比特位的通信接口设计，定量分析量化单位对历书表达精度的影响。结果表明，参数截断后对位置误差的影响小于50m，对URE误差的影响小于5m。因此，历书量化误差对信号捕获以及首次定位时间带来的影响可以忽略不计。

载波相位平滑伪距及其在差分定位中的应用

推导了单频和双频载波相位平滑伪距的Hatch滤波公式,利用两组实测数据进行了载波相位平滑伪距,然后将平滑后的不同观测类型的伪距用于实时差分定位。定位结果表明,C/A码Hatch滤波的差分定位精度高于P码;无电离层组合的Hatch滤波差分定位精度低于C/A码。

配置积分方法在GPS卫星轨道确定中的应用

重点介绍了配置(Collocation)积分方法的原理和步骤。比较了其他轨道积分方法和Collocation积分方法在积分卫星轨道时的区别,阐明了Collocation方法在计算卫星速度、加速度等高阶导数方面的优越性,并通过采用固定步长、变化多项式阶数和固定多项式阶数、变化步长的方法,定性和定量地分析了不同参数的选择对GPS卫星轨道积分的影响。

区域卫星导航系统无电离层组合定位精度分析

电离层折射误差是卫星导航系统定位的主要误差源之一。目前使用最广泛、最有效的电离层折射误差改正技术是双频技术。区域卫星导航系统具有3个频率的观测数据,可以形成多种消除电离层一阶项的观测组合以及消除电离层二阶项的观测数据。文中假设各个频率上的观测噪声相同,推导了B1/B2,B1/B3和B2/B3三种消电离层一阶项组合的表达式,其噪声放大因子分别为2.899,3.527和14.286;推导了B1/B2/B3消电离层一阶项且噪声最小组合的表达式,组合系数分别为6.179,-3.826和-1.000,该组合的噪声放大因子为2.865;推导了消除电离层二阶项组合的表达式,组合系数分别为-0.263,-0.749和1.000,该组合的噪声放大因子为35.748。利用实测的伪距数据对5种组合的定位误差进行了计算。定位结果表明,消电离层一阶项且噪声最小的定位精度最高;B1/B2,B1/B3和B2/B3组合定位精度依次降低;B1/B2/B3消电离层二阶项组合虽然消除了电离层二阶项,但噪声放大了35.748倍,因此其定位精度最差。

综合无奇点根数和坐标旋转的广播星历拟合及其性能评估

将无奇点根数和坐标旋转方法综合运用到地球静止轨道(geostationary earth orbit,GEO)卫星的18参数星历拟合,解决GEO卫星的小偏心率奇点和小倾角奇点问题。基于5颗北斗在轨GEO卫星1a的轨道数据,分析全年星历拟合精度和稳定性,对卫星进出地影的拟合精度进行定量分析,针对Δn参数超限问题,比较绕X轴旋转5°和55°的Δn参数变化范围。结果表明,2~4h的拟合弧长5颗GEO卫星的星历拟合精度最大为3cm,迭代次数最多为5次;拟合弧长越长,拟合精度越低,迭代次数更少;当拟合弧段包含进出地影轨道时,拟合精度降低;旋转55°比旋转5°Δn参数的变化范围减少一个数量级,Δn参数全年无超限现象。

利用无几何模型求解GPS三频模糊度的成功率分析

利用无几何模型求解GPS模糊度实数解是不以基线分量为未知数的线性模型,码观测量几乎直接用于确定模糊度,即使在较短的观测时间内,也不会出现设计矩阵复共线性,对模糊度求解具有明显优势。利用Krone-cker乘积导出了利用无几何模型求解三频模糊度及其协方差矩阵的表达式,分析得到该协方差矩阵只与伪距噪声和相位噪声之间的结构以及采用的历元数相关,与接收机和卫星之间的几何构形无关;整数变换Z矩阵只与伪距噪声和相位噪声之间的结构相关的有益结论。最后利用无几何模型分别计算了单频、双频、三频模糊度求解的成功率,得出对于双频和三频只需少数历元即可成功固定模糊度,特别对于三频观测,甚至单历元即可成功固定模糊度。

一种基于排序和乔列斯基分解的模糊度降相关方法

通过分析目前存在的逆整数乔列斯基降相关方法白化变换、基于排序和下三角乔列斯基分解的降相关方法的特点,提出了一种新的模糊度降相关方法。该方法是基于协方差矩阵对角线元素降序排列和上三角乔列斯基分解来达到模糊度降相关的目的。通过实测数据的降相关计算得到:新方法与白化变换相比降相关效果相当,但新方法的效率较高;新方法与基于排序和下三角乔列斯基分解的降相关方法相比降相关效果和效率都相当。

中长基线周跳实时探测和修复的新方法

提出了一种适合网络RTK基准站间周跳实时探测和修复的新方法。该方法根据基准站坐标已知的特点,反求模糊度的浮点解来探测周跳并确定周跳的范围,最后结合电离层残差组合来修复周跳。该方法可以应用到当基准站没有精确已知的坐标时的静态实时周跳探测和修复中,通过理论分析和实际计算表明,该方法处理周跳的能力较强,具有实时探测和修复中长基线的失锁时间较长的周跳,且计算简单的特点。

GPS定位中非线性与线性模型参数估计方法的选择

本文将文献[1]定义的固有非线性性和参数效应非线性性应用到GPS双差载波非线性模型中,并根据这两个指标判断当流动站采用不同精度的初值时,平差模型应该选择非线性模型还是线性模型。通过比较不同精度的初始值的定位精度得到:GPS双差载波非线性模型的非线性强度较弱;即使采用单历元单点定位的结果作为初始值,GPS双差载波相位定位模型也能按照近似线性化的方法求解;而当采用地心坐标作为初始值时,求解流动站的坐标必须按照非线性最小二乘的理论计算,这时利用高斯-牛顿法迭代几次就能收敛。

一种地球静止轨道卫星的快速恢复定轨方法

地球静止轨道(GEO)卫星频繁的轨道机动对高精度、实时不间断的导航服务需求提出新的更高要求,如何在短弧跟踪条件下提高GEO卫星轨道快速恢复能力,是提升导航系统服务精度的关键因素。针对该问题,提出基于9参数星历拟合的GEO卫星短弧运动学定轨方法,详细推导定轨的数学模型与偏导模型,针对GEO卫星星历参数拟合中的奇异问题,提出相应的解决方法和措施。利用COMPASS GEO卫星实测自发自收数据进行短弧定轨试验与分析,结果表明:①10 min短弧运动学定轨的位置精度优于19 m,速度精度为4 mm/s,速度精度明显优于MEO卫星;②预报5 min的位置精度为17.760 m,预报10 min的位置精度为18.168 m;③解决GEO卫星频繁轨控所带来的轨道快速恢复问题,满足短弧跟踪条件下RDSS的服务需求。

北斗高精度长弧历书模型设计

历书参数可同时用于辅助常规导航和自主导航的信号捕获。延长历书参数的有效期不但可以使地面接收机启动时充分利用历书数据,对于基于星间链路观测的自主导航,历书参数的有效期还决定了地面注入历书的频度和占用的星上存储资源。通过对北斗3类导航卫星主要摄动力及其对轨道根数的长期项和长周期项的影响分析,设计了以6个轨道根数和5个摄动参数为播发参数的历书拟合模型。以一个自主运行周期90 d为时间尺度,对北斗在轨卫星进行了长弧段历书拟合试验,并同时分析了卫星位置和速度的拟合精度。结果表明新的历书拟合模型提高了历书拟合的精度,尤其对于地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星,拟合精度提高显著。对于GEO和IGSO卫星,位置拟合误差大约从200 km降低至十几千米甚至几千米,速度拟合误差大约从15 m/s降低至0.6 m/s,新方法拟合精度提高了约20~30倍;对于中圆地球轨道卫星,无论采用哪种历书模型,位置拟合误差都在5 km左右,速度拟合误差都在0.6 m/s左右,新方法拟合精度提高约15%。针对星间链路卫星10 km位置误差上限的使用需求,对比了新老历书模型的拟合弧长,常规模型最大拟合弧长约为14 d,而新历书模型的最大拟合弧长可延长至45 d,新历书模型延长了历书使用期限,优化了北斗历书模型设计。

GPS定向中大地方位角解算问题研究

详细讨论GPS定向中大地方位角计算的三种算法,给出算法的数学模型,推导不同算法的误差公式,并利用实测数据对不同算法进行分析比较,得出利用坐标旋转算法和利用子午面与法截面的关系的算法解算方位角精度较高,且精度相同的结论,同时还给出提高定向精度应注意解决的一些问题。

基于星间链路的BDS导航系统实时星历和钟差分离修正

BDS导航系统授权服务通过提供实时广域差分改正,满足高精度导航用户的导航需求。研究独立时间同步支持下的BDS卫星导航系统的广域差分修正模型与方法,比较了星历和星钟误差的一维(即ICD文件中的等效钟差)和四维差分等两种模式的修正性能,利用DOP值分析了星历改正的误差传播规律。分析表明,一维差分模式的修正精度随轨道误差增加而降低,不适用于在轨卫星故障及GEO卫星轨道机动后轨道快速恢复等情况,并且会降低广域差分系统的可用性;而仅在星地观测条件下,广域差分的三维星历和钟差分离的四维差分模式稳定性较差,区域监测网分布严重限制了星历和钟差误差的分离精度。随着BDS全球系统发展,为满足星座自主导航的需求,系统将提供星间链路观测。通过建立仿真平台,对星间链路支持下的星历和星钟误差分离方法进行研究与分析,结果得出,增加星间链路观测,可以有效地分离星历和星钟误差,将星历误差传播放大因子降低约50%;与一维差分模型相比,将监测站布站稀疏区域内的用户差分改正精度提高约60%。

卫星与测站钟差支持条件下的GEO卫星精密定轨

在基于伪距的GEO卫星精密定轨中,GEO卫星的静地特性导致定轨解算无法对星地组合钟差进行有效估计,需要独立的时间同步支持.本文讨论了卫星和测站钟差支持条件下的GEO卫星定轨原理,利用仿真数据系统地分析了中国区域网跟踪条件下GEO卫星的定轨精度,从定性和定量角度分析了钟差二次项、星地时间同步精度、站间时间同步精度及系统差等因素对定轨精度的影响.

卫星导航系统基本完好性算法及性能分析

卫星导航系统基本完好性监测对象是基本导航电文,其算法模型有两种:一是用户伪距精度(URA)和实时用户距离精度(RURA);二是空间信号精度(SISA)和空间信号监测精度/完好性标示(SISMA/IF)。通过对卫星导航系统基本完好性监测技术进行分析定义,研究了系统基本完好性的两种主流算法。分别在正常情况下、卫星钟差和轨道异常情况下以及传播过程中误差异常情况下,对这两种算法进行了仿真验证和效能分析。

GPS虚拟参考站原理及实测精度验证分析

首先介绍GPS RTK技术的局限性,然后分析基于GPS连续运行参考站网络虚拟参考站的基本原理、数学模型,根据综合误差线性内插原理计算虚拟参考站的综合原始观测数据,求出流动站的定位结果;然后就某市建立的虚拟参考站网络的实测数据进行动态、静态精度分析;最后得出结论:虚拟参考站技术扩大GPS RTK的使用范围,提高动态测量的精度,其开放式的数据服务使VRS技术成为NetWork RTK的主要发展方向之一。

GPS网络RTK中对流层延迟分析

分析了网络RTK中基准站和流动站间气象元素、基线长度、高程差异和模型差异等因素对对流层延迟误差的影响,得出气象元素的大小和基线长度等与单差对流层延迟之间存在线性关系,由基准站和流动站的对流层模型差异造成的差值与高差之间也存在线性关系,且利用网络RTK内插法只可消除其中大部分的误差。这对利用网络RTK算法生成流动站的误差改正数具有重要的参考价值。