内容简介
结合当前多频GNSS发展趋势，《多模多频GNSS精密单点定位理论与方法》主要对多频精密单点定位中的若干关键技术进行介绍，包括GNSS时空基准、PPP基本模型与误差处理，重点围绕PPP钟差估计、相位偏差估计、模糊度解算策略，以及区域参考站与低轨卫星增强的快速PPP等方面进行介绍。相关模型和算法优化创新，提高了PPP定位性能。
目录
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前言
第1章绪论1
1.1背景介绍1
1.2国内外现状2
1.2.1精密轨道和钟差产品2
1.2.2多模多频PPP函数模型4
1.2.3多模多频模糊度固定方法5
1.2.4多模多频PPP偏差估计7
1.2.5LEO增强的GNSS精密定位8
参考文献10
第2章GNSS时空基准17
2.1时间基准17
2.1.1常用时间系统17
2.1.2GNSS时间系统19
2.2空间基准20
2.2.1常用坐标系统21
2.2.2GNSS坐标系统与转换25
参考文献27
第3章精密单点定位模型与方法29
3.1GNSS精密单点定位函数模型29
3.1.1传统双频无电离层组合模型30
3.1.2统一多频无电离层组合模型32
3.1.3多个双频无电离层组合模型34
3.1.4基于原始观测值的非组合模型35
3.1.5多系统组合PPP模型37
3.2GNSS精密单点定位随机模型39
3.3参数估计策略40
3.3.1*小二乘估计40
3.3.2卡尔曼滤波估计41
3.3.3抗差卡尔曼滤波44
参考文献44
第4章精密单点定位系统误差处理46
4.1与卫星有关的误差46
4.1.1星历误差46
4.1.2相对论效应48
4.1.3卫星差分码偏差48
4.1.4频间钟差53
4.1.5BDS-2星端伪距偏差53
4.1.6GLONASS伪距IFB54
4.1.7卫星端天线改正54
4.1.8卫星姿态建模55
4.2与信号传播有关的误差63
4.2.1对流层延迟63
4.2.2电离层延迟64
4.2.3地球自转改正64
4.2.4多路径效应65
4.3与接收机有关的误差65
4.3.1接收机钟差65
4.3.2地球潮汐改正67
4.3.3接收机端天线改正68
参考文献68
第5章精密单点定位钟差估计方法72
5.1精密卫星钟差估计模型72
5.1.1基于非差模型的精密卫星钟差估计72
5.1.2基于星间单差模型的精密卫星钟差估计73
5.1.3基于组合差分模型的精密卫星钟差估计74
5.1.4卫星钟差估计实验分析75
5.2基于广播星历的实时轨道钟差综合补偿方法86
5.2.1单站综合误差计算方法86
5.2.2多站综合误差加权87
5.2.3综合误差提取与验证分析88
5.3多频钟差频间偏差(IFCB)估计102
5.3.1IFCB估计方法103
5.3.2IFCB建模方法104
5.3.3IFCB实验分析105
参考文献116
第6章多频精密单点定位小数偏差改正117
6.1FCB估计基本模型117
6.2双频无电离层模型FCB估计118
6.3双频/多频非组合模型FCB估计120
6.4不同FCB之间的转换关系122
6.4.1双频无电离层与非组合模型FCB转换123
6.4.2多频MW组合与非组合模型FCB转换125
6.5多频FCB实验分析126
6.5.1多频FCB单天稳定性128
6.5.2多频FCB验后残差分布133
6.5.3双频无电离层与非组合FCB一致性分析134
参考文献137
第7章多频精密单点定位模糊度固定138
7.1多频非组合PPP模糊度固定138
7.1.1整体固定策略139
7.1.2分步固定策略139
7.1.3两种固定策略的比较141
7.1.4固定解参数更新方法142
7.1.5多频非组合PPP固定解实验分析142
7.2多频弱电离层组合PPP模糊度固定153
7.2.1多频观测值组合153
7.2.2多频弱电离层(IR)PPP定位模型154
7.2.3基于多频IRPPP的宽巷解实验分析155
7.2.4基于多频IRPPP的窄巷解实验分析160
参考文献164
第8章区域参考站增强的精密单点定位166
8.1基准站大气信息提取方法166
8.1.1基准站大气延迟提取166
8.1.2基准站间大气延迟互检166
8.2用户站增强信息生成方法167
8.2.1线性组合模型168
8.2.2线性内插模型168
8.2.3基于距离的线性内插模型169
8.2.4低阶*面拟合模型169
8.3大气增强信息约束方法170
8.3.1常数约束法171
8.3.2时空约束法171
8.3.3逐步松弛约束法172
8.3.4误差函数法172
8.4区域参考站增强的PPP实验分析172
8.4.130s采样率数据实验分析172
8.4.21s采样率数据实验分析181参考文献186
第9章低轨卫星增强的精密单点定位188
9.1仿真数据生成方法188
9.2纯仿真LEO/GNSS数据实验分析189
9.2.1PPP浮点解结果191
9.2.2PPP固定解结果194
9.2.3定位精度对比196
9.3仿真LEO+实测GNSS数据实验分析198
9.4LEO与精密大气联合增强的PPP201
9.4.1LEO/GNSS增强信息精度评估201
9.4.2LEO与大气联合增强的PPP定位性能评估202
参考文献205
试读
第1章 绪论
1.1 背景介绍
全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System，GNSS)凭借其全天候工作、全球覆盖率高、定位精度高以及实时高效性等诸多优势，成为人们获取精准时空信息的主要手段之一，被广泛应用于导航定位、变形监测、精密授时、精密定轨等诸多领域。作为国家的重大基础设施，也是国家定位导航授时 (Positioning Navigation and Timing，PNT)体系中极为重要的一环。目前，国际公认的四大 GNSS系统包括美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、欧盟的 Galileo以及我国自主研发的北斗卫星导航系统 (BDS)[1-3]。近年来，随着 GPS的现代化、 GLONASS和 Galileo系统的不断完善以及我国 BDS-3系统的全球组网，新一代的导航卫星能够在三个乃至更多的频点播发导航信号，GNSS正式进入了多模多频兼容互操作的时代[4]。多系统多频观测信息为卫星定位精度、可靠性等性能的提升提供了新的技术条件，进一步激发了卫星定位新理论、新方法研究的热潮。
实时动态定位 (Real-Time Kinematic，RTK)和精密单点定位 (Precise Point Positioning，PPP)技术是 GNSS高精度定位的代表性技术[5-7]。其中，RTK是一种基于载波差分的相对定位技术，经历了由单站 RTK向网络 RTK技术的转变，通过密集的参考站对区域大气延迟进行高精度建模，可为用户提供实时厘米级的定位，该项技术较为成熟，已在国内各大省市实现工程化推广应用[8，9]。不过，由于其建设成本高以及数据处理中心的运算负荷限制，难以实现广域的高精度定位。相比之下，PPP技术通过精确考虑各种误差改正，基于单台接收机即可在全球范围内实现绝对高精度定位，具有定位灵活、便捷性高的优点。不过，其往往受限于外部的精密轨道和钟差产品，且模型待估参数较多且相关性强，通常需要较长的时间才能达到厘米级的精度，同时，由于存在小数周偏差 (Fractional Cycle Bias，FCB)的影响，常规的PPP数据处理仅能得到浮点解，定位的可靠性较低，即便在对 FCB改正的基础上，可靠的模糊度固定也需要相当的初始化时间。随着自动驾驶等新型位置服务行业的兴起，除了定位精度以外，用户更加注重定位的实时性、连续性和可靠性，尤其是在城市峡谷等复杂应用场景下，受限于GNSS信号自身的脆弱性，一旦发生周跳或信号失锁，PPP将面临着重收敛或重初始化的问题，这些难点也成为PPP规模化推广应用的瓶颈。
随着多模多频逐步成为GNSS领域新的发展趋势，相比于单系统，多模 GNSS意味着更多的可视卫星数与更优的几何分布，多频信息意味着更多特性优良的观测值组合，这些都可以加强 PPP的模型强度，一定程度上缩短其收敛和初始化时间，提高定位的连续性和可靠性，但距离实时应用还有一定差距。为了实现PPP模糊度的准实时固定，通常需要引入额外的增强信息，其中较常用的为区域参考站生成的高精度大气信息，通过附加约束或直接改正的方式，减弱模型待估参数之间的相关性，实现模糊度的瞬时固定。除此之外，随着 SpaceX Starlink、“鸿雁”等低轨(Low Earth Orbit，LEO)星座的相继提出与建设，传统的地基增强 GNSS高精度定位将面临新的挑战，相比于 GNSS中高轨道卫星，LEO卫星具有几何图形变化快的优势，理论上可进一步缩短 PPP的初始化时间，通过LEO增强GNSS实现高中低轨优势互补，形成星地联合增强的新一代 PNT体系，对增强GNSS的精度、完好性、连续性和可用性具有重要意义。
1.2国内外现状
PPP技术自1997年提出发展至今，经历了由单系统单/双频向多模多频的发展，致力于实现快速可靠的PPP，国内外相关研究机构和人员在多系统精密产品生成、多模多频解算模型、偏差估计与模糊度解算等方面均作了较为丰富的研究，同时随着LEO星座的建设发展，LEO增强的快速PPP也是目前的研究热点，为此，下面将对相关研究内容进行阐述与总结。
1.2.1精密轨道和钟差产品
实时精密轨道和钟差产品是PPP高精度定位的先决条件，其连续稳定性将极大地影响 PPP的定位性能。传统的 PPP通常采用国际 GNSS服务(International GNSS Service，IGS)各分析中心提供的昀终产品，其标称的轨道精度通常优于2.5cm，钟差精度优于 75ps，不过，其存在数十天的滞后性，无法应用于实时 PPP。为了解决精密产品的时延问题，推广 PPP的实时应用，IGS早在 2001年就成立了实时产品相关的工作小组 (Real-Time Working Group，RTWG)，并于 2013年正式启动实时试验计划 (Real-Time Pilot Project，RTPP)，在这之前，所谓的实时 PPP主要是基于 IGS超快速预报星历 (IGS Ultra-Rapid Products，IGU)进行，不过，由于 IGU星历的钟差产品精度较差，实际使用中，往往还需要配合区域的参考站进行自主钟差估计，因此并非严格意义的实时 PPP[10，11]。随着 RTPP的正式运行，基于广播星历状态空间表示 (State Space Representation，SSR)改正数的实时 PPP逐渐成为主流。王胜利等对 IGS实时数据流的精度进行评估，表明实时轨道精度优于 5cm，钟差精度
