第二代导航卫星系统多频数据处理理论及应用

第二代导航卫星系统(GNSS2)最突出的特点就是拥有多个频率的观测值。多频的应用将使传统的双频导航定位模式发生深刻的变化:将多频应用于电离层折射误差,可对高阶项进行改正;多频组合观测值比双频组合观测值在波长、电离层折射误差等方面表现出更多的优势;多频观测值应用在模糊度的求解上,可以利用不同组合波长与观测误差之间的关系进行快速的固定。本文正是围绕着这些问题对多频数据处理进行了深入地研究。其主要内容有以下几点: 1 大气折射误差各种传统改正模型间的比较 分别对Marini、Chao、CFA、Mit、Mtt、Hopfield等对流层折射误差改正模型进行了比较,分析了在不同高度角及不同高程情况下各种模型间的差异。结果表明不同测站间的差异大小与测站间高差有关,且不同模型的差异随高度角的升高而变小。对于电离层折射误差,采用Klobuchar模型进行了不同高度角情况下的单频改正分析,结果表明测站间电离层折射改正的差异主要与测站到卫星的高度角有关,或者说与卫星到测站的几何图形有关。 2 电离层折射误差高阶项的改正 电离层折射误差是影响导航卫星定位的主要误差之一。本文研究了电离层对观测信号的主要影响及电离层折射误差模型,在总结电离层双频改正模型的基础上系统地推导了多个频率的电离层改正模型及相位观测值无电离层组合模型。这些模型将电离层折射误差改正至二阶项,可进一步提高导航定位的精度。通过实例计算,该模型可使改正后的电离层折射误差在电子密度较大(TEC=4.55e18)的情况下降到5mm(双频改正只能降到5.7cm),在一般(TEC=1.38e18)情况下降到亚mm级(双频改正为1.8cm),这也说明了在高精度定位中对电离层折射误差高阶项改正的必要性。 3 研究了多频数据的各种组合模式,分析了多频组合的各种特性 在载波观测方程中通常通过载波之间的相关性进行线性组合来有效消除各种测量误差,从而提高解算整周模糊度的成功率,以达到高精度定位的目的。本文在多频相位组合定义的基础上,对组合后的误差影响进行了详细的分析;针对误差特性给出了组合观测值在波长、电离层误差等方面的选取标准,并列出了一系列典型的组合,为利用多频求解模糊度奠定了理论基础。 4 从理论上研究了组合观测值的定位精度,推导了具体的数学模型 从单独利用一组组合观测值进行导航定位的角度出发,对组合观测值的定位精度进行了理论上的分析。从多频相位组合观测方程的方差-协方差出发,通过误差传播规律逐一推导了各误差项方差的表达式,并在此基础上分析了其变化规律及对定位精度的影响;为了提高单一组合进行定位的精度,提出了最优相位组合的标准,并对该组合进行了求解与验证。