基于双频GPS数据的单历元定向算法研究

在普通的基线长辅助LAMBDA搜索算法的基础上,提出了一种组合的模糊度搜索方法,确保了单历元算法的成功率和精度。实测数据的计算结果表明,本文所采用的单历元算法无论在静态还是动态情况下,都可以得到很高的成功率和很好的定向精度,也说明本文的实时单历元定向算法是可靠的,方案是可行的。     

基于北斗三频约束的中长基线解算研究

利用北斗三频模糊度易固定的特点,提出一种具有北斗三频约束的BDS/GPS基础模糊度快速解算方法。针对中长基线,利用多历元平滑无电离层组合模糊度,从无电离层组合模糊度中分离出北斗基础模糊度;然后将北斗基础模糊度带入基线解算模型中,约束求解出GPS基础模糊度,最后将GPS与BDS基础模糊度回带观测方程,可实现基线的快速解算。经北斗实测数据验证表明,文中方法可快速固定GPS基础模糊度,较传统卡尔曼滤波求解模糊度方法,大大减少正确固定模糊度所需的原始观测历元数,实现基线的快速解算。     

Integer least-squares theory for the GNSS compass

Global navigation satellite system (GNSS) carrier phase integer ambiguity resolution is the key to high-precision positioning and attitude determination. In this contribution, we develop new integer least-squares (ILS) theory for the GNSS compass model, together with efficient integer search strategies. It extends current unconstrained ILS theory to the nonlinearly constrained case, an extension that is particularly suited for precise attitude determination. As opposed to current practice, our method does proper justice to the a priori given information. The nonlinear baseline constraint is fully integrated into the ambiguity objective function, thereby receiving a proper weighting in its minimization and providing guidance for the integer search. Different search strategies are developed to compute exact and approximate solutions of the nonlinear constrained ILS problem. Their applicability depends on the strength of the GNSS model and on the length of the baseline. Two of the presented search strategies, a global and a local one, are based on the use of an ellipsoidal search space. This has the advantage that standard methods can be applied. The global ellipsoidal search strategy is applicable to GNSS models of sufficient strength, while the local ellipsoidal search strategy is applicable to models for which the baseline lengths are not too small. We also develop search strategies for the most challenging case, namely when the curvature of the non-ellipsoidal ambiguity search space needs to be taken into account. Two such strategies are presented, an approximate one and a rigorous, somewhat more complex, one. The approximate one is applicable when the fixed baseline variance matrix is close to diagonal. Both methods make use of a search and shrink strategy. The rigorous solution is efficiently obtained by means of a search and shrink strategy that uses non-quadratic, but easy-to-evaluate, bounding functions of the ambiguity objective function. The theory presented is generally valid and it is not restricted to any particular GNSS or combination of GNSSs. Its general applicability also applies to the measurement scenarios (e.g. single-epoch vs. multi-epoch, or single-frequency vs. multi-frequency). In particular it is applicable to the most challenging case of unaided, single frequency, single epoch GNSS attitude determination. The success rate performance of the different methods is also illustrated.     

零基线约束的参考站间模糊度固定方法研究

论文提出一种GNSS零基线约束的参考站间模糊度快速固定方法,该方法基于“一天线+双接收机”设计进行参考站间模糊度固定。首先,利用两个参考站四台接收机观测值形成四对参考站间无电离层组合双差观测值。其次,结合无电离层组合观测值模糊度和宽巷整周模糊度进行卡尔曼滤波和N1模糊度实数解计算。然后在模糊度域内进行线性变换,单历元固定零基线模糊度;利用零基线模糊度约束解算四组参考站间模糊度中的一组模糊度。最后,利用固定的模糊度还原所有原始双差整周模糊度。实验证明:与传统参考站间模糊度固定方法比,充分利用了零基线模糊度固定的约束条件进行参考站间模糊度固定,加快了模糊度收敛速度,极大地提高了模糊度固定的速度和成功率。      

GPS建筑物振动变形监测中的单历元算法研究

充分利用建筑物振动变形监测的特点，提出了一种带变形特征及最大变形量约束条件的单历元算法。实例计算证明，该算法可以极大地缩小单历元模糊度搜索空间，减少候选坐标的计算量，有效地提高解算成功率，而且约束尺度越小成功率与效率越高，尤其是加入以平面或竖直方向变形为主的变形特征约束时，单历元算法的效率越为明显。     

陆地导航中GNSS/陀螺仪组合实时测姿方法

在陆地导航系统中使用GNSS/INS组合导航会增加系统成本,多天线GNSS测姿精度受基线长度影响,且存在的模糊度固定问题。本文提出仅利用一个陀螺仪和单天线GNSS组合来进行实时测姿。先由单天线GNSS计算姿态角3参数,航向角为陆地导航的关键参数,为此将陀螺信息与GNSS导出的航向角进行融合。分析了单天线测姿在载体静止或低速运动时精度很差的原因,提出了在组合滤波中进行解决的方案。推导了GNSS和陀螺信息融合的滤波模型,将陀螺仪信息作为状态模型的控制输入,以GNSS航向为滤波观测值。实验结果表明,GNSS/陀螺仪组合计算的航向角精度和可靠性相对GNSS测姿结果均有很大提升。     

Double-epoch algorithm in rapid positioning using single frequency GPS receivers

A new algorithm, called as Double-Epoch Algorithm (DEA) is proposed in GPS rapid positioning using two epoch single frequency phase data in this paper. Firstly, the structure characteristic of the normal matrix in GPS rapid positioning is analyzed. Then, in the light of the characteristic, based on TIKHONOV regularization theorem, a new regularizer is designed to mitigate the ill-condition of the normal matrix. The accurate float ambiguity solutions and their MSEM (Mean Squared Error Matrix) are obtained, using two epoch single frequency phase data. Combined with LAMBDA method, DEA can fix the integer ambiguities correctly and quickly using MSEM instead of the covariance matrix of the ambiguities. Compared with the traditional methods, DEA can improve the efficiency obviously in rapid positioning. So, the new algorithm has an extensive application outlook in deformation monitoring, pseudokinematic relative positioning and attitude determination, etc.     

Double-epoch algorithm in rapid positioning using single frequency GPS receivers

A new algorithm, called as Double-Epoch Algorithm (DEA) is proposed in GPS rapid positioning using two epoch single frequency phase data in this paper. Firstly, the structure characteristic of the normal matrix in GPS rapid positioning is analyzed. Then, in the light of the characteristic, based on TIK-HONOV regularization theorem, a new regularizer is designed to mitigate the ill-condition of the normal matrix. The accurate float ambiguity solutions and their MSEM (Mean Squared Error Matrix) are obtained, using two epoch single frequency phase data. Combined with LAMBDA method, DEA can fix the integer ambiguities correctly and quickly using MSEM instead of the covariance matrix of the ambiguities. Compared with the traditional methods, DEA can improve the efficiency obviously in rapid positioning. So, the new algorithm has an extensive application outlook in deformation monitoring, pseudokinematic relative positioning and attitude determination, etc.     

一种GPS测定姿态的新方法——具有坐标函数约束的单历元阻尼LAMBDA算法

在作者提出的GPS单历元阻尼LAMBDA算法的基础上,结合固定边长条件,给出了一种GPS姿态定位的新方法。该方法的特点在于:(1)仅利用当前一个历元的GPS观测数据;(2)在单历元法方程中添加阻尼矩阵,克服了LAMBDA方法的局限性,提高了模糊度搜索速度;(3)利用三台接收机的固定边长条件直接平差,可以提高模糊度解算的可靠性和定位精度。     

GPS/BDS/GLONASS双频RTK定位算法研究

针对GLONASS采用频分多址技术导致双差观测方程中双差模糊度失去整周特性的问题,提出了一种基于站间单差模糊度分别求解的方法,并结合附加模糊度参数的卡尔曼滤波模型,实现了GPS/BDS/GLONASS组合RTK定位。通过自编RTK程序对GPS、BDS与GLONASS双频实测短基线数据进行测试,并对比分析其他RTK模式下的稳定性与定位精度。结果表明,GLONASS单频和双频定位的模糊度固定率分别为99.8%、99.7%,其定位精度与BDS、GPS相差不大。在单频或双频RTK定位中,双系统、三系统组合定位的稳定性和定位精度明显高于单系统,其中三系统组合定位的稳定性最好,精度最高。随着频率增加,初始化时间明显减少,为实现单历元获得固定解提供了可能性。     

BDS/GPS组合单历元基线解算方法

阐述了BDS/GPS单历元解算函数模型的相关理论,并进行了相应的公式推导。在此基础上,利用基于正则化的载波相位解算模型,解算宽巷模糊度。首先将BDS卫星宽巷模糊度值作为约束固定出IGSO和MEO卫星的模糊度;然后再将IGSO和MEO卫星模糊度值作为约束来固定GEO卫星模糊度。通过实测数据对该方法进行测试和分析,结果表明:BDS/GPS组合系统单历元宽巷模糊度成功率为100%;基频模糊度成功率90%以上;N、E、U方向定位精度达到了毫米至厘米级。     

一种新的中长基线BDS三频模糊度快速解算方法

虽然TCAR能够实现短基线三频模糊度单历元解算,但由于电离层延迟及观测噪声等的影响,中长基线三频模糊度快速解算仍然是导航定位的一大难点。本文提出了一种新的无几何无电离层三频模糊度解算方法。该方法通过对伪距观测值赋予不同的权重,辅助宽巷及窄巷消除电离层残差的影响,使宽巷及窄巷求解只受观测噪声的影响;然后通过多历元的平滑获取宽巷及窄巷模糊度值。通过实测BDS三频长基线数据表明,相比经典TCAR算法,该方法可大大改善中长基线模糊度的求解精度,经过数据平滑并验证基本可以实现中长基线模糊度的快速解算。     

BDS/GPS单历元短基线动对动定位性能分析

针对在城市峡谷环境下观测卫星较少、观测质量差和周跳频繁,导致动对动定位过程中双差模糊度不连续的问题,提出了一种GPS/BDS组合系统的单历元模糊度解算方法。通过GPS/BDS组合定位提高了卫星的可用数量,利用单历元模糊度固定减弱了周跳频繁带来的影响。实验采用GPS/BDS组合的7组数据,分析了在不同高度角下动对动定位单历元解的模糊度固定率、解算失败率、粗差率和定位精度。结果表明,GPS/BDS组合动对动定位单历元模糊度解算方法,在高遮挡的城市峡谷环境仍然可以取得较好的定位结果。     

一种提高单历元解算大高差短基线精度的方法

单历元基线解算可以避开传统基线解算中周跳探测等复杂的数据预处理过程。但是当两站高差较大时,即使是短基线,通过双差技术也不能充分消除对流层延迟,且残余对流层误差对单历元基线解算的影响较大,定位精度无法达到毫米级水平。针对以上问题,该文提出了采用半参数广义补偿最小二乘对大高差短基线进行单历元解算,削弱残余对流层误差影响的方法。实际算例表明,与常规的最小二乘法相比,该方法能很好地分离GPS残余对流层误差,各方向定位精度能达到毫米级水平。     

GPS/陀螺组合测姿中整周模糊度的快速解算

采用方向余弦矩阵描述姿态,建立GPS/陀螺组合姿态确定系统模型,由矩阵Kalman滤波方法解算整周模糊度的浮点解,然后再利用MCLambda方法得到整周模糊度固定解。仿真实验结果表明,附加方向余弦矩阵约束的Kalman滤波方法可以有效地提高整周模糊度浮点解的精度,使得整周模糊度的固定成功率和效率均得到提高,尤其是在GPS观测条件较差的情况下。     

非线性基线长约束条件线性化近似对模糊度解算影响

GNSS动态相对定位中常附加非线性的基线长约束进行解算, 而LAMBDA方法只能处理无约束或者线性约束的模型, 为了应用LAMBDA方法, 应对非线性约束条件进行线性化近似。通常附加该约束后, 模糊度固定成功率会提高, 但对于超短基线有时反而会降低。何种条件下附加线性化近似的基线长约束条件可以提高模糊度固定成功率尚未有定论。本文基于附加基线长约束的GNSS相对定位数学模型, 推导基线长约束条件线性化近似余项对浮点解的最大影响值公式, 给出基线长约束能否线性化近似的诊断条件。当该条件满足时, 线性化近似余项影响可以忽略, 附加线性化近似的基线长约束可以改善浮点解解算精度, 提高模糊度固定成功率;若不满足, 则线性化近似余项影响可能不可以忽略, 附加约束会因浮点解有偏不能固定为正确的模糊度, 并通过算例验证了相关结论。     

北斗三频中长基线差分定位性能研究

北斗卫星系统(BDS)能全星座播发三频信号,可通过线性组合构成不同虚拟观测量,有利于模糊度解算等,文中采用北斗三频中长基线实测数据进行差分定位,首先使用宽巷模糊度和电离层无关组合进行B3频段窄巷模糊度解算,在此基础上提出利用相邻历元B3频段窄巷模糊度构建卡尔曼滤波新息向量,通过新息向量内积RMS值很容易分析出窄巷模糊度的误差对滤波性能的影响,并结合滤波发散条件进行相关卫星历元挑选,实验最终得到中长基线厘米级定位精度并有效缩短首次收敛时间和提高固定率,对促进北斗高精度定位有着现实意义。      

基于北斗三频的BDS/GPS宽巷模糊度逐级单历元固定方法

利用北斗三频超宽巷模糊度波长较长易于固定的优势,提出一种基于北斗三频的BDS/GPS宽巷模糊度逐级单历元固定方法。首先利用载波和伪距组合固定BDS(0,-1,1)和(1,4,-5)两个超宽巷模糊度,根据固定后的超宽巷模糊度变换得到BDS宽巷模糊度(1,-1,0),然后将BDS宽巷模糊度作为约束条件与GPS宽巷观测方程联立得到GPS宽巷模糊度浮点解和其方差协方差阵,最后采用LAMBDA算法实现GPS宽巷模糊度的固定。实验结果表明,BDS超宽巷组合可实现100%固定,采用BDS约束GPS宽巷模糊度固定时ratio值均大于2,大于5的占97.8%以上,因此文中提出的方法可实现BDS/GPS双系统宽巷模糊度单历元固定,有效提升GNSS模糊度解算的时效性。     

信噪比的GNSS宽巷模糊度单历元固定算法

针对常规GNSS解算模糊度存在的问题,该文提出了一种新的GNSS宽巷模糊度单历元求解算法。利用单历元双频码伪距观测值和载波相位观测值得到双差宽巷模糊度浮点解,将所有浮点宽巷模糊度分别向上、向下取整建立模糊度搜索空间;将模糊度空间中的所有备选组合代入双差宽巷观测方程中进行最小二乘解算,其中单位权中误差最小的组合就是最优的宽巷模糊度组合;然后对最优组合进行正确性检验以确定宽巷模糊度。确定宽巷模糊度后,可以利用宽巷观测值和载波观测值求出基础模糊度整周解。实验表明,该文提出的模糊度固定方法具有较高的成功率和可靠性,静态数据中模糊度固定成功率达到98.84%,动态数据中模糊度固定成功率达到了99.60%。     

自适应抗差Kalman滤波在多天线原始观测值瞬时姿态确定中的应用

由载波相位观测值直接解算姿态能实现观测及姿态约束信息的最优利用。本文推导了基于失准角及乘性误差四元数的载波相位观测模型,分别建立了有外部角速度传感器和无外部传感器辅助下姿态参数估计的状态模型;利用自适应抗差滤波估计姿态误差,借鉴分类自适应因子的思想,分别确定模糊度和姿态误差参数的自适应因子,其中姿态自适应因子由Ratio值构造的三段函数确定。自适应抗差滤波能够充分利用约束信息和历史信息,将其融合在浮点解计算过程中,极大提高模糊度浮点解精度及其协方差的结构,在此基础上使用整数最小二乘模糊度降相关平差法(least-squares ambiguity decorrelation adjustment,LAMBDA)方法即能快速搜索出固定解,满足实时性需求。采用实测舰载GNSS 3天线测姿算例对方法进行了验证,结果表明,基于自适应抗差滤波的观测值直接定姿方法效率高、可靠性好。