GNSS系统间偏差及其在多系统融合伪距定位中的应用文献综述

 2022-09-26 05:09

文献综述(或调研报告):

全球导航卫星系统(GNSS)定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来定位接收机的位置,同时还必须知道用户钟差。随着全球定位系统技术(GNSS)的发展,特别是我国的北斗卫星导航系统(BDS)正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务,多系统GNSS融合应用将成为GNSS 导航定位的主要发展趋势之一。由于不同系统中存在钟差,传统的差分全球卫星导航系统模式应该设置单独的时钟参数[1]。注意到系统间偏差(ISB)可以最大限度地利用定位模式中的冗余参数,从而改善GNSS定位表现[2]。

在GNSS相对定位中每个系统都有一个基点卫星,在GNSS单点定位中每个系统都有一个接收机钟参数。为了研究多系统的互相协作性,必须考虑系统间偏差。系统间偏差(Inter-System Bias, ISB)的概念是由Montenbruck等提出的,并利用零基线研究了GPS/Galileo双差伪距ISB的特点[3];Jacek等人研究利用GPS/Galileo共有频段的ISB[4],分析了多模组合相对定位模糊度固定的成功率及基线解精度;Cai分析了在不同可见卫星数下,引入ISB后多模组合伪距单点定位的定位效果[5]。这些现有的研究结果表明,ISB的引入对于较为恶劣的观测环境下的导航定位,多模组合可以显著提高卫星导航定位的可用性及精度。

ISB是指不同卫星导航系统间的偏差,其构成与所选取的观测模型密切相关,在非差模式下,ISB包含不同卫星导航系统的时间偏差、接收机端的硬件延迟偏差等。对于伪距单点定位模式,由于其受轨道、钟差、电离层等误差影响较大[6],ISB随时间变化较大,一般需实时更新。对于双差模式,由于卫星端和接收机端的误差大多数已被消除,则双差ISB较为稳定,其受外界环境影响较小,在一段时间内一般认为是接收机端的各频点的硬件延迟稳定的便于作为先验值引入。ISB的引入可以减少多模定位未知参数,增加观测方程的冗余信息,提高定位模型解的稳定性。

由于不同类型的接收机的硬件延迟不同,为了分析GLONASS、BDS、GALILEO相对于GPS系统的双差伪距ISB,需分别对相同类型接收机及不同类型接收机间的实验数据估算双差伪距ISB。对相同接收机Trimble R10而言,不同的基线同一系统的ISB差异较小,GPS-BDS、GPS-GLO的ISB均在plusmn;0.5m范围内。GAL-GPS的双差ISB较小,均值几乎为0,说明接收机类型相同时,若两系统有共同的频率,其双差伪距ISB可忽略。当接收机类型不同时,同一频点接收机硬件延迟有所差异,因此不同类型接收机差分ISB也更复杂,即不同接收机类型ISB的差异较大,经试验可得:E类型的BDS的ISB 10天的平均值为9.85m,而A类型的BDS的ISB为1.44m;除了D类型的接收机其他类型的接收机ISB的稳定性较好,标准差不超过2cm;其中D类型的ISB的稳定性最差,但其标准差也较小,不超过0.1m,其主要原因可能是D类型接收机的BDS伪距多路径较大。

多系统GNSS融合定位相比单系统在可用性、可靠性、精度等方面具有明显的优势[7]。多系统组合可以减小单系统的系统误差,增加可视卫星数目,有助于改善卫星系统的几何分布结构,和系统间偏差意义,其不仅提高了系统的精度及稳定性,而且能够提升城市和山区等遮挡严重的复杂环境的连续定位性能。

多GNSS系统融合进行伪距单点定位,首先用将时间基准与坐标基准相统一,如北斗卫星导航系统采用北斗时间系统(BDT),GPS导航系统采用GPS时,北斗卫星导航系统与GPS组合定位时,要统一时间基准到GPST。此外,北斗卫星导航系统采用2000中国大地坐标系,GPS采用的是WGS-84坐标系,其坐标系差异在厘米级,对精度要求不高的用户而言,不需要进行坐标转换。但对于高精度用户,则必须考虑两者的转换关系[8]

导航定位是以卫星为已知的基准点,通过测量站星间的距离,结算用户的位置。因此,用户接收机在获得导航电文中的轨道参数后,就要首先计算卫星的位置和速度。首先按“二体问题”公式计算轨道参数;然后,根据导航电文给出的轨道摄动参数,进行摄动修正,计算修正后的轨道参数;继而计算卫星在轨道坐标系的坐标;最后,仅顾及地球自转的影响,将轨道坐标系转换为WGS-84坐标系。

不同类型的导航信号在卫星和接收机不同通道产生的时间延迟(或硬件延迟)并不完全一致,由此产生的两类导航信号之间的时延差异称为差分码偏差(DCB)[9]。其中,同一频率不同类型测距信号之间的DCB称为频内偏差,不同频率不同类型测距信号之间的DCB称为频间偏差。卫星和接收机DCB是GNSS电离层总电子含量计算必须扣除的误差。同时,由于GNSS卫星钟差参数基准通常定义在某一个指定观测量或某两个频率的消电离层组合观测量上,使用不同于钟差参数基准的观测量时,需引入DCB参数进行卫星硬件时延偏差改正[10]。最后,根据伪距法绝对定位原理,考虑电离层、对流层、DCB等因素的影响,在某时刻观测多个数量的卫星,采用间接平差法计算接收机的位置坐标的最或然值。

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