BDS-GPS-GLONASS高精度差分定位與RAIM算法研究.pdf

1、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite system，GNSS)的重要組成部分，預(yù)計(jì)2020年前后完成覆蓋全球的目標(biāo)。自2012年底BDS亞太區(qū)域系統(tǒng)正式投入運(yùn)行以來(lái)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，擺脫了對(duì)其他GNSS系統(tǒng)的依賴。
　　BDS在完成全球覆蓋前，一方面，加強(qiáng)與國(guó)際GNSS

2、系統(tǒng)間的兼容和互操作，進(jìn)一步提高BDS的定位精度，同時(shí)加快BDS的迅猛發(fā)展和全球建設(shè)步伐;另一方面，處于特殊環(huán)境下的GNSS單星座系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)不足，存在定位精度有限甚至有服務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn);更為重要的是，GNSS單系統(tǒng)穩(wěn)定性不強(qiáng)、自主安全性差，一旦拒絕提供服務(wù)用戶則無(wú)能為力。而通過(guò)GNSS系統(tǒng)融合，能夠克服對(duì)單一星座的依賴，一旦出現(xiàn)衛(wèi)星故障或定位誤差超限，利用完備性監(jiān)測(cè)(Integrity Monitoring)能夠及時(shí)向用戶發(fā)出報(bào)警并對(duì)

3、粗差信息進(jìn)行剔除。特別是在動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位中，基于融合系統(tǒng)充足的冗余觀測(cè)信息，對(duì)接收機(jī)自主完備性監(jiān)測(cè)（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM）的研究非常有利。所以，對(duì)GNSS融合定位及RAIM算法進(jìn)行研究，能夠提高系統(tǒng)的可用性、穩(wěn)定性、可靠性和安全性，從而為用戶提供更好的定位、導(dǎo)航和授時(shí)(Positioning，Navigationand Timing，PNT)服務(wù)。
　　本文以高精

4、度和完備性為原則，基于完善的CORS基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，對(duì)BDS/GPS/GLONASS差分網(wǎng)定位及RAIM算法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并通過(guò)CORS站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)融合定位性能和車(chē)載動(dòng)態(tài)RAIM算法進(jìn)行了大量試驗(yàn)分析，得到一些有益的結(jié)論。本文主要的研究?jī)?nèi)容和研究成果如下:
　　1.BDS、GPS、GLONASS各系統(tǒng)衛(wèi)星星座類型和空間布局不盡相同，以及各系統(tǒng)的播發(fā)的導(dǎo)航電文信息并不一致，為得到空間衛(wèi)星位置，通過(guò)對(duì)各系統(tǒng)詳細(xì)的研究分析，利用開(kāi)普勒軌

5、道參數(shù)、龍格庫(kù)塔軌道積分等計(jì)算方法，解決了不同星座不同衛(wèi)星類型空間位置計(jì)算的難題，為導(dǎo)航定位提供最基礎(chǔ)保障;
　　2.分析了導(dǎo)航定位中涉及的電離層、對(duì)流層延遲，衛(wèi)星鐘差，接收機(jī)鐘差，多路徑效應(yīng)等誤差影響及其改正方法，并對(duì)差分網(wǎng)定位涉及的誤差進(jìn)行相應(yīng)的改正，為BDS/GPS/GLONASS高精度定位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);
　　3.BDS、GPS、GLONASS分別由中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯三個(gè)不同國(guó)家獨(dú)立建立，自主控制，各自擁有相對(duì)獨(dú)立的

6、時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)。為解決BDS、GPS、GLONASS統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)，本文通過(guò)各時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)間的公共變量，建立相應(yīng)的時(shí)間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了三系統(tǒng)時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一;
　　4.基于現(xiàn)有各省市建立的完善CORS基準(zhǔn)站資源，利用偽距信息，構(gòu)建多基準(zhǔn)站BDS/GPS/GLONASS高精度差分網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)合理的選取試驗(yàn)區(qū)域，在不影響現(xiàn)有GPS CORS網(wǎng)正常工作的前提下，在四川省、廣西壯族自治區(qū)建立BDS/GPS/

7、GLONASSCORS試驗(yàn)網(wǎng)，為避免融合系統(tǒng)定位結(jié)果的偶然性，分別利用多天多地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重復(fù)對(duì)融合系統(tǒng)差分網(wǎng)定位性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析;
　　5.RAIM作為保證GNSS系統(tǒng)可靠性、安全性的有效措施，對(duì)導(dǎo)航定位用戶，特別是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)導(dǎo)航定位用戶非常重要。本文通過(guò)在四川省、浙江省進(jìn)行的高速車(chē)載動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，對(duì)BDS/GPS/GLONASS融合系統(tǒng)的RAIM算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，為導(dǎo)航定位用戶的安全性和可靠性提供重要保障。
　　

8、本文通過(guò)對(duì)在四川省、廣西壯族自治區(qū)的BDS/GPS/GLONASS CORS站24小時(shí)靜態(tài)數(shù)據(jù)試驗(yàn)，結(jié)果表明，三融合系統(tǒng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)平均達(dá)到23.5顆，有效改善了空間衛(wèi)星分布，表征定位精度的DOP值明顯下降，其中平面精度因子(HDOP)從單系統(tǒng)的3.0左右下降到1.8左右;融合系統(tǒng)的平面和高程定位精度均達(dá)到分米級(jí)(dm)，北、東、天各分量定位結(jié)果的殘差中誤差(RMS)分在20dm、15dm、25dm左右，滿足導(dǎo)航定位用戶利用低成本偽距信息

9、，實(shí)現(xiàn)分米級(jí)高精度定位的要求。四川省、浙江省BDS/GPS/GLONASS高速車(chē)載動(dòng)態(tài)RAIM試驗(yàn)結(jié)果表明，加有RAIM和無(wú)RAIM的平面定位結(jié)果均能達(dá)到分米級(jí)，但無(wú)RAIM算法時(shí)，定位結(jié)果大于1m的歷元數(shù)在6％左右;而實(shí)時(shí)加入RAIM后大于1m的比例僅為0.5％左右，99.5％的分米級(jí)導(dǎo)航定位精度為用戶的安全性提供充分保障。綜合CORS靜態(tài)和RAIM動(dòng)態(tài)試驗(yàn)可以說(shuō)明，融合三系統(tǒng)較單系統(tǒng)有效提高了系統(tǒng)的定位精度和系統(tǒng)的可靠性，RAIM算