北斗三频差分定位关键算法研究与实现北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星导航系统,不同于美国的GPS 系统和俄罗斯的GLONASS系统,北斗系统还是全球首个具备全星座播发三种频率卫星导航信号能力的卫星导航系统。

多频观测值是未来全球卫星导航系统发展的趋势,多频观测值的出现不仅极大地增加了多余观测值,提高了卫星定位系统的稳定性和可靠性,同时更意味着可以形成更多性质优良的组合观测值,这些组合观测值一般都具有较长的波长,同时其电离层延迟及组合噪声较小,利用这些组合观测值可以显著提高导航定位的精度。

鉴于多频观测值的诸多优势,开展对北斗三频组合定位算法的研究有着十分重要的现实意义。

本文重点研究了北斗三频观测值组合理论、基于三频观测值的三频周跳探测算法和三频模糊度解算算法以及基于奇异谱分析法的北斗恒星日滤波算法,主要研究工作如下:(1)从北斗系统观测方程出发,推导了三频组合观测值的观测方程及其各项误差的表达式,并分析了各项误差之间的关系,最后以波长、电离层延迟以及观测噪声为标准选取了最优整系数线性组合,结果表明:满足较长波长并且电离层延迟和观测噪声较小的组合观测值其系数之和等于零;(2)研究了两种基于三频观测值的周跳探测与修复方法:伪距相位组合法和无几何相位组合法。

介绍了两种方法的周跳探测原理,然后分析了两种周跳探测方法各自存在的局限性,并针对伪距相位组合法探测周跳时容易受到电离层延迟影响的不足,提出了一种新的顾及伪距组合系数的弱电离层周跳探测方法。

首先在构造周跳检测量时通过设定伪距相位组合的电离层延迟系数阈值并以周跳估值的标准差最小为原则搜索得到具有最小电离层延迟系数的伪距相位组合系数,筛选出的伪距相
位组合电离层延迟影响不大于0.06周,然后采用2个上述伪距相位组合和1个无几何相位组合进行联合周跳探测。

最后利用不同采样率的北斗三频观测数据进行验证,结果表明:本文提出的周跳探测方法受电离层延迟影响较小且不存在不敏感周跳组合,能准确探测各种周跳组合。

(3)研究了单历元模糊度解算TCAR算法,介绍了其分步解算模糊度的步骤,并用一组实测数据检验了其在中长基线情况下的解算效果。

然后介绍了削弱电离层延迟影响的优化TCAR算法,在此基础上给出了一种考虑北斗系统三频伪距噪声水平的改进方法,考虑北斗系统三频伪距噪声水平的不同对线性组合的系数进行优化,降低了线性组合的观测噪声,最后用一组长为43km的北斗基线数据进行了验证,结果表明:改进后的优化TCAR算法模糊度解算成功率有了明显的提高;(4)研究了基于奇异谱分析的北斗恒星日滤波算法,采用相空间重构Cao算法来确定奇异谱嵌入维度,并针对Cao算法的不足提出改进,提高了SSA算法的准确性和计算效率。

分析了北斗系统不同星座卫星的轨道重复周期特性,通过计算确定了北斗系统多路径误差的周期约为86160s。

利用奇异谱分析法和传统小波分析方法对北斗短基线解算结果进行恒星日滤波处理。

结果表明,本文提出的奇异谱分析法多路径滤波效果优于小波滤波法,能较好的消除原始坐标序列中的多路径误差。