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【6h】

BDS/GPS/GLONASS高精度差分定位与RAIM算法研究

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摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文的结构组成

2 全球导航卫星系统及其误差简介

2．1 全球系统

2．2 区域增强系统

2．3 卫星导航定位误差与处理

2．4 本章小节

3 BDS／GPS／GLONASS商精度差分定位与RAIM算法基本方法

3．1 BDS／GPS／GLONASS融合定位时空统一

3．2 BDS、GPS、GLONASS卫星位置计算

3．3 BDS／GPS／GLONASS高精度差分定位原理与数学模型

3．4 BDS／GPS／GLONASS高精度差分定位RAIM算法

3．5 本章小节

4 BDS／GPS／GLONASS高精度差分定位与车载动态RAIM试验分析

4．1 试验区域选取

4．2 试验仪器设备、方案方法

4．3 BDS／GPS／GLONASS CORS网高精度差分定位实验数据分析

4．4 本章小节

5 BDS／GPS／GLONASS高精度差分定位软件设计

5．1 软件需求分析

5．2 软件模块功能

5．3 软件设计流程

5．4 软件操作说明

5．5 本章小节

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

研究生期间主要研究成果

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摘要

中国北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite system，GNSS)的重要组成部分，预计2020年前后完成覆盖全球的目标。自2012年底BDS亚太区域系统正式投入运行以来，在国民经济、国防建设等领域发挥了重大作用，摆脱了对其他GNSS系统的依赖。
　　BDS在完成全球覆盖前，一方面，加强与国际GNSS系统间的兼容和互操作，进一步提高BDS的定位精度，同时加快BDS的迅猛发展和全球建设步伐;另一方面，处于特殊环境下的GNSS单星座系统可见卫星数不足，存在定位精度有限甚至有服务中断的风险;更为重要的是，GNSS单系统稳定性不强、自主安全性差，一旦拒绝提供服务用户则无能为力。而通过GNSS系统融合，能够克服对单一星座的依赖，一旦出现卫星故障或定位误差超限，利用完备性监测(Integrity Monitoring)能够及时向用户发出报警并对粗差信息进行剔除。特别是在动态导航定位中，基于融合系统充足的冗余观测信息，对接收机自主完备性监测（Receiver Autonomous Integrity Monitoring，RAIM）的研究非常有利。所以，对GNSS融合定位及RAIM算法进行研究，能够提高系统的可用性、稳定性、可靠性和安全性，从而为用户提供更好的定位、导航和授时(Positioning，Navigationand Timing，PNT)服务。
　　本文以高精度和完备性为原则，基于完善的CORS基准站数据，对BDS/GPS/GLONASS差分网定位及RAIM算法进行了详细的研究，并通过CORS站实测数据对融合定位性能和车载动态RAIM算法进行了大量试验分析，得到一些有益的结论。本文主要的研究内容和研究成果如下:
　　1.BDS、GPS、GLONASS各系统卫星星座类型和空间布局不尽相同，以及各系统的播发的导航电文信息并不一致，为得到空间卫星位置，通过对各系统详细的研究分析，利用开普勒轨道参数、龙格库塔轨道积分等计算方法，解决了不同星座不同卫星类型空间位置计算的难题，为导航定位提供最基础保障;
　　2.分析了导航定位中涉及的电离层、对流层延迟，卫星钟差，接收机钟差，多路径效应等误差影响及其改正方法，并对差分网定位涉及的误差进行相应的改正，为BDS/GPS/GLONASS高精度定位打下坚实的基础;
　　3.BDS、GPS、GLONASS分别由中国、美国、俄罗斯三个不同国家独立建立，自主控制，各自拥有相对独立的时间和坐标系统。为解决BDS、GPS、GLONASS统一的时空基准，本文通过各时间和坐标系统间的公共变量，建立相应的时间系统转换关系及坐标系统转换参数，实现了三系统时间和坐标系统的统一;
　　4.基于现有各省市建立的完善CORS基准站资源，利用伪距信息，构建多基准站BDS/GPS/GLONASS高精度差分网数学模型。通过合理的选取试验区域，在不影响现有GPS CORS网正常工作的前提下，在四川省、广西壮族自治区建立BDS/GPS/GLONASSCORS试验网，为避免融合系统定位结果的偶然性，分别利用多天多地实测数据重复对融合系统差分网定位性能进行了详细的研究和分析;
　　5.RAIM作为保证GNSS系统可靠性、安全性的有效措施，对导航定位用户，特别是实时动态导航定位用户非常重要。本文通过在四川省、浙江省进行的高速车载动态试验，对BDS/GPS/GLONASS融合系统的RAIM算法进行了详细的分析研究，为导航定位用户的安全性和可靠性提供重要保障。
　　本文通过对在四川省、广西壮族自治区的BDS/GPS/GLONASS CORS站24小时静态数据试验，结果表明，三融合系统可见卫星数平均达到23.5颗，有效改善了空间卫星分布，表征定位精度的DOP值明显下降，其中平面精度因子(HDOP)从单系统的3.0左右下降到1.8左右;融合系统的平面和高程定位精度均达到分米级(dm)，北、东、天各分量定位结果的残差中误差(RMS)分在20dm、15dm、25dm左右，满足导航定位用户利用低成本伪距信息，实现分米级高精度定位的要求。四川省、浙江省BDS/GPS/GLONASS高速车载动态RAIM试验结果表明，加有RAIM和无RAIM的平面定位结果均能达到分米级，但无RAIM算法时，定位结果大于1m的历元数在6％左右;而实时加入RAIM后大于1m的比例仅为0.5％左右，99.5％的分米级导航定位精度为用户的安全性提供充分保障。综合CORS静态和RAIM动态试验可以说明，融合三系统较单系统有效提高了系统的定位精度和系统的可靠性，RAIM算法的加入能够充分保障用户的安全性，有力的说明了在BDS/GPS/GLONASS进行差分网定位的同时加入RAIM算法可以为用户提供低成本、高精度的导航定位信息，保障用户的安全性和可靠性。

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