北斗PPP模糊度固定方法与试验分析.docx

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北斗ＰＰＰ模糊度固定方法与试验分析

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摘要：由于北斗地球静止轨道卫星轨道精度较低且其观测值受多路径误差和伪距偏差影响严重，目前各分析中心尚未针对北斗ＧＥＯ卫星提供长期稳定的相位小数偏差产品，北斗精密单点定位模糊度固定技术研究主要针对倾斜轨道和中地球轨道卫星。本文采用Ｗａｎｎｉｎｇｅｒ和Ｂｅｅｒ的高度角模型消除了ＩＧＳＯ／ＭＥＯ观测值伪距偏差，并通过小波变换提取低频分量修正伪距观测值的方法削弱了ＧＥＯ卫星多路径和伪距偏差的影响。由于窄巷ＵＰＤ估值受未模型化误差影响较大，本文改进了窄巷ＵＰＤ估计的策略，该策略利用上一历元成功估计的窄巷ＵＰＤ对当前历元的浮点模糊度进行改正，剔除了残差较大的浮点模糊度，修正固定错误的整周模糊度，从而提高了窄巷ＵＰＤ的精度和稳定性。利用估计得到的ＵＰＤ产品，本文实现了联合ＧＥＯ、ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的北斗非差ＰＰＰ模糊度固定，并对其定位性能进行分析。结果表明：联合ＧＥＯ、ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的ＰＰＰ固定解的首次固定时间和收敛时间均可以缩短到３０ｍｉｎ以内；６后的Ｅ、Ｎ、Ｕ方向的定位误差由（１．３５、０．３５、２．７５）ｃｍ减少到（１．０７、０．２６、２．２４）ｃｍ，分别减少了２０％、２７％和１８％。

关键词：北斗卫星导航定位系统；精密单点定位；模糊度固定；相位小数偏差；北斗伪距偏差

引言

ＧＰＳ精密单点定位（ｐｒｅｃｉｓｅｐｏｉｎｔｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ，ＰＰＰ）模糊度固定技术缩短了传统ＰＰＰ的收敛时间，提高了ＰＰＰ的定位精度，已成为精密定位领域的研究热点。中国的北斗卫星导航定位系统是中国独立发展、自主建设的卫星导航定位系统，截至２０１７年６月，共有５颗地球静止轨道卫星，６颗倾斜轨道和３颗中地球轨道卫星在轨正常运行，为亚太区域的用户提供连续稳定的导航定位服务。将ＰＰＰ模糊度固定技术引入北斗卫星导航定位系统，实现单北斗系统的ＰＰＰ模糊度固定，对提高北斗系统导航定位精度和应用性能有着重要意义。与ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ等系统不同，北斗卫星伪距观测值中存在显著的系统偏差，该伪距偏差与卫星高度角和信号频率相关，最大可以达到１ｍ，对北斗卫星相位小数偏差的估计和模糊度固定有重大的影响。文献采用Ｗａｎｎｉｎｇｅｒ和Ｂｅｅｒ的高度角模型消除了ＩＧＳＯ／ＭＥＯ观测值伪距偏差后，估计得到稳定的ＩＧＳＯ／ＭＥＯ卫星的ＵＰＤ产品，从而实现了北斗ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的模糊度固定，有效地缩短ＧＰＳ／ＢＤＳ双系统ＰＰＰ固定解的收敛时间，提高定位精度。文献研究发现ＧＥＯ卫星伪距偏差和轨道误差在小区域内具有一致性，因此可以被吸收到卫星ＵＰＤ中，利用区域网的数据可以有效地估计北斗ＧＥＯ卫星的ＵＰＤ，并应用于区域网测站的ＧＰＳ／ＢＤＳ模糊度固定。然而在全球范围内，ＧＥＯ卫星的伪距偏差和轨道误差无法被卫星ＵＰＤ吸收，参考站之间ＵＰＤ估值的互差较大造成ＧＥＯ卫星的ＵＰＤ难以正确估计，ＧＥＯ卫星的模糊度难以正确固定。因此国内外大部分研究主要针对北斗ＩＧＳＯ／ＭＥＯ卫星模糊度固定，北斗ＧＥＯ卫星的ＵＰＤ估计和模糊度固定技术仍局限于区域网，对于利用全球网测站进行北斗ＧＥＯ卫星的ＵＰＤ估计问题，以及联合ＧＥＯ、ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的单北斗系统的ＰＰＰ固定解的性能评估，国内外尚无相关的系统研究与分析。

本文针对ＧＥＯ卫星的伪距偏差问题，利用小波变换的方法削弱伪距偏差和多路径误

差的影响。基于窄巷ＵＰＤ短时间内的稳定特性，本文改进了窄巷ＵＰＤ估计的策略，利用上一历元成功估计的窄巷ＵＰＤ对当前历元的浮点模糊度进行改正，然后剔除精度较差的模糊度信息，修正固定错误的整周模糊度，从而提高了窄巷ＵＰＤ的精度和稳定性。利用全球６２个测站１５ｄ的观测数据进行北斗ＧＥＯ、ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星的ＵＰＤ产品估计，分析比较了伪距偏差改正前后的宽巷窄巷ＵＰＤ估计结果；最后对北斗ＧＥＯ、ＩＧＳＯ和ＭＥＯ卫星进行非差模糊度固定，并通过首次固定时间、收敛时间和定位误差对其定位性能进行评估。

１北斗卫星ＵＰＤ估计策略和模糊度固定算法

北斗卫星的ＵＰＤ产品分为宽巷ＵＰＤ和窄巷ＵＰＤ两种类型，其中宽巷ＵＰＤ由于具备较高的时间稳定性，一天通常只估计一个值，由于窄巷ＵＰＤ稳定性较低，本文对窄巷ＵＰＤ采用逐历元估计方法。在估计宽巷ＵＰＤ过程中，宽巷模糊度通过ＭＷ组合计算得到，如式１所示：

式中，-Ｎｒ，ｗ和Ｎｒ，ｗ分别为北斗卫星宽巷浮点模糊度和整周模糊度；ｆ１和ｆ２，λ１和λ２分别对应北斗Ｂ１和Ｂ２信号的频率和波长；λｗ为宽巷波长；Ｐ和Ｌ为伪距和相位观测值；ｄｒ，ｗ与ｄｓｗ对应于接收机端和卫星端宽巷ＵＰＤ；Ｂ

ｓｗ则为北斗卫星端