摘要
全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)是一项重要的空间基础设施，能为全球范围内的用户提供全天时、全天候的定位、导航、与授时服务，已被广泛应用于国防军事、经济社会建设和科学研究等。近年来，随着BDS和Galileo系统的逐渐完善、GPS和GLONASS系统的现代化，GNSS导航定位已然进入多频多系统时代。同时，以自动驾驶为代表的新兴行业的快速发展，低成本大众GNSS用户的高精度定位需求愈发强烈，为GNSS的蓬勃发展带来了新的机遇和挑战。 针对新兴行业大众用户对低成本GNSS高精度导航定位的现实需求，本文面向大众用户低成本GNSS终端，基于区域网增强的非差非组合精密单点定位(PPP-RTK)数据处理理论，围绕PPP-RTK与网络RTK(NRTK)一体化服务方法、单频单站用户模糊度快速解算与数据质量控制及低成本、芯片级GNSS数据电离层建模开展研究，主要研究与创新如下: 1.提出了一种基于广播星历的区域网PPP-RTK多级增强定位与NRTK一体化服务方法。针对PPP-RTK高精度定位技术从理论走向实际应用服务问题，基于广播星历的区域网非差非组合PPP-RTK服务端同步估计的高精度状态域产品，通过不同类型精密产品的组合，构建了一套区域网非差非组合PPP-RTK多级增强定位与后向兼容传统NRTK的一体化快速高精度定位服务方法，摆脱了对精密星历的依赖，增强了定位服务的稳定性和可靠性，实现了从亚米级到厘米级的多级增强定位。状态域产品向观测域的转换实现了兼容现有NRTK用户定位需求，且保证了在参考网覆盖区域内用户的连续定位，规避了传统NRTK用户切换主站造成的定位不连续的问题。通过设计了多场景、多载体实验，从定位精度、收敛时间、模糊度固定率和模糊度首次固定时间(TTFF)对提出的算法进行实验验证。实验结果表明:当为用户提供不同类型精密产品组合时，即可实现不同定位精度和初始化时间的多层级、多样化定位服务;当将各类精密产品累加，根据用户上传的概略位置生成虚拟观测值再播发给用户，即可实现从状态域产品到观测域的转换，以兼容现有的NRTK用户，且达到与PPP-RTK同等精度水平的定位表现。 2.提出了一种适用于单频低成本GNSS终端的PPP-RTK快速高精度定位算法，并拓展了单星单通道数据质量控制方法。针对低成本单频用户存在的定位精度低、初始化时间长、难以满足实时应用需求问题，本文顾及非差非组合PPP-RTK算法灵活处理多频的优势，将非差非组合PPP-RTK用户端算法拓展到低成本单频用户。基于S-basis消秩亏理论，明确了单频PPP-AR和单频PPP-RTK模型中的秩亏类型并逐一消除，严密推导出了其函数模型和参数的可估形式。针对单频GNSS数据质量控制难题，拓展了一种验前单星单通道数据质量控制方法。为了验证提出的算法表现，选取了常用的u-bloxC94-M8P低成本单频接收机和测地型接收机，设计了静态仿动态和真实动态实验。实验结果表明:估计电离层斜延迟和对流层天顶湿延迟的单频PPP-AR模型强度较弱，其定位表现与非组合单频PPP模型基本相当。而当改正电离层和对流层产品进行单频PPP-RTK解算后，用户定位精度和TTFF时间得到大幅提升，其中测地型接收机单频PPP-RTK定位精度在2cm左右，TTFF时间缩短至20s以内，模糊度固定率超过99％。低成本单频接收机PPP-RTK水平方向平均定位精度优于5cm，高程方向平均定位精度在0.1m左右，平均TTFF时间在40s以内，模糊度固定率超过99％。轨道小车真实动态实验结果再次印证了单频PPP-AR与单频PPP定位精度基本相当，而测地型接收机和低成本接收机单频PPP-RTK动态定位精度分别在0.1m和0.2m左右，TTFF时间分别在16s和26s。表明本文提出的单频PPP-RTK算法可实现用户快速高精度定位，有望在未来得到广泛应用。 3.探索了基于低成本、芯片级GNSS观测数据用于电离层TEC建模的精度。针对GNSS观测值估计电离层总电子浓度(TEC)主要是用昂贵的测地型接收机，不利于高密度布设的问题。本文以小米8智能手机为例，分析了利用智能手机双频GNSS数据确定电离层TEC的精度。首先，我们利用载波相位平滑码方法(CCL)并顾及智能手机的GNSS观测值特性，采用新的载噪比加权策略而不是传统高度角加权策略，提取有偏的电离层STEC观测值。然后，利用广义三角级数和投影函数建模，从有偏的STEC中分离出绝对VTEC。我们采集了两种场景下，超过120小时的实验数据。一种是由智能手机自身天线收集的数据;另一种是外接测地型天线。同时，以超短基线的天宝测地型接收机GNSS数据用相同方法估计结果作为参考，评估了利用智能手机GNSS数据估计的TEC值精度。实验结果表明，与参考值相比，在两种场景下，连续无周跳发生的卫星弧段，电离层STEC的提取精度可以达到0.17和0.11总电子含量单位(TECU)。此外，在两种不同的场景下，VTEC的建模精度分别优于5和2TECU。因此，由于其低成本和良好的数据质量，我们认为消费级GNSS芯片在未来有广泛用于电离层监测站加密的潜力。
NETL