多GNSS系統(tǒng)組合導(dǎo)航定位研究現(xiàn)狀

1、基于GPS/BDS的多GNSS系統(tǒng)組合導(dǎo)航定位研究現(xiàn)狀摘要在我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)發(fā)展日漸成熟，用戶體驗(yàn)趨于穩(wěn)定的背景下，由于BDS與GPS在信號(hào)結(jié)構(gòu)和頻率方面十分相似，因此在多系統(tǒng)組合定位方面BDS提供了一個(gè)更好的機(jī)會(huì)。多GNSS系統(tǒng)組合相對(duì)定位觀測(cè)模型可以分為松組合和緊組合。松組合觀測(cè)模型需要在各自系統(tǒng)內(nèi)部分別選擇一顆參考衛(wèi)星，系統(tǒng)內(nèi)其它衛(wèi)星將與各自的參考衛(wèi)星求差以此組建雙差觀測(cè)方程。目前多系統(tǒng)組合相對(duì)定位主要采用該模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對(duì)于緊組合觀測(cè)模型來(lái)說(shuō)，在所有的觀測(cè)衛(wèi)星中僅選擇一顆衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星，所以其它衛(wèi)星均與該參考衛(wèi)星求差。由于緊組合觀測(cè)模型增加了雙差觀測(cè)值的個(gè)數(shù)，增強(qiáng)了數(shù)學(xué)模

2、型的強(qiáng)度，因此緊組合的整體性能要優(yōu)于松組合。但是，如果采用緊組合觀測(cè)模型，除了要考慮不同GNSS系統(tǒng)間的時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)的差異外，同時(shí)還要考慮接收機(jī)端的系統(tǒng)間偏差。關(guān)鍵詞：GPS；BDS；組合定位；多GNSS1.研究目的及意義自1957年10月4日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，開創(chuàng)了空間技術(shù)造福人類的新時(shí)代以來(lái)。以美國(guó)的GPS，俄羅斯的GLONASS，歐盟的Galileo,中國(guó)的BDS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)正逐步成為GNSS領(lǐng)域里人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。我國(guó)高度重視衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，一直在努力探索和發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，

3、首先建成北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，使我國(guó)成為繼美、俄之后的世界上第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于測(cè)繪、電信、水利、漁業(yè)、交通運(yùn)輸、森林防火、減災(zāi)救災(zāi)和公共安全等諸多領(lǐng)域，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。特別是在2008年北京奧運(yùn)會(huì)、汶川抗震救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。為了更好地服務(wù)于國(guó)家建設(shè)與發(fā)展，滿足全球應(yīng)用需求，我國(guó)啟動(dòng)實(shí)施了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)建設(shè)。該系統(tǒng)的建設(shè)計(jì)劃分三個(gè)步驟：試驗(yàn)系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)和全球系統(tǒng)。至2012年12月27日北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_通時(shí)，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆

4、組網(wǎng)并提供服務(wù)，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO,均在傾角55的軌道面上），4顆中地球軌道衛(wèi)星（MEO,均在傾角55的軌道面上）。隨著北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公布以及亞太地區(qū)無(wú)源定位服務(wù)開放，北斗精密軌道確定、鐘差估計(jì)，精密單點(diǎn)定位以及相對(duì)定位成為國(guó)內(nèi)外GNSS研究領(lǐng)域熱點(diǎn)問題。在觀測(cè)條件較好的地區(qū)及時(shí)段下，單系統(tǒng)或現(xiàn)有的多系統(tǒng)組合已能實(shí)現(xiàn)正常的定位、測(cè)距及授時(shí)需求。然而在特殊地區(qū)及時(shí)段下，由于單系統(tǒng)可觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)較少等因素的影響不能滿足正常的精度需求，為了能實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域快速準(zhǔn)確的定位及授時(shí)，對(duì)多GNSS系統(tǒng)組合精密定位的研究成為了當(dāng)下的的熱點(diǎn)。2.

5、研究現(xiàn)狀多GNSS系統(tǒng)組合定位可以提高定位的精度、可靠性以及可用性，因此目前很多科研團(tuán)隊(duì)致力于該領(lǐng)域的應(yīng)用研究。在多GNSS環(huán)境下，由于可觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)的增加，不同GNSS系統(tǒng)的信號(hào)組合能夠有效縮短初始化時(shí)間，延長(zhǎng)基線解算長(zhǎng)度。GPS與GLONASS是目前發(fā)展最成熟的兩個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，因此，組合精密定位多集中于GPS與GLONASS組合。相對(duì)于GLONASS來(lái)說(shuō)，由于BDS與GPS具有很多共同特征，特別是在信號(hào)結(jié)構(gòu)和頻率方面，因此在多系統(tǒng)組合精密定位方面，BDS提供了一個(gè)更好的機(jī)會(huì)。然而，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的多系統(tǒng)組合定位模型只是實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)值的組合，并沒有涉及到系統(tǒng)間星間差分模糊度的固定問題，并

6、沒有達(dá)到真正的聯(lián)合解算。2015年3月30日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將首顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射升空，這也表示著中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展的啟動(dòng)實(shí)施。在此大趨勢(shì)下，從GPS/BDS系統(tǒng)間相位偏差穩(wěn)定性分析入手，研究GPS/BDS雙系統(tǒng)的組合運(yùn)用意義深遠(yuǎn)。與單系統(tǒng)觀測(cè)相比，在觀測(cè)條件及觀測(cè)時(shí)段不好的條件下，GPS/BDS雙系統(tǒng)觀測(cè)模型中，可觀測(cè)衛(wèi)星的個(gè)數(shù)增加，有利于后續(xù)的解算工作。?_二G2:-圖1GPS/BDS雙系統(tǒng)觀測(cè)模型圖1中G1、G2、G3為GPS的三顆可觀測(cè)衛(wèi)星，B1、B2、B3為BDS的三顆可觀測(cè)衛(wèi)星，1、2分別為兩臺(tái)地面接收機(jī)。在這種情況下無(wú)論是單獨(dú)使用GPS還是

7、BDS都無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密定位。GPS系統(tǒng)內(nèi)部可建立2個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程,同理在BDS系統(tǒng)內(nèi)部也可建立2個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程，這樣兩個(gè)系統(tǒng)在松組合模式下最多可形成4個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程。然而，在GPS/BDS雙系統(tǒng)緊組合的情況下，若將G1作為參考衛(wèi)星，則可形成2+2+1=5個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程。圖2GPS/BDS雙系統(tǒng)觀測(cè)模型圖2中G1、G2、G3為GPS的三顆可觀測(cè)衛(wèi)星，B1、B2為BDS的兩顆可觀測(cè)衛(wèi)星，1、2分別為兩臺(tái)地面接收機(jī)。GPS系統(tǒng)內(nèi)部可建立2個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程，BDS系統(tǒng)內(nèi)部可建立1個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程，這樣兩個(gè)系統(tǒng)在松組合模式下最多可形成3個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程。然而，在GPS/BDS雙系統(tǒng)緊組合的情況下，若將G1作為參考衛(wèi)星，則可形成2+1+1=4個(gè)獨(dú)立的差分觀測(cè)方程。在這種單系統(tǒng)可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不足的情況下，GPS/BDS雙系統(tǒng)的緊組合則可以滿足精密定位的需要。3.展望雖然理論上多GNSS系統(tǒng)組合的觀測(cè)模型已經(jīng)建立，但由于不同GNSS系統(tǒng)間存在信號(hào)，頻率，時(shí)間同步及系統(tǒng)間偏差等不同方面的因素，多GNSS系統(tǒng)組合導(dǎo)航定位的實(shí)現(xiàn)還存在如下一些問題。1) 不同GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)采用不同的系統(tǒng)時(shí)間定義，存在著系