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类型 综合研究 预答辩日期 2017-10-11
开始(开题)日期 2015-10-26 论文结束日期 2017-07-26
地点 东南大学交通学院402会议室 论文选题来源 国家自然科学基金项目     论文字数 8.8 (万字)
题目 GNSS地基增强系统非差数据处理方法及应用
主题词 GNSS,PPP,RTK,非组合模型,模糊度固定
摘要 高精度卫星定位是精密测绘、位置服务和未来智能导航等应用不可替代的核心技术之一,是支撑国家战略需求发展的重要组成部分。长期以来,以RTK(Real-time Kinematic)和PPP(Precise Point Positioning)技术为代表的GNSS载波定位技术可提供厘米级的位置信息,有效推进了卫星导航系统在高精度位置服务等领域的广泛应用。然而,随着我国北斗系统的运行,Galileo、IRNSS等建设推进和GPS、GLONASS提升完善,卫星导航已进入多星座系统并存的崭新时代,强调定位过程的连续性、实时性和可靠性已成为高精度GNSS定位技术的创新和变革的迫切需求,发展融合RTK和PPP优势,兼容全星座全频段的GNSS数据处理方法已成为卫星导航研究领域的热点问题。针对上述需求及问题,本文基于全星座全频段地基增强系统网络,致力于实现网络RTK、PPP增强的统一地基增强系统GNSS数据处理方法,实现了从“星间站间差分组合”到“观测值域深度融合、全网状态空间误差估计”的技术转变创新,主要工作和贡献包括: 1. 发展了非差与差分等价处理理论与GNSS多频数据处理方法 从GNSS原始观测值出发,定义了影响非差模糊度固定的各项时延偏差,建立了GNSS数据处理中的非差、差分及多频的统一数学模型表达,针对非差观测模型的秩亏问题,论证了引入基准实现待估参数去相关方法,并基于新的差分算子设计实现了非差和差分观测方程的等价变换。 2. 建立了接收机间时延偏差估计和多路径误差消除模型 顾及模糊度的时不变特性,引入初始历元参考卫星模糊度基准,建立了站间单差滤波模型,基于零基线数据分析了不同接收机间、不同频率间、不同星座间的各项时延偏差的时域变化特性,为时延偏差的全网估计提供参数随机模型验证;基于残差结果采用小波降噪及傅里叶变换分析提取了多路径延迟值,验证了多路径延迟的时间、空间重复特性,并建立了多路径空间误差改正图实现了多径误差消除补偿,结果表明使用多路径模型可明显减弱多路径延迟对模糊度浮点偏差的影响,定位精度提升30%-45%。 3. 提出了基于非差非组合的单站大气误差提取和长基线模糊度解算方法 提出了一种基于单站的实时非差大气估计算法,采用非差非组合模型,针对电离层延迟值建立单站电离层参数化模型,分离接收机端及卫星端硬件延迟偏差影响,并利用单、双频PPP用户验证了提取的非差大气误差精度。结果表明,分离的卫星硬件延迟产品精度大部分优于0.2ns,对于单频静态用户,30-40分钟平面定位精度可达到10cm以内;双频静态用户可以稳定保障10分钟内平面精度优于10厘米。同时,利用单站非差实数模糊度,验证了采用非差处理方法可达到同等甚至更优的双差模糊度固定效果,利用8条平均长度为150km的基线的基础模糊度固定进行统计,非差方法L1模糊度固定成功率为98.40%,且具有更为集中的浮点解偏差收敛效果。 4. 提出了全星座PPP-RTK整网数据处理新方法 针对全星座全频段数据,在服务端,提出了附加ISB参数的全星座全网估计模型,建立了基于卫星钟差、星端载波偏差及非差电离层延迟的全网状态空间误差估值模型,解决了全网待估参数秩亏问题,恢复了非差模糊度的整数特性,完善了地基增强系统的服务体系。在用户端,提出了基于区域增强信息的用户端非差固定解滤波解算模型,通过弱化用户与区域基准站网的几何分布关系,实现了广域非差增强定位新模式,实验验证了各类偏差参数的时域变化特点,并基于不同精度的增强信息产品,分析了其对定位结果和模糊度精度的影响。 5. 整合上述算法研发了地基增强系统软件 利用上述算法研究内容,开发了GNSS网络服务地基增强系统软件EarthNet V3.0,引入高级消息队列协议(AMQP)总线技术,采用多核心业务层实现软件的分布式处理,实现了基于PPP/RTK/RTD的各类增强信息统一播发。利用南京区域北斗三频测试站点数据,通过对网内22km站点和网外99.8km的流动站解算验证了区域网网解产品的可靠性。单天统计结果表明,北斗三频观测环境下附加大气约束可实现网内站点的非差单历元快速固定,动态条件下可实现平面1.76cm,高程2.22cm精度结果。对于网外站点,受限于增强产品存在一定空间相关性,需1-2分钟以实现模糊度可靠固定,各历元平均定位精度为平面9.03cm,高程9.88cm。
英文题目 STUDY ON THE KEY TECHNOLOGY OF UN-DIFFERERNCE GNSS DATA PROCESSING METHOD BASED ON REGIONAL AUGMENTATION
英文主题词 GNSS,PPP,RTK,Un-combined Model, Ambiguity resolution
英文摘要 As an important infrastructure of space information service, the continuously operating reference system (CORS) has been widely used in high accuracy measurement, weather monitoring, crustal deformation, vehicle navigation and other fields in information-based society. Along with the regional operation of BeiDou Satellite Navigation System, it has become a research hotspot on the field of satellite navigation and positioning to establish the multi-constellation positioning augmented system and improve the positioning performance. For the purpose of promoting the development of multi-constellation fusion technology and realizing seamless connection between network RTK and precise point positioning (PPP), the following aspects were mainly carried out: 1. The equivalence theory of GNSS multi-frequency un-difference and differential model are summarized and developed. Due to the influence of uncalibrated signal delay, the un-difference ambiguity lost its integer nature. The uncalibrated signal delay in multi-frequency and multi-GNSS observations are generally defined. The unified mathematical expression model is built for GNSS data processing. In order to solve the rank-deficient problem, the datums are introduced to realize the re-parameterization and decorrelation of unknown biases. Relying on the new difference operator, the equivalent transformation between un-difference and differential observation equation is developed. 2. A between-receiver single-difference Kalman filter is proposed and applied in the analysis on the short-term temporal variations of GNSS biases and multipath mitigation. With the consideration of the time-invariant ambiguity, a between-receiver single-difference model is established. By re-parameterizing the biases and clock, the characteristics of time-delay biases are analyzed between different receivers, systems and frequencies. Meanwhile, A sophisticated multipath extraction and mitigation technique is proposed based on the repeatability of multipath. The results identify that the reduction of mean RMS values of coordinate components, from 13 consecutive days, maintain stable at about 30%~45%. 3. A new method for the extraction of un-differenced atmospheric delays and the recovery of long-distance baseline integer ambiguity is proposed based on uncombined precise point positioning technique. Using the un-difference and un-combined precise point positioning technique, the un-difference atmospheric delay is estimated epoch by epoch. The least squares and the ionospheric regional polynomial model is used to separate the DCB and the ionospheric delay. The results show that, the accuracy of satellite hardware delay is mostly less than 0.2ns, and the positioning accuracy could reach 10 cm in the horizontal direction within 30~40 min for single-frequency static receiver; Furthermore, for dual-frequency static receiver, the accuracy of positioning in the horizontal direction could reach 10cm effectively and stably less than 10 min. The DD integer ambiguities are re-obtained by utilizing the float un-different ambiguities. And a robust model strength can be achieved compared with the conventional DD model. Using data from eight independent baselines with an average length of approximately 150 km, our method obtained more obviously centralised distributions and the successful fixed rate was 98.4% for the new method. 4. A full-rank un-differenced network system of observation equations for multi-constellation PPP-RTK is proposed. By increasing the benchmarks including the delay deviation of receiver and satellite hardware, the clock delay of core site receiver, the phase deviation and initial ambiguity of core site receiver, a state space representation for satellite clock, phase biases and un-differenced ionospheric delay is built. The rank-deficient of whole network’s estimated parameters is resolved and the integer property of un-difference ambiguity is repaired. Futhermore, based on the regioanl enhanced information, an un-difference integer ambiguity resolution-enabled precise point positioning is proposed. Therefore, a novel high-precision positioning algorithm is developed by weakening the geometric location between the reference station network and the users. With the consideration of the reliability of the state space enhanced information, extre experiments concerning the positioniong accuracy and convergence time of the users are evaluated, and the variation characteristic of satellite uncalibrated signal delay are analyzed. 5. A multi-constellation compatible regional augmented system – EarthNet3.0 is programmed. Utilizing the above algorithm and research, a multi-constellation compatible regional augmented system – EarthNet3.0 is programmed. The multiple core application layers and Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) are applied in the system to realize the unified data transmission of PPP/RTK/RTD enhanced information. In the process of BDS triple frequency observables in Nanjing, the reliability and precision of enhanced information are tested. The results identify that the instantaneous ambiguity-fixed positioning results can be achieved and the dynamic accuracy could reach 1.76cm in plane and 2.22 cm in height for the users in the network. Meanwhile, it need 1~2 minutes to achieve the reliable ambiguity resolution because of the limitation of the space-state biases. The dynamic accuracy could reach 9.03cm in plane and 9.88 cm in height for the users outside the network.
学术讨论
主办单位时间地点报告人报告主题
河海大学 2012年5月12日 南京河海大学 汪登辉 网络RTK的对流层延迟分析与建模方法
同济大学、全球华人导航定位协会 2014年7月28日至8月1日 上海同济大学 杨元喜 院士 Academician in Science
University of Nottingham 2015年12月19日 Nottingham Geospatial Building 汪登辉 The Analysis of Ill Posedness in GNSS High-Precision Differential Positioning
University of Nottingham 2016年08月30日 Nottingham Geospatial Building 汪登辉 Multipath Extraction and Mitigation for Bridge Deformation Monitoring
东南大学交通学院 2016年12月20日 东南大学交通学院 汪登辉 The annual report about studying abroad
中国电子科技集团公司第五十四研究所 2017年4月20日 石家庄中电54所 汪登辉 网络RTK软件研制及其关键技术
东南大学交通学院 2017年4月18日 东南大学交通学院 金双根 研究员 GNSS遥感—最近进展及将来机会
东南大学仪器科学与工程学院 2017年7月11日 东南大学仪器科学与工程学院 孟晓林 教授 Multi-sensor integration with high definition map for autonomous driving
东南大学研工部,东南大学仪器科学与工程学院 2017年5月21日 东南大学礼东二楼报告厅 房建成 院士 量子传感技术的发展与展望
     
学术会议
会议名称时间地点本人报告本人报告题目
2012年第三届中国卫星导航学术年会 2012年5月16日-5月18日 中国广州 基于网络RTK的对流层延迟分析与建模
2013年第四届中国卫星导航学术年会 2013年5月15日-5月17日 中国武汉 Single-epoch Integer Ambiguity Resolution for Long-Baseline RTK with Ionosphere and Troposphere Estimation
2013 2nd Joint International Symposium on Deformation Monitoring (JISDM) 2013 September 9-11 Nottingham UK
2013年第六届全国交通工程测量学术研讨会 2013年11月16日-11月18日 中国南京 基于区域 CORS 的电离层总电子含量提取及其在单频 PPP 中的应用
2014年第五届中国卫星导航学术年会 2014年5月21日-5月23日 中国南京 Extraction and Application of Un-differenced Atmospheric Delays with Un-combined Precise Point Positioning Technique
2015年第六届中国卫星导航学术年会 2015年5月13日-5月15日 中国西安 A Baseline Ambiguity Resolution Using Un-combined and Un-differenced Model with Equality Constraint
2017年第八届中国卫星导航学术年会 2017年5月23日-5月25日 中国上海
     
代表作
论文名称
A Robust Strategy for Ambiguity Resolution Using Un-Differenced and Un-Combined GNSS Models in Netwo
A Baseline Ambiguity Resolution Using Un-combined and Un-differenced Model with Equality Constraint
Extraction and Application of Un-differenced Atmospheric Delays with Un-combined Precise Point Posit
基于区域 CORS 的电离层总电子含量提取及其在单频 PPP 中的应用
Single-Epoch Integer Ambiguity Resolution for Long-Baseline RTK with Ionosphere and Troposphere Esti
 
答辩委员会组成信息
姓名职称导师类别工作单位是否主席备注
李博峰 正高 教授 博导 同济大学
张小红 正高 教授 博导 武汉大学
胡伍生 正高 教授 博导 东南大学
戴吾蛟 正高 教授 博导 中南大学
张宝成 正高 研究员 硕导 中国科学院测量与地球物理研究所
      
答辩秘书信息
姓名职称工作单位备注
于先文 副高 副教授 东南大学