GPS整周模糊度解算的理论、方法及LAMBDA法的程序实现

来源 :中国地质大学 中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunqingshu
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GPS载波相位测量是GPS高精度定位的主要方法。然而其前提是要先解算出相位的整周模糊度即初始历元的整周相位。一旦整周模糊度被正确解算,载波相位观测值即可转化为高精度的测相伪距,从而实现厘米级甚至亚厘米级的高精度定位。由于观测误差的存在,要正确解算整周模糊度是非常困难的,有时甚至不可能。因此,快速可靠地解算整周模糊度是利用GPS载波相位实现高精度定位中的最关键问题。 过去的二十多年中,国内外许多学者对这一问题进行了研究,提出了许多解算整周模糊度的方法,如模糊度函数法、最小二乘搜索法和模糊度快速解算法等。这些方法都是围绕模糊度高效可靠的解算这个目的提出的,重点是利用优化的算法提高计算效率。 随着GPS应用范围的不断扩大,快速静态、动态以及高动态条件下的导航、定位、测姿和目标跟踪等快速动态定位技术的研究已成为GPS领域的重要方向。整周模糊度的在航(OTF)解算成为更大的挑战。 利用模糊度解算的理论进行GPS定位,必须依赖计算机计算技术,但国内外大多数文献对模糊度解算方法的介绍只停留在理论上,而对模糊度解算方法具体的程序实现没有介绍,若读者要应用某种方法解决具体问题,还需花大量的时间进行理论消化和研究;另一方面,尽管市面上有许多商用GPS定位软件,但它们只向用户提供定位结果,而对具有理论研究意义的整周模糊度及其它有用信息对用户是屏蔽的,不能满足研究型用户的需要。 因此,本文的主要研究内容是模糊度解算的理论、方法、LAMBDA法的程序实现以及输出的可视化等问题进行研究。论文首先载波相位观测值和整周模糊度解算的前提及几何约束进行论述;接着阐述了整周模糊度解算的理论基础;然后对目前整周模糊度解算的各种方法进行了较系统地归纳,比较了它们的优缺点,并结合实例对LAMBDA的解算流程进行了详细的研究;最后利用C#编程语言实现了整周模糊度的解算及输出的可视化,并将成果转换为适合于网络传输的XML格式。 论文的主要内容为:1.论文首先对整周模糊度解算的重要性进行了论述,然后简要地介绍了整周模糊度解算的历史和研究现状,最后根据整周模糊性解算的研究现状和大部分GPS软件的不足给出本文的研究内容。 2.介绍载波相位和整周模糊度解算问题。首先根据波动理论和GPS信号的传播特征导出GPS相位观测的基本方程,接着对GPS双频观测值的线性组合进行了叙述,给出了一些对整周模糊度解算、周跳探测和修复有用的组合形式。最后对整周模糊度解算的前提和约束条件进行了说明。 3.然后介绍整周模糊度解算的理论。首先介绍如何从整周模糊度浮点解得到相容的整数解,进而给出固定基线解的质量和成功率。然后介绍了整数模糊度常用的的三个整数估值:凑整估值、整数序贯条件估值和整数最小二乘估值以及与之相关的一些问题。最后对模糊度残差的概率密度函数进行了介绍。 4.紧接着按在观测值域、坐标域和在模糊度估值域的搜索三类方法,介绍了整周模糊度解算的方法及具体实现步骤。第一类方法主要是利用P码伪距直接解算整周模糊度,也称双频P码法。第二类方法主要指模糊度函数法,通过搜索流动站坐标的最优值而间接解算整周模糊度。第三类方法主要由最小二乘平差得到的整周模糊度浮点解和协方差阵利用整数最小二乘平差进行搜索得到整周模糊度的最优估值,重点介绍LAMBDA法的具体实现,结合实例对整数变换、设置模糊度搜索空间的大小和整数最小二乘搜索进行了详述。 5.然后进行程序设计和试验。利用C#编程语言实现了LAMBDA法的整周模糊度解算及可视化的输出,然后用TrimbleGPS软件与本文编写的程序解算结果进行比较对程序的正确性和可靠性进行检验,并给出了实验结果。 本文研究成果为:1.系统的对LAMBDA方法的理论和实现进行了阐述,有助于该方法的推广普及。 2.用C#编程语言编写了GPS基线解算的可视化软件,实现了卫星位置、导航位置、基线向量的浮点解和固定解等的输出,可以辅助教学。 3.实现LAMBDA法解算整周模糊度及可视化输出,为GPS其它研究工作提供了研究基础。 4.用TrimbleGPS理软件与本文编写的程序解算的结果进行了比较,结果表明由本文编写的程序求解的整周模糊度与TrimbleGPS处理软件计算的结果相同。 5.将解算成果转换为XML数据格式,实现了成果的共享。
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