多系统多频非组合PPP模型优化及模糊度固定方法研究

岳彩亚

聊城大学地理与环境学院，山东 聊城 252059

相对于传统的无电离层组合模型，近年发展起来的非组合PPP可直接利用GNSS原始观测值，在未放大观测噪声的前提下，保留了电离层延迟等有效信息，且更适合当前及未来多系统多频率数据融合解算。然而，国内外对于非组合PPP的研究还比较有限，特别是在当前多系统多频率的大背景下，如何建立更为精确的函数模型和随机模型，如何高效地改正各类型观测值上的硬件延迟偏差和不同系统间的基准偏差，如何在受到电离层延迟残差影响严重的情况下有效地分离卫星端相位硬件延迟偏差和得到最优模糊度固定解等方面仍是研究难点。针对上述问题，论文主要研究内容和成果如下。

(1) 针对第三频率载波相位观测方程上的频间钟偏差(IFCB)难以实现逐历元估计的问题，利用全球均匀分布的248个GNSS连续跟踪站估计得到了GPS、Galileo、BDS-2和BDS-3(B1I/B3I/B1C和B1I/B3I/B2a)系统的IFCB。在分析其时变特性的基础上，结合最终星历产品的滞后特点，提出了一种基于逐历元滑动的皮尔森自相关函数的IFCB短期预报建模方法，并分别利用服从t分布的假设检验理论，与实测IFCB的残差比较，PPP相位验后残差和动态/静态PPP定位结果进行了可行性验证。

(2) 针对北斗卫星系统频点的特殊性，基于GPS和BDS-2/3三频观测数据，分析和评估了3种常用的系统间偏差随机模型对GPS/BDS-2、GPS/BDS-3和GPS/BDS-2/3组合的PPP定位性能的影响，试验结果表明：当采用WHU分析中心提供的精密星历产品时，3种随机模型PPP定位性能基本一致，随机游走过程略优于时间常数模型和白噪声模型。同时进行了系统间偏差短期时序变化特性分析和与不同品牌类型接收机相关性的比较,为多频的GPS与BDS-2/3系统间偏差参数求解和随机模型的精化奠定了模型基础。

(3) 针对当前非组合PPP经验随机模型难以客观真实地反映各原始观测值噪声水平的不足，在顾及方差-协方差阵中对角线元素的方差比例因子和同类型观测值间的交差相关性的前提下，构建了一种优化的随机模型，并基于协方差分量验后估计方法提出了一套完整的优化和评估策略。鉴于各系统精密星历的精度和PPP定位模型偏差改正的准确性，以4种不同品牌接收机的GPS双频观测数据为例进行了新的随机模型的优化，并评估和静态/动态PPP验证分析。所有的测试结果表明，相对于经验的随机模型，利用优化的随机模型得到的PPP解的坐标精度和收敛时间均有一定的改善。

(4) 基于精化的函数模型和优化的随机模型，研究了影响多频非组合PPP原始频率上模糊度参数整周性的FCB误差组成，系统地梳理了服务端非组合FCB的估计算法，并开发了一套多系统(GPS/Galileo/BDS-2/BDS-3)三频FCB产品软件服务系统，依次从浮点模糊度数据利用率、验后残差分布及时间序列稳定性等内符合精度方面和静态/动态PPP固定解性能方面进行验证。结果表明：所估计的卫星端FCB均具有较高的精度和稳定性，并且模糊度固定后可显著改善非组合PPP定位性能。

(5) 针对当前常用的部分模糊度最优子集选取时的判断准则较为单一的问题，提出一种综合模糊度方差、模糊度精度衰减因子、卫星位置精度因子和ratio-test检核值的多尺度因子约束的最优子集选取方法，用户端可通过调整各因子的大小，给相应的表征参数项赋予不同的权重，从而可避免卫星几何图形较差的不利定位条件。与基于模糊度方差大小选取最优子集的方法相比，新提出的方法可使得所有固定历元的三维方向的坐标残差平均RMS降低约23.63%，平均固定历元个数提高率约为8.71%。