叶世榕博士论文

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1、分类号密级UDC编号10486武汉大学博士学位论文GPS非差相位精密单点定位理论与实现研究生姓名：叶世榕指导教师姓名、职称：刘经南教授学科、专业名称：大地测量学与测量工程研究方向：GPS精密定位二零零二年四月TheoryanditsRealizationofGPSPrecisePointPositioningUnsingUn-differencedPhaseObservationYESHIRONG摘要GPS非差相位精密单点定位是利用GPS卫星精密星历及由一定方法确定的精密卫星钟差，以单台双频GPS接

2、收机采集的非差相位数据作为主要观测值来进行单点定位计算，其精度可达分米级甚至厘米级。由于它可利用单台接收机在全球范围内进行静态或动态独立作业，并且能直接得到高精度的ITRF框架坐标，因此，它在区域高精度的坐标框架维持，区域或全球性的科学考察，高精度动态导航定位及低轨卫星的定轨等方面都具有不可限量的应用前景，是目前GPS界研究的热点。本文系统地研究了GPS非差精密单点定位理论，分析了非差定位中技术难点，研究了其关键技术问题，包括其参数估计、误差随机模型确定、精密卫星钟差确定、非差数据预处理等，并提出了

3、基于Internet的事后和实时精密单点定位服务模型。本文主要研究了如下内容：（1）非差定位模型及其误差分析本文详细讨论了用于精密单点定位的非差定位模型。比较了非差、单差、双差及三差观测值定位模型的优缺点。与其他差分定位模型相比，非差定位模型具有可用观测值多，保留了所有观测信息，能直接得到测站坐标，不同测站的观测值不相关，测站与测站之间无距离限制等优点。但其不利之处是未知参数多，无法采用站间或星间差分的方法消除误差影响，必须利用完善的改正模型加以改正等等。本文还分析了各种非差线性组合观测值的性质及其

4、用途。最后讨论了非差定位需要顾及的误差及消除或削弱它们影响的方法。（2）非差定位的参数估计及误差处理理论在非差精密单点定位中，被估计参数分为两类，一类为时不变参数，如坐标，整周模糊度参数；另一类为随机时变参数，如对流层、钟差参数。本文首先讨论序贯最小二乘参数估计方法，然后讨论随机参数估计卡尔曼滤波方法及其相关的问题，如滤波发散克服、自适应滤波估计等。由于在非差精密单点定位中，有部分参数的模型噪声并不是白噪声，如天顶对流层延迟，因此本文还讨论了参数的模型噪声为有色噪声情况的参数估计问题。处理GPS数据

5、时，除了需要考虑参数的函数模型外，还需顾及其随机模型。在非差数据处理中，主要考虑对流层和钟差这两种时变参数的随机模型。由于大气层中水蒸汽分布随时间的不规则变化，使得对流层的影响具有较大的随机性，即使利用模型改正后，还存在一部分残差无法消除。这些残差可认为是一系列时间相关的随机过程的叠加，可以采用一阶高斯马尔可夫过程、随机游走过程等模拟。本文研究了利用随机游走过程模拟对流层延迟残差随机变化的方法。并与采用白噪声方法估计的结果比较，最后实验计算结果表明，采用随机游走方法估计天顶对流层延迟残差的结果优于采

6、用白噪声方法估计的结果。在GPS差分相对定位中，一般都采用双差的方法消除钟差的影响，可以不考虑钟差的随机·I·模型。而在卫星钟差估计或精密单点定位中，钟差是作为未知参数处理，这时必须顾及钟差的随机模型。可以采用多项式形式描述钟差变化，多项式的系数为待确定的钟偏、钟速及钟漂等，多项式的阶数取决于钟的稳定程度，或采用白噪声过程模拟钟差变化过程。考虑到钟差变化较大，需要利用高阶多项式模拟其变化，比较复杂。而采用白噪声过程描述钟差随机过程，比较简单且有效，其等同于差分相对定位中利用双差消除钟差方法。因此，本

7、文采用了采用白噪声模拟钟差变化的方法。（3）精密卫星相对钟差估计方法卫星钟差估计是本文研究的核心内容之一。精密卫星钟差质量的好坏对定位结果有决定性影响。得到厘米级的定位结果的前提是必须有亚纳秒级精度的卫星钟差。GPS量测值是站星之间的相对时间延迟，这意味着不能同时确定所有的卫星和接收机钟差，必须先固定某一基准钟（卫星钟或接收机钟）的钟差，然后确定其他接收机和卫星的相对钟差。相对卫星钟差是指当固定某一基准钟差时，各卫星绝对钟差与其之间的差值。本文从理论证-6明只要保证基准钟的钟差精度优于10秒，相对钟

8、差和绝对钟差对用户定位结果而言是等价的，即相对钟差的系统性偏差在用户定位模型中可完全被用户接收机钟差吸收，而不影响用户的定位精度。本文较为深入地探讨了卫星相对钟差估计问题，提出了利用若干IGS跟踪站非差相位观测值与精密卫星星历一起估计精密卫星相对钟差的方法。并讨论了估计卫星钟差时的基准统一问题，提出了基准统一的方法。本文提出的方法具有如下优点：无须进行复杂的轨道计算；既可以利用全球IGS数据计算所有卫星的钟差，也可以利用某一区域IGS站数据分布式实时计算卫星钟差，便于