多GNSS系统组合导航定位研究现状

基于GPS/BDS的多GNSS系统组合导航定位研究现状摘要在我国北斗卫星导航定位系统发展日渐成熟，用户体验趋于稳定的背景下，由于BDS与GPS在信号结构和频率方面十分相似，因此在多系统组合定位方面BDS提供了一个更好的机会。多GNSS系统组合相对定位观测模型可以分为松组合和紧组合。松组合观测模型需要在各自系统内部分别选择一颗参考卫星，系统内其它卫星将与各自的参考卫星求差以此组建双差观测方程。目前多系统组合相对定位主要采用该模式进行数据处理。对于紧组合观测模型来说，在所有的观测卫星中仅选择一颗卫星作为参考卫星，所以其它卫星均与该参考卫星求差。由于紧组合观测模型增加了双差观测值的个数，增强了数学模型的强度，因此紧组合的整体性能要优于松组合。但是，如果采用紧组合观测模型，除了要考虑不同GNSS系统间的时间系统、坐标系统的差异外，同时还要考虑接收机端的系统间偏差。关键词：GPS；BDS；组合定位；多GNSS1.研究目的及意义自1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星发射成功，开创了空间技术造福人类的新时代以来。以美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的Galileo,中国的BDS为代表的卫星导航定位系统正逐步成为GNSS领域里人们关注和研究的热点。卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。我国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为了更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS）建设。该系统的建设计划分三个步骤：试验系统、区域系统和全球系统。至2012年12月27日北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星（GEO）、5颗倾斜地球同步轨道卫星（IGSO，均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（MEO，均在倾角55°的轨道面上）。随着北斗系统空间信号接口控制文件公布以及亚太地区无源定位服务开放，北斗精密轨道确定、钟差估计，精密单点定位以及相对定位成为国内外GNSS研究领域热点问题。在观测条件较好的地区及时段下，单系统或现有的多系统组合已能实现正常的定位、测距及授时需求。然而在特殊地区及时段下，由于单系统可观测到的卫星数较少等因素的影响不能满足正常的精度需求，为了能实现对特定区域快速准确的定位及授时，对多GNSS系统组合精密定位的研究成为了当下的的热点。2.研究现状多GNSS系统组合定位可以提高定位的精度、可靠性以及可用性，因此目前很多科研团队致力于该领域的应用研究。在多GNSS环境下，由于可观测卫星个数的增加，不同GNSS系统的信号组合能够有效缩短初始化时间，延长基线解算长度。GPS与GLONASS是目前发展最成熟的两个导航卫星系统，因此，组合精密定位多集中于GPS与GLONASS组合。相对于GLONASS来说，由于BDS与GPS具有很多共同特征，特别是在信号结构和频率方面，因此在多系统组合精密定位方面，BDS提供了一个更好的机会。然而，从本质上来说，现有的多系统组合定位模型只是实现了观测值的组合，并没有涉及到系统间星间差分模糊度的固定问题，并没有达到真正的联合解算。2015年3月30日，我国在西昌卫星发射中心成功将首颗新一代北斗导航卫星发射升空，这也表示着中国北斗卫星导航系统由区域运行向全球拓展的启动实施。在此大趋势下，从GPS/BDS系统间相位偏差稳定性分析入手，研究GPS/BDS双系统的组合运用意义深远。与单系统观测相比，在观测条件及观测时段不好的条件下，GPS/BDS双系统观测模型中，可观测卫星的个数增加，有利于后续的解算工作。图1GPS/BDS双系统观测模型图1中G1、G2、G3为GPS的三颗可观测卫星，B1、B2、B3为BDS的三颗可观测卫星，1、2分别为两台地面接收机。在这种情况下无论是单独使用GPS还是BDS都无法实现精密定位。GPS系统内部可建立2个独立的差分观测方程，同理在BDS系统内部也可建立2个独立的差分观测方程，这样两个系统在松组合模式下最多可形成4个独立的差分观测方程。然而，在GPS/BDS双系统紧组合的情况下，若将G1作为参考卫星，则可形成2+2+1=5个独立的差分观测方程。图2GPS/BDS双系统观测模型图2中G1、G2、G3为GPS的三颗可观测卫星，B1、B2为BDS的两颗可观测卫星，1、2分别为两台地面接收机。GPS系统内部可建立2个独立的差分观测方程，BDS系统内部可建立1个独立的差分观测方程，这样两个系统在松组合模式下最多可形成3个独立的差分观测方程。然而，在GPS/BDS双系统紧组合的情况下，若将G1作为参考卫星，则可形成2+1+1=4个独立的差分观测方程。在这种单系统可观测卫星数不足的情况下，GPS/BDS双系统的紧组合则可以满足精密定位的需要。3.展望虽然理论上多GNSS系统组合的观测模型已经建立，但由于不同GNSS系统间存在信号，频率，时间同步及系统间偏差等不同方面的因素，多GNSS系统组合导航定位的实现还存在如下一些问题。1）不同GNSS导航系统采用不同的系统时间定义，存在着系统时差，从而多模GNSS接收机对于不同导航系统卫星的观测值存在着相应的偏差；2）GNSS多星座组合定位中不同星座下坐标与时间系统的统一；3）多GNSS系统组合定位定位过程中系统的完好性监测；4）GNSS多系统集成的兼容性问题及用户成本。