论文总字数：28365字

摘 要

随着信息化时代的发展，人们对于获得高精度、实时、准确的位置信息的需求不断增加，多GNSS融合定位成为了卫星导航定位的发展趋势，多GNSS融合定位在定位精度、稳定性等性能上相比于单系统都有很大的改善。利用多GNSS多频数据进行融合定位，是进一步拓展卫星定位技术应用的迫切需求。

本文主要对四大GNSS系统（GPS/BDS/GALILEO/GLONASS）组合多频伪距单点定位中的关键问题展开研究，主要研究内容包括：不同系统的时空基准统一、电离层和对流层延迟改正、差分码偏差改正、高度角定权模型、多GNSS组合多频伪距单点定位模型等。

（1）考虑卫星硬件延迟的影响，分析了四系统组合利用DCB数据对卫星钟差硬件延迟进行改正的具体方法，并对有无DCB改正的效果进行了对比分析，实验结果表明在DCB改正后，四系统组合伪距单点定位精度最高可以提升40%。

（2）对比了单频电离层改正模型法、双频和三频无电离层改正法的伪距单点定位效果，实验结果表明采用双频和三频无电离层改正法的定位精度优于单频改正模型法，定位精度提升最高可达70%左右，定位的稳定性显著增强，并且双频和三频无电离层改正法定位结果差别微小。因此对于双频和三频数据而言，可以利用双频和三频无电离层改正法进行定位。

（3）针对不同系统、不同卫星之间伪距观测值精度存在差异的现状，采用了基于卫星高度角的定权模型。并通过实验验证了四系统组合定位方式在定位精度、连续性和稳定性方面都优于其他组合方式，相比于单GPS系统，定位精度提升了40％左右，整体定位能力基本满足在正常观测环境下，水平方向1m以内，高程方向1.5m以内，复杂遮挡观测环境下，水平方向1.5m以内，高程方向5m以内，并且在遮挡观测环境复杂的情况下能够保证定位的连续性。

关键词：四系统组合，差分码偏差（DCB），无电离层组合，定权模型

Abstract

With the development of the information age, the demand for high precision, real-time and accurate location information is increasing, So multi system data joint location become an inevitable trend. In this paper, the problems in the four system combined multi-frequency pseudorange point positioning is studied and the positioning accuracy and stability are improved through the optimized design. It includes ionospheric delay correction, tropospheric delay correction, DCB correction and weighting model based on vertical angle. Finally, the overall positioning performance of the four systems combined pseudorange point positioning is analyzed.

（1）Considering the influence of the satellite hardware delay, the DCB data of satellite clock error hardware delay correction method is analyzed. The results show that after the DCB correction, The highest positioning accuracy can be increased by 40%.

（2）The results show that the dual-frequency ionosphere-free delay correction method is better than the single-frequency model correction, and the triple-frequency non-ionospheric delay correction method is equivalent to the dual-frequency. The highest positioning accuracy of the ionosphere-free can be increased by 70% than model correction and the stability is enhanced. Therefore, the ionosphere-free is an bettter choice for dual and triple frequency data.

（3）According to the characteristics of the different systems and the differences accuracy of the different satellites, weighting model based on vertical angle is used, and the experiment verify that four system combination way of positioning is superior to other combinations in positioning accuracy, continuity and stability. Compared with single GPS system, positioning accuracy is increased by 40%. In normal environment, the positioning accuracy can reach 1m in horizontal and 1.5m in vertical. In complex environment, the positioning accuracy can reach 1.5m in horizontal and 5m in vertical, and the continuity of positioning can be ensured.

KEY WORDS: four system combined, DCB, ionosphere-free, weighting model

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 美国GPS全球卫星定位系统 1

1.1.2 中国北斗卫星导航系统 1

1.1.3 欧盟GALILEO卫星导航系统 2

1.1.4 俄罗斯GLONASS卫星导航系统 2

1.2 研究意义 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 论文的主要内容及结构 3

第二章 时空基准和误差来源 4

2.1 时间系统 4

2.1.1 时间标示法 4

2.1.2 时间标示法之间的转换 4

2.1.3 时间系统之间的转换 5

2.2 坐标系统 6

2.2.1 常用坐标系 6

2.2.2 坐标系间的转换 6

2.2.3 四大系统坐标基准的统一 8

2.3 与卫星相关的误差和改正措施 8

2.3.1 卫星星历误差 8

2.3.2 卫星钟误差 9

2.3.3 差分码偏差（DCB） 9

2.3.4 相对论效应 9

2.4 与信号传播路径有关的误差和改正措施 10

2.4.1 电离层折射误差 10

2.4.2 对流层折射误差 11

2.4.3 多路径效应误差 11

2.5 与接收机有关的误差及改正方法 11

2.6 其他误差及改正方法 11

2.7 本章小结 12

第三章 四大系统的伪距单点定位原理及数学模型 13

3.1 卫星位置计算 13

3.1.1 GPS、BDS、GALILEO卫星位置的计算方法 13

3.1.2 GLONASS卫星位置的计算方法 14

3.2 伪距单点定位 15

3.2.1 伪距单点定位（单频）数学模型 15

3.2.2 多GNSS伪距单点定位的定权模型 17

3.2.3 伪距单点定位（双频）数学模型 17

3.2.4 伪距单点定位（三频）数学模型 18

3.2.5 四系统组合伪距单点定位数学模型 18

3.3 本章小结 19

第四章 实验验证和数据分析 20

4.1 选取IGS站的站点信息和分布图 20

4.2 伪距单点定位结果及分析 21

4.2.1 四系统组合单频伪距单点定位有无DCB改正的结果比较及分析 21

4.2.2 四系统组合伪距单点定位模型改正法和双频改正法的结果比较及分析 22

4.2.3 北斗系统伪距单点定位的双频和三频改正法的结果比较及分析 23

4.2.4 不同系统组合方式的单双频伪距单点定位结果比较与分析 23

4.2.5 不同遮挡条件下的四系统组合与单GPS系统的定位结果比较及分析 27

4.3 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 主要工作与结论 30

5.2 研究展望 30

致 谢 31

参考文献 32

绪论

研究背景

随着信息化时代的发展，人们对于获得高精度、实时、准确的位置信息的需求不断增加。无论是高精尖的科学研究领域，还是日常的生活，都与位置信息紧密相关。全球导航卫星系统不仅为用户提供了高精度定位，也带来了巨大的社会和经济效益 ^[1]。它的应用遍及多个领域，如军事导航、大地测量、资源勘察、地质勘测、地震预报、气象预测、交通运输、社会安全、医疗救援、民用导航等^[1]。

全球所有卫星导航系统、增强系统及区域系统被统称为全球导航卫星系统。全球性的系统有美国的GPS系统、中国的BDS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的GALILEO系统等，增强系统有欧洲的静地导航重叠系统（EGNOS）、美国的广域增强系统（WAAS）及日本的多功能运输卫星增强系统（MSAS）等卫星导航系统，区域性系统有日本的准天顶（QZSS）及印度的区域导航系统（IRNSS）^[2]。由于本文研究的四大GNSS系统为GPS、BDS、GALILEO和GLONASS，故本文介绍这四个GNSS系统。

美国GPS全球卫星定位系统

在19世纪，一个国家是否强大很大程度上取决于军事力量。美国正是看清了这一点，故大力发展军事，由此GPS系统随之诞生，在1958年开始投入研究，经8年的科学研究，最终在1964年研制成功，并提供给美国军事用于战争。实际上，最初的GPS系统就是服务于美国军事的，后来随着GPS的发展以及现代化，美国意识到如果将GPS投入到民用中，必将会给美国人民提供大量的工作岗位，故美国将GPS系统提供给了全世界范围内的注册会员进行使用。随着GPS的快速发展，目前GPS系统的在轨卫星数是最多的，截止到2018年1月，在轨卫星数已达31颗，通常情况下，GPS系统的定位精度要优于其它导航定位系统。

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