一机多天线高精度北斗/GPS定位模型和关键技术研究

The research is based on an exclusive multi-antennas Beidou/GPS reciever, which can process both Beidou and GPS signal simultaneously and has many features including low costs, high precision and real-time performance. The system is applied into four experiments, measuring direction and posture, suppressing multi-path effect on recievers, improving precise point positioning(PPP) in both precision and effeciency, setting up the phase center model for antennas. All four experiments are promising and important to many proffesional aspects. At the beginning of this research, a totally brand new mathematical model of the multi-antennas reciever is created, which contains both zero-difference and sigle-difference modes. A fast integer ambiguity resolution method based on a new algorithm is also established. Then related softwares, including solving modules and demo modules are designed and programmed, tests to the system are carried out after that. Since softwares are ready, all four experiments are started independently. The most complicated and difficult part of this research is how to set up an accurate, fast, reliable model of the whole system. This research aims to explore the promising future of the application of the multi-antennas recivers, which holds a high innovation and practical value.

本研究从一机多天线这一全新的北斗/GPS接收机同时使用北斗和GPS信号这一全新的工作方式着手，利用一机多天线系统低成本、高精度、高实时的特点对包括定向测姿、削弱接收机多路径效应、提高传统精密单点定位的计算精度和效率、建立天线相位中心模型这四个领域作出应用性试验和可行性探索。本研究首先建立一机多天线完整数学模型（包括非差以及单差模型），并探索一种全新的快速锁定整周模糊度算法，在完成对相关算法的设计之后编写相应软件。之后，利用一机多天线系统和研究所得软件进行如前所述的四个应用领域的实验与可行性分析。由于一机多天线平台本身的独创性使得本研究的重点难点在于建立合理模型，设计可靠算法。本研究将对一机多天线的应用前景作出较大探索并且结合了北斗和GPS两个平台，具有很高的创新和实用价值。

时钟同步多天线GNSS接收机是一种高精度、低成本、用途广泛的新型接收机。它的短基线天线间单差就可以同时消除卫星和接收机的钟差，相当于传统的双差算法。但是，目前市面上产品的算法还是沿袭时钟不同步的两个接收机的双差算法，并没有真正利用时钟同步的优势来提高精度、应用范围和效率。本课题研发了针对这款新型接收机的短基线单差解的新算法，不仅大大提高了解的精度和效率，而且大大拓宽了它的应用。这种新算法还使我们清晰地观测到地基相位缠绕效应（GPWU）并发现它的潜在应用。主要研究工作如下：.(1)研发了基于时钟同步多天线GNSS接收机的单差载波观测的实时测姿算法，在观测量、冗余度以及参数相关性三个方面均优于双差方法。我们提出的的模糊度置换法（Ambiguity Substitution Approach，简称ASA法），有效地分离了整数单差模糊度和实数初始模糊度相位，缩小模糊度搜索范围，在提升了整数模糊度固定的效率和正确率；.(2)建立了格点型消除GNSS多路径误差的多路径半天球模型 (MHM)，与传统多路径效应消除方法仅能应用于静态环境相比，MHM方法多路径消除应用从静态环境扩展到船载、机载等多路径主要由载体本身产生的动态环境下。.(3)提出了基于地基相位缠绕的单天线测向法（Single Antenna Yaw angle Determination, SAYD）。与传统双天线测姿相比，利用地基相位缠绕估算的航向角精度与基线长度无关，在超短基线的应用环境中具有较大优势。.在本课题研究工作进行期间，各项工作均按计划顺利完成。本项目成果斩获第十七届中国国际工业博览会首届空间信息产业暨北斗导航技术应用展创新金奖，并获得专利授权3项、软件著作权2项。项目组成员共参与国内外会议15次，特邀报告2次，分组报告4次，撰写发表了 15篇研究论文（ SCI 论文 7 篇）。