多系统多频率GNSS广域精密单点定位模糊度快速固定理论和方法

The rapid expansion of high-precision human activities to every corner of the Earth demands real-time location services of centimeter-level accuracy in wide areas. Precise point positioning (PPP) using GNSS is the basis of this wide-area high-precision location service, but is unfortunately limited by its long initialization periods of more than 20 minutes, and thus cannot meet the time-critical requirements by automatic driving, intelligent transportation, etc. We will study the theory and method of rapid undifferenced ambiguity resolution using multi-GNSS and multi-frequency observations, and overcome the difficulties of GLONASS pseudorange inter-frequency biases, GPS/BeiDou inter-frequency clock biases, etc. We will establish undifferenced uncombined GNSS observation model by allowing for the estimation of inter-system, inter-frequency biases and those between pseudorange and carrier-phase data. We will exploit the benefits of multi-frequency observables in forming long-wavelength ambiguities, and achieve ambiguity-fixed PPP solutions through tightly integration of multi-GNSS data. Based on these efforts, we expect to reach the goal of initializing real-time PPP in wide area within a few minutes. The outcome of the project will satisfy the demanding requirement for rapid centimeter-level accuracy in real time by precision agriculture, oceanic resource investigation, natural hazard early warning, etc. which means a significant improvement for GNSS applications and services.

GNSS广域实时精密位置服务是当今人类越来越精细的社会活动延伸到地球各个角落的必然需求，但其依托的精密单点定位技术（PPP）却受制于长达20-40分钟的初始化时间，因此不能满足一些时效性要求较高的应用，如自动驾驶、智能交通等。本课题拟着眼于多系统多频率GNSS迅速发展的重要契机，开展PPP非差模糊度固定和快速初始化的理论和方法研究，突破GLONASS伪距频率间偏差、GPS/BeiDou频率间卫星钟偏差等因素的阻碍，以非差非组合的方式处理多系统多频率GNSS观测量，利用多频率信号的组合波长优势，融合多系统观测量以显著提高模糊度的联合固定效率，实现能够在数分钟之内完成初始化、并达到厘米级精度的广域PPP服务。预期研究成果将能够显著改善实时PPP的导航定位效率，拓展其在广域实时快速精密位置服务中的应用前景，如精密农业、海洋资源勘探、地质灾害预警等，对提升GNSS的应用层次具有重要的现实意义。

随着科技生产力的发展，位置服务逐渐成为人类生产生活不可或缺的一部分。精密农业、自动驾驶、资源勘探、地质灾害监测以及物联网和智能化革命等都对位置服务技术提出了广域化、实时化和高精度的迫切需求，即实现全球实时快速分米级和厘米级位置服务。与传统的局域差分GNSS相比，PPP服务不依赖密集参考站网，建设成本低廉却有潜力实现广域乃至全球的高精度定位服务。然而，基于PPP的实时位置服务的瓶颈在于很难保证连续稳定的厘米级精度和高效快速的初始化能力。随着GNSS多系统、多频率信号逐渐展露出加快精密定位初始化的潜力，其在GNSS应用层次上的高度融合既是未来发展趋势，也是GNSS广域实时快速精密定位技术瓶颈的突破口。本课题着眼于多系统多频率GNSS数据的融合来研究PPP初始化的瓶颈问题，即非差模糊度固定与实时快速初始化，主要进行了以下几方面的研究。1）深入研究了码分多址，频分多址系统的硬件延迟特性以及模糊度固定方法。分析了GLONASS频间相位偏差与伪距偏差的关系，并提出了完整有效的估计方案，为IGS GLONASS硬件偏差产品提供了科学依据。同时提出引入外部电离层约束快速固定GLONASS模糊度的方法。2）研究了GPS、BeiDou 的频间钟偏差特性，提出了可消除IFCB影响的多频多系统非差非组合数据处理模型和统一理论。该模型包含北斗星间多路径延迟的改正，同时可以拓展到任意频率数，为多系统多频率GNSS的研究工作打下了良好的基础。3）提出了相位偏差/相位钟理论并提供多系统产品以及配套开源GNSS数据处理软件。相位偏差/相位钟理论成功实现了经典UPD方法与整数钟方法的有机结合，为IGS分析中心钟差产品的提供方式提供了科学依据。课题组生产的产品在发布一年内下载量超11万次，软件超4500次，用户来自全球40多个国家和地区。4）提出了多频多系统条件下广域实时瞬时分米级，快速厘米级单点定位的完整理论。课题组通过研究最优的多频组合信号，提出了基于Galileo, BeiDou-3多频信号的快速PPP初始化方法并申请专利。根据需求可实现全球瞬时水平20 cm级单点定位，并可在3分钟内实现可靠的厘米级PPP定位服务。这些服务将拓展PPP在时效性较高的应用如自动驾驶、精密农业以及灾害预警等领域中的应用前景，对提升GNSS的整体应用水平与服务性能具有重要的现实意义。