第一章 绪论
1.1 研究背景意义
近年来，许多国家和地区纷纷建设自己独立的卫星导航系统,来摆脱对其他国家的导航系统的依赖，避免在导航领域受到限制。而处于领先地位的美国为确保自己在导航领域的主宰地位，不断优化和推进 GPS 现代化。俄罗斯也不甘落后，在 2010 年提出了 GLONASS 现代化的计划。欧洲的 Galileo 已进入测试阶段，将于近期开放服务。中国的北斗导航系统，后来居上，经过最近两年密集地发射卫星，组网已经完成，形成了服务亚太地区的区域导航系统。而日本的 QZSS、印度的 IRNSS 等也在加速组建，在导航领域出现了各个国家相互竞争的局面。在推进导航系统建设过程，各个导航系统开始提供多频信号的服务，来拓展导航领域。
(1) 美国 2009 年 3 月发射 GPS BlockⅡR20-M 卫星，第三频段 L5 采用1176.45MHz 的频率，开始提供 GPS 第三个频段的服务。
(2) 俄罗斯在完成 24 颗卫星的轨道布局的同时，积极推进 GLONASS 的现代化，于 2011 年 2 月成功发射第一颗能播发第三频率的 GLONASS-K11 卫星，提高定位精度和效率。
(3) 欧洲的 Galileo 在系统筹划阶段，就制定了提供多频信号、与 GPS 和GLONASS 的兼容系、统综合性能优于 GPS 的目标。欧洲在 2005 年 12 月完成Galileo 实验卫星的发射，在 2011 年 10 月发射了 Galileo 系统中前 2 颗卫星，开始组建 Galileo 导航系统。
(4)中国的北斗系统，在完成了北斗一代双星定位系统的验证阶段之后，迅速成为了继美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后的向全球提供服务的系统。中国的北斗导航系统按照“三步走”发展战略在稳步推进：第一步，1994年~2003年为北斗导航系统的验证阶段，主要完成卫星参数的测试。第二步，2004年~2012年，组建覆盖亚太地区、服务亚太及周边国家，具有导航、定位、授时、短报文通信的卫星导航系统。第三步，从2014年起，继续发射卫星，开展进一步组网工作，提升区域服务性能，并向全球扩展。到2020年左右，共将发射约40颗北斗导航卫星，完成覆盖全球的系统建设目标。目前的北斗导航系统兼具北斗的一代的有源定位、授时、短报文通信功能，还具备北斗二代无源定位的功能，播发B1、B2、B3三个频点的信号。
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1.2 主要研究现状
GNSS 多频，相对于单频或双频而言，在探测和修复周跳，电离层残差改正，整周模糊度解算、局域差分等方面有非常大的优势。随各国导航系统多频建制的发展，多频组合观测的理论研究成为热点。常青[2]等系统地研究了 GPS 多频组合观测值的特性和相应的观测噪声；王泽民[3]等结合 Galile 的四频特性，给出了组合观测的定义和优选标准；合肥工业大学的许军[13]等研究了以频分多址为体制的 GLONASS 三频组合特性及观测噪声；申俊飞[4]等结合多频的定义，给出了北斗长波长、弱电离层、低观测噪声的三频观测值组合。国外学者 Cocard[52]通过分析 GPS 三频长波长、弱电离层、低观测噪声的组合系数，发现了同一组合标准的组合系数具有共性。刑喆[6]等采用了最大树聚类法对组合系数进行了优选，黄令勇[7]等采取了相异度矩阵的聚类方法对 GPS 三频组合系数进行了优化选取。虽然目前对多频组合系数智能选取的方法很多，但这些算法都是以固定集合为基础，因此进一步优化算法、研究对于可变集合的智能筛选算法，实现多频组合观测值更高效、更自动化地优化选取。
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第二章 北斗卫星导航系统介绍及 GNSS 原始数据解析
2.1 北斗卫星导航系统介绍
北斗系统由地面部分、空间星座部分、用户终端三部分组成。北斗卫星星座部分负责按照固定的频率向地面发射卫星信号；北斗地面支撑部分接收到信号后进行计算和卫星轨道预测，并将结果注入到空间星座部分；北斗用户终端部分观测到足够可见卫星之后，从信号中解读出卫星导航电文，通过不同的算法对自身的位置进行确定。北斗地面部分包括监测站、上行注入站、主控站。主控站是地面控制系统的中心，通常也是整个卫星导航系统的中心，具有收集数据、计算参数、监视卫星、协调运转、维持同步、控制变轨、更新电文等功能。上行注入站的功能是接收主控站发来的信息和控制指令，并将之注入到各个卫星，由于这些信息和指令中包含卫星导航电文、广域差分信息等重要内容，这都是后续完成对卫星控制和导航定位功能的核心信息，所以一定要保证注入站能够正确地注入信息。监测站的功能是数据采集，监测站接收机对卫星连续观测并将数据送至监测站，监测站传感器可以将气象等信息采集回监测站，监测站将这些信息汇总之后传给主控站处理。北斗的空间星座部分。由 5 颗 GEO 卫星、27 颗 MEO 卫星和 3 颗 IGSO卫星组成。GEO 卫星与地球保持相对静止，轨道高度 35786 千米，分别定点于58.75E 、 80E 、 110.5E 、 140E 和 160E ；MEO 卫星轨道高度 21528 千米，轨道倾角 55 ，均匀地分布在 3 个轨道面上，夹角为 120 ；IGSO 卫星轨道高度 35786千米，轨道倾角 55 。
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2.2 时间系统和坐标系统
北斗卫星导航系统相对于 GPS 而言，也有自己的时间系统，称北斗时。北斗时以秒为基本单位，不闰秒，以协调世界时时间 2006 年 1 月 1 日协调世界时 00时 00 分 00 秒开始计时，但此时 GPST 相对于 UTC 已有 14 秒的闰秒，因此在计算以 GPST 为时间基准的北斗星历时，需要加 14 秒。北斗系统也采用以 7 天为一周的北斗周和每周六午夜零时清零的北斗周内秒来计数，北斗时通过国家授时中心授时与协调世界时保持联系。北斗卫星导航系统的坐标系统采用的是以 ITRF97 参考框架的 2000 大地坐标系（CGCS2000）。CGCS2000 几何定义为：原点位于地球的质量中心，Z 轴指向 IERS 参考极方向，X 轴指向位于赤道面内经过原点和 IERS 参考子午面的直线的方向，并且 X 轴与 Z 轴垂直。Y 轴与 Z、X 轴构成右手直角坐标系。CGCS2000坐标原点与 CGCS2000 参考椭球的几何中心重合，旋转轴与 CGCS2000 坐标系的 Z 轴重合。CGCS2000 参考椭球定义的基本常数如表 2.1 所示：
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第三章 北斗多频理论...........21
3.1 多频双差相位观测值定义.............21
3.2 组合观测值误差分析...........22
3.3 北斗多频组合值选取...........22
3.4 基于改进 FCM 的北斗三频组合观测值选取......26
3.5 小结..........32
第四章 北斗多频观测值周跳探测与修复.............33
4.1 多频伪距/载波相位组合探测周跳..........33
4.1.1 周跳探测应用实例......34
4.1.2 小结..........39
4.2 多频电离层残差法&M-W 组合法...........40
4.3 Geometry-free 组合.....47
第五章 北斗多频单历元模糊度解算...........48
5.1 整数变换法........48
5.2 CIR 方法............52
5.3 本章小结............54
第五章 北斗多频单历元模糊度解算
5.1整数变换法
解算后得到模糊度值通过四舍五入后99%的分别为-3992、-3744，极个别值受伪距观测噪声的影响，有小的波动，但取整后后都在双差模糊度±1周以内。消除这种影响可以通过比较连续相邻两个历元的双差模糊度来确定，剔除掉有±1波动的值。图5.3相比图5.1、5.2，双差模糊度波动很小，这主要因为在B3频点调制的测距码为精码，有较高的测量精度。从图5.3可以看出，解算后的模糊度值取整后都为33983。CIR法在进行模糊度解算时，并不是直接使用原始的载波相位观测值，而是通过对多频观测值进行线性组合而生成一系列不同拍频波长的组合观测值，然后沿着从最宽巷组合到最窄相组合的顺序逐级求解出所有各个组合中的整周模糊度。组合后观测值的等效波长增大，可以达到减小噪声和提高观测值精度的作用，有利于高成功率地解算模糊度。
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结论
本文主要针对北斗多频数据处理的理论和方法进行了研究，主要包括GNSS原始数据解析、北斗多频组合观测人工选取及智能选取、多频周跳探测与修复、单历元模糊度解算等内容，现将完成的主要工作和结论总结如下：
1. GNSS原始数据解析。对目前常见的GNSS原始导航电文和原始观测数据进行了解析。由于GPS卫星全部是中轨卫星，基本导航信息都在导航电文的1、2、3子帧当中，每一帧有300位，每一帧只有一个页面。北斗导航系统含有三种轨道卫星，即GEO卫星、MEO卫星和IGSO卫星，总体可以分为GEO卫星和非GEO卫星，GEO卫星的基本导航信息在D2导航电文子帧1中，D2导航电文子帧1含有10个页面，每个页面有300位，并且只有前150位为有效数据。非GEO卫星的基本导航信息在D1导航电文的1、2、3子帧中，每一子帧有一个页面，每个页面有300位，并且所有位全部有效，这和GPS电文的帧结构相似，但参数排列和GPS不同。最后根据RTMC格式和NMEA格式，对GPS和北斗的原始观测数据进行了解析。
2. 北斗三频组合系数智能选取。根据长波长、低噪声、弱电离层等标准选取了北斗三频组合观测值，针对以往采用聚类方法在研究 GPS 三频组合数据过程中的不足，提出了基于距离修正的增量模糊 C 均值算法。通过调节
