第一章 引言
1.1 课题研究的背景和意义
卫星定位导航业务是当今世界成长最快的信息业务之一，它在卫星数目足以确保覆盖全球的情况下，利用无线电手段实现导航定位，全世界范围内的用户可以通过这项技术获得高精度的测速、导航、定位和授时服务。全球卫星定位导航系统有着很多优点[1-2]：全天候，受气候变化因素影响小；全天时，一天内 24 小时服务；精度高；效率高；对全球进行全方位覆盖。全球定位导航系统作为一项高新技术产业，已经融入到人类生活的各个领域，GNSS 的工作原理如图 1.2 所示。目前，世界上主要有 4 个卫星导航系统，分别是美国的 GPS（全球定位系统）、俄罗斯的 GLONASS（格洛纳斯）、欧盟的 GALILEO（伽利略）和中国的 COMPASS（北斗卫星导航系统）。其中，美国的 GPS 是应用最成熟最广泛的卫星导航系统[4]，它占据了卫星定位导航市场的绝大部分份额，而且在军事领域发挥着举足轻重的作用；俄罗斯的 GLONASS 在苏联解体后一度处于崩溃的边缘，现在随着俄罗斯经济状况的好转，GLONASS 正处于稳步恢复过程中；欧盟有志于发展自己的卫星导航系统，提出了伽利略卫星导航系统的建设计划，但进展相当缓慢；中国的北斗系统起步于 21 世纪初，经过十几年的迅猛发展，目前已经具备在亚太地区定位导航的功能，并计划在 2020 年左右完成全球组网任务[5]。美国的 GPS 鉴于全球组网的考虑，发射的卫星都是具有较小运行周期的中圆轨道(MEO—Medium Earth Orbit)卫星。中国的北斗遵循分步建设策略[5]，首先要在短期内实现在中国领域上空的区域导航能力，这使得中国在卫星组建上采取了有别于 GPS 的策略，中国的北斗星座中包含三类卫星[5]：地球静止轨道 (GEO—Geostationary Earth Obit) 卫星、地球同步倾斜轨道(IGSO—Inclined GeosynchronousSatellite Orbit)卫星、中圆轨道卫星。三类卫星具有各自的特点和作用[6-8]：GEO 卫星静止于赤道上空，在可见区域内一直保持可见状态，可有效的增强区域导航能力，但其对于较高纬度地区的观测用户来说处于低仰角状态，对卫星的几何结构造成不利影响；IGSO 卫星运行轨迹为大“8”字形，24 小时内在覆盖区域南北来回运动，而且由于轨道本身的倾斜性，对观测用户来说有较高的仰角，可以有效的增强卫星的几何结构；MEO 卫星重在为全球组网提供实践经验，对于中国区域的导航起不了太大的作用，甚至是多余的，但从北斗的全球发展性来说，其又是必不可少的。
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1.2 GNSS 发展现状
近20年来，美国的GPS卫星定位系统在历次局部战争中都发挥了巨大的作用，曾多次帮美军扭转战场上的不利局势，显示了卫星定位导航系统在现代战争中不可估量的价值，引发了世界各国在军事方面的巨大变革；同时，GPS 已经成功运用到了生活的各个角落，如智能交通、测绘、旅游、考古、精细农业、气象预报、地壳运动以及资源调查、环境监测等方面[1-3]，对全球经济的发展起了巨大的推动作用。鉴于全球卫星定位导航系统在政治、经济、军事方面等诸多领域存在的巨大应用价值，世界很多国家和地区都在致力于发展自己的全球卫星定位导航系统，我国也正式提出了自己的北斗卫星定位导航系统(COMPASS)建设计划[5]。在上世纪的后 30 年，美国建立了全球首个卫星定位导航系统 GPS[1]，它是人类科学探索过程中的一个重要突破和技术创新，总投资耗费了数千亿美元。GPS提供的服务[18]有：SPS,服务对象是普通民众，采用 C/A 码定位，这种测距码调制在 L1 载波上，在 2000 年 5 月 1 日选择性可利用政策取消以前，GPS 定位的精度比较差，大约有百米左右，部分国家的特殊单位可以得到较高精度的定位服务，约有 3~30 米；另一种服务是 PPS,它主要为美国及其盟国提供服务，这种定位方式采用具有较高测距精度的 P 码进行定位，P 码同时调制在 L1、L2 两个不同频率的载波上，通过 P 码进行伪距定位，能够获得 1 米以下的定位精度。现在美国政府正在进行 GPS 现代化[3]，相关的措施主要包括：新的卫星的发射；增加新的信号频段；民用信号和军用信号分离，避免混淆和相互影响。2012 年以前，GPS 卫星定位系统的所有在轨卫星都已经更新为ⅡR-M 型，新的 GPS-Ⅲ型卫星预计在 2015年至 2020 年左右完成发射并投入使用，到时候 GPS 的定位精度将在很大程度上得到优化，可以获得厘米级的定位定位精度，远优于原来的米级水平。
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第二章 GPS 和北斗系统概述
2.1 GPS 系统介绍
GPS 的前身叫做子午卫星系统(Transit)，是美国的第一代卫星定位导航系统，它是由美国海军研制、建设和运营的，这个系统定位和导航是利用多普勒测量的方法来完成的。20 世纪 60 年代初，美国完成了子午卫星导航定位系统的建设并成功服务于军方，20 世纪 60 年代末该系统开始对外公开，为民间提供服务[1]。子午卫星系统有着很大的局限性：需要花费很长的时间来完成一次定位，难以满足卫星、飞机、导弹等高速运动载体的服务要求，对于运动轨迹比较复杂的车辆等也不能实现较好的定位导航功能；而且它不是一个连续的、独立的卫星导航系统，没有采用针对多路径效应的码分、时分、频分等接收手段，系统中不能含有太多的卫星，因为接收机在某一时刻只能接收一颗卫星的信号；从测量方面而言，子午导航系统等待卫星的时间比较长，严重影响了作业效率；时钟的频率不稳定，电离层改正模型不够准确，卫星轨道低摄动力影响大，这些导致了定位精度偏低。由于子午卫星导航系统存在以上缺点，为了消除这一弊端以更好的为国防服务，美国国防部开始致力于研究第二代卫星导航定位系统，这就是全球定位系统GPS。19954月27日，美国空军空间部宣布全球定位系统具备了齐全的工作能力 FOC(Full Operational Capability)[3]，这标志着人类史上第一个功能完整的卫星定位导航系统的正式建成。GPS 作为最新的卫星定位导航系统，在国防、野外勘察、农业、车辆管理、测量及高质量时间比对方面都发挥了积极地作用，大大推动了许多重要领域的讯速发展。GPS 卫星定位导航系统主要包括三部分：在轨卫星星座部分、大地监控部分、用户接收机部分。
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2.2 北斗系统介绍
北斗导航卫星系统目前正在建立当中，是我国自主研发设计、自主运行的卫星导航系统。本系统所要实现的任务[5]是：创建不封闭、兼容并包、独立自主、科技领先、有着可靠稳定性的能够在全世界提供导航定位服务的卫星导航系统，促成我国的卫星导航产业链的形成，打造完善的国家卫星导航应用产业的基础支持体系和保障制度，促进卫星导航系统为国民经济建设的各行业提供服务。北斗卫星导航系统也是由三部分组成，包含：空间星座部分、地面监控部分、用户接收机部分。计划由 35 颗卫星构成空间卫星星座部分，其中 5 颗是静止轨道卫星，30 颗是非静止轨道卫星；地面监控部分由主控站、注入站和监测站等三部分构成；用户部分主要包括北斗接收机以及与别的卫星导航系统兼容的设备。卫星导航系统在获取空间信息方面发挥着重要作用，中国政府一直在努力建设独立自主的的卫星定位导航系统，十分重视卫星导航系统的发展情况。2000 年，中国政府首先建成了北斗的实验系统，又叫“北斗一代”系统，这打破了美国的 GPS和俄罗斯的 GLONASS 的垄断地位，这是继美俄罗之后中国成为世界上第三个具备独立自主定位导航能力的国家的重要标志。北斗系统有力的推动了国民经济的发展，产生了非常可观的经济效益和社会效益，在测绘、电信、交通、公共安全等领域得到了成功应用。在 2008 年的北京奥林匹克运动会和汶川大地震灾后重建中，北斗导航系统都发挥了积极作用。为了更好地为国家建设服务，满足在全球定位导航的需求，中国政府进一步加大投资力度，致力于建设更加完美的卫星导航系统。
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第三章 误差源及处理方法........17
3.1 误差源概述.........17
3.2 卫星钟差与接收机钟差及改正方法....17
3.3 电离层延迟改正..........17
3.4 地球自转效应改正..........21
3.5 误差修正结果分析..........21
第四章 伪距单点定位.......27
4.1 GPS 单点定位....27
4.2 北斗单点定位....33
4.3 GPS/北斗组合系统单点定位..........34
4.4 单点定位精度评定..........36
4.5 单点定位结果分析..........38
第五章 GPS/北斗组合系统随机模型的确定.........45
5.1 常用的定权方法..........45
5.2 实例验证与分析..........50
第五章 GPS/北斗组合系统随机模型的确定
目前，利用多星座进行联合定位是导航定位技术发展的趋势[43-46]。组合系统定位能够削弱单系统的系统性误差，增加可观测卫星数目，改善卫星的空间分布结构结构，其在可靠性、可用性方面优于单系统，定位结果也更加合理可靠。北斗系统与 GPS 系统采用的通信模式是一样的，都采用码分多址通信技术，而且在进行数据处理时量个系统有着一样的函数模型[47]。在进行组合定位时用到的伪距观测量来自于两个不同的系统，而且来自同一系统的观测量精度也是大小不一的，因此，在进行数据处理时随机模型难以精确确定。随机模型的准确与否对最终的定位结果有着很大的影响，如果随机模型确定的不准确，将导致未知参数的最优估计有偏差[48]。单点定位数据处理的基本
