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摘 要

本文重点研究的是QZSS卫星系统的轨道结构、信号特点及其对单点定位精度的增强作用。首先通过查阅资料及阅读相关文献完成对QZSS卫星系统以及GPS单点定位基本情况的描述，之后运用RTKLIB软件中后处理、绘制、转换等操作，根据已有数据分别选择GPS、GPS QZSS这两种方案对单点定位的DOP值、定位误差等相关指标进行分析比较。结果表明：加入QZSS定位方式后,有效减少了电离层误差；改善了精度衰减因子；可见卫星数增加，定位误差减小。因此可以推断出，QZSS卫星系统对GPS单点定位精度有增强效果。

关键字：QZSS系统 GPS系统 RTKLIB 单点定位

The affect of QZSS satellite system on single point positioning

Abstract

The focus are on the orbit structure, signal characteristics of QZSS system and

 the influence on GPS single-point positioning accuracy. Firstly, the basic situation of QZSS satellite system and GPS single-point positioning were described by consulting materials and reading relevant literature. Then, RTKLIB software were used to analyze and compare the DOP value and positioning error index of single-point positioning by selecting GPS and GPS QZSS positioning methods based on the existing data. The results show that the ionospheric error is reduced and the geometric precision factor is improved by adding QZSS positioning method. The number of minimum visible satellites increases and the positioning error decreases. Therefore, it can be concluded that QZSS satellite system can enhance the GPS single-point positioning accuracy.

Keywords:QZSS;GPS;RTKLIB;Single-Point Positionin目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 QZSS卫星导航系统发展历史和前景 1

1.1发展历史 1

1.2前景 2

1.3国内外研究现状 2

第二章 QZSS导航系统 3

2.1轨道特征 3

2.1.1卫星系统 3

2.1.2 通信线路 4

2.1.3地面系统 5

2.2信号结构 5

2.3 QZSS系统功能 7

2.3.1系统补充 7

2.3.2定位增强 7

2.3.3告警服务 7

2.3.4 QZSS系统与其他导航系统的信号兼容性 7

第三章 GPS单点定位 8

3.1 GPS导航系统 8

3.1.1 空间部分 8

3.1.2 地面监控部分 8

3.1.3 用户部分 8

3.2 单点定位 9

3.2.1 定位原理 9

3.2.2 伪距法绝对定位 9

3.2.3 精度衰减因子 11

3.2.4 最小二乘法 12

3.2.5 影响因素和改正模型 12

第四章 QZSS对单点定位的影响分析 19

4.1 数据处理过程 19

4.2 DOP值变化情况 19

4.2.1 HKCL测站 19

4.2.2 HKLM测站 23

4.2.3 HKMW测站 26

4.3 定位误差 26

4.3.1 HKCL测站 29

4.3.2 HKLM测站 30

4.3.3 HKMW测站 32

结 语 35

参考文献 36

致 谢 37

第一章 QZSS卫星导航系统发展历史和前景

1.1 发展历史

日本对高精度卫星导航服务的需求十分迫切。但是由于它是一个国土范围狭小、国内人口众多、城市分布密集的国家，因此较难接收到足够数量的有效卫星。改善卫星导航服务迫在眉睫，此举不但可以提升日本的卫星导航应用水平,也能增强其在亚太地区的影响力。
日本准天顶卫星导航系统是由日本经济团体联合会在2001年提出的。在2002年，采取政府和民间合作的研究方案、选择由电信和广播出资组建的高级空间商业企业参与该项目。他们准备构建3颗处在倾斜轨道内的卫星，让它们的星下点沿着相同的轨迹分布。但是经过研究分析发现：通过卫星提供的电信和广播服务并不具备较强的竞争力，故而解散了高级空间商业公司。2007年，日方政府通过了出资建立QZSS 3颗卫星中的首个的提议并且决定由卫星定位研究与应用中心继续研发准天顶卫星QZS。2010年9月11日，第一颗卫星“引路者”Michibiki(QZS-1)成功发射并且该卫星可以有效提高服务区域内的卫星导航性能。2012年9月，日本政府批准并实施了QZSS系统建设计划，并且将剩下的三颗QZS-2、QZS-3、QZS-4在2017年的6月1号、8月19号、10月10号相继发出，其中QZS-1、QZS-2、QZS-4都是IGSO轨道卫星，而QZS-3是GEO轨道卫星,花费超过34亿美元。目前已经完成了这4颗卫星的部署，并于2018年11月1日正式提供服务^[9]。

由于QZSS系统能够辅助提升全球导航定位的功能，日方对能与其他国家合作给予高度重视，并致力于尽快打开海外市场。他们已经向较多国家和地区推荐使用该系统及其增强服务，借助QZSS系统提供的GPS辅助功能,增强日本在国际的影响力。

1.2 前景

日本准天顶卫星导航系统已经完成了主要的部署,通过与导航信号的兼容功能从而达到增强导航定位性能的目的。目前，QZSS早就确定有4颗卫星进行定位工作，保证这些卫星持续运转，就算只有QZSS系统也可以满足定位需要。日方准备三年后再发射3颗IGSO卫星，然后组成七星组网。等到2023年，准天顶导航卫星就会是一个完善的卫星导航系统了，可以在定位过程中发挥重要作用。和我们国家的北斗二代较像，区别是卫星比北斗二代少^[12]。

1.3 国内外研究现状

从QZSS开始建立到如今，有不少国内外学者针对其各个方面展开了研究：2012年，德国Andre´Hauschild等科研人员介绍了对日本QZSS导航系统第一颗卫星Michibiki的产生进行了研究，通过对Michibiki轨道测定结果的分析，给出了QZSS和GPS观测值之间差分码偏差的估计。将估计的轨道与广播星历进行比较，并通过重叠比较来评估其精度^[16]。 2019年12月，国内学者高为广、苏牡丹等人针对QZSS服务及应用开展了研究工作，对其轨道信号、服务应用领域等方面进行分析,得出了QZSS系统在铁路、农业、建筑等行业可以拓展厘米级增强服务应用，得出这些对推进我国卫星导航系统有一定意义的结论^[10]。

第二章 QZSS导航系统

2.1 轨道特征

2.1.1 卫星系统

日本研发的准天顶卫星体系目前在定位中发挥了重要作用，它的轨道卫星组成包括了IGSO和GEO两类。 IGSO轨道卫星干质量为1600kg,发射质量为4000kg。而GEO轨道卫星的干质量比其多200kg，发射质量比其多700kg。^[1]虽然三颗IGSO型号卫星分布在三个不同的轨道上，但轨迹和运行周期都是相同的。这种分布特点使得每颗卫星以相同的时间间隔通过同一个地面点；并且保证任何时间用户可以在高仰角区域接收到卫星信号。准天顶卫星轨道部分参数如表2-1所示：

表2-1准天顶卫星轨道参数

星下点分布成上窄下宽的“8”字形。卫星相对赤道不是对称分布的，且在北半球运行时间较南半球更长。这种特殊方式增强了一些卫星被覆盖的区域的定位效果。三颗椭圆轨道卫星约每六个月完成一次轨道控制。地球同步轨道卫星卫星则是一月进行一次轨道控制，以保持轨道方位。这段时间内，卫星的定位和授时服务均会暂停^[7]。星下点轨迹如图2-1所示：

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