GNSS卫星实时精密定轨技术研究

发布时间：2020-08-21 19:04

【摘要】：实时精密PNT(Positioning,Navigation and Timing,定位,导航与授时)服务是人类活动的基本需求之一,GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)以其全天候,全覆盖以及高精度等优势,逐渐成为广泛采用的实时PNT服务方式之一.基于广播星历的实时PNT服务是GNSS实时PNT服务最基本的形式,然而,受限于广播星历的轨道/钟差精度,难以实现分米级以及更高精度的服务.PPP(Precise Point Positioning,精密单点定位)技术通过在状态域改正GNSS卫星轨道/钟差等误差,单站即可实现实时高精度PNT服务.实时高精度的GNSS卫星轨道/钟差等产品是实现实时高精度PPP的必要条件.因此,本文开展GNSS卫星实时轨道/钟差等产品的估计算法研究以及估计软件研制,主要研究内容和成果包括:·总结了当前国内外的研究现状,分析了当前GNSS实时PNT服务的发展趋势,提出了更为严密灵活的实时轨道和钟差整体估计策略.·总结了GNSS卫星精密定轨中的时空基准,轨道模型以及观测模型,重点对时空基准中的EOP(Earth Orientation Parameter,地球定向参数)处理和卫星姿态建模,轨道模型中的摄动力以及观测模型中的误差项进行了研究.·推导了GNSS实时精密定轨模型.采用近似状态转移公式实现了观测值的高精度同步,避免了内插算法所需的多次积分;采用双频IF(Ionospheric-Free,消电离层)组合钟差基准,同时顾及了测站端以及卫星端的IFCB(Inter-Frequency Clock Bias,频间钟差偏差),第三频率相位残差中不再吸收硬件延迟;研究了实时质量控制以及快速估计方法,将Open MP并行算法引入到了实时精密定轨中,给出了利用线性代数库加速的稳健的扩展Kalman滤波算法,建立了一整套GNSS实时精密定轨算法,并且研制了相应的实时精密定轨软件.·对比了提高实时精密定轨效率的方法,包括逐观测值测量更新,OpenMP并行加速,Eigen库加速以及Open BLAS库加速.结果表明,相比逐观测值测量更新,Open MP并行加速可以提高计算效率,但是幅度较小,线性代数库加速效果明显优于Open MP并行加速,因此,在存在外部库的条件下,推荐采用外部库.在采用约100个测站(参数个数约为1500)时,GPS(Global Positioning System,全球定位系统)单系统参数估计耗时约为2.0s,完全可以满足10.0s更新的实时服务需求.·评估了GPS/Galileo实时精密定轨精度.考虑系统间的相关性较弱,采用分系统估计策略.结果表明,GPS卫星双频实时轨道RMS(Root Mean Square,均方根)达到3.0cm(径向),5.0cm(切向)以及4.0cm(法向),实时钟差STD(STandard Deviation,标准差)约为0.10ns,Galileo卫星双频实时轨道RMS达到6.0cm(径向),8.0cm(切向)以及5.0cm(法向),实时钟差STD约为0.16ns.由于模型差异,轨道径向存在1.0-2.0cm的系统性偏差,钟差STD不受影响.总体而言,实时轨道以及钟差的精度与国际同类产品基本相当.·分析了实时精密定轨中的过程噪声.为防止滤波器的发散,建议采用比较保守的数值.对比了实时精密定轨收敛速度的影响因素,包括初始位置,速度以及SRP(Solar Radiation Pressure,太阳辐射压)系数的精度.结果表明,收敛速度对初始位置精度更为敏感,利用先验SRP模型可以减小初始阶段的径向误差,径向收敛速度由于受到力模型约束,收敛时间最长,切向以及法向收敛时间较短.总体而言,实时轨道需要大约12小时才能达到完全收敛的状态.·分析了实时精密定轨中参数的相关性,包括模糊度参数,ZWD(Zenith Wet Delay,天顶湿延迟)参数,轨道参数以及钟差参数.结果表明,对于相同类型的参数,相同测站/卫星的相关性高于不同测站/卫星的相关性,而钟差参数不同,测站钟差与卫星钟差之间线性相关,由于基准的引入,钟差参数在不同测站/卫星之间的相关性接近于1.0.对于不同类型的参数,由于与模糊度参数存在不同程度的相关性,固定模糊度可以提高ZWD参数,轨道参数以及钟差参数的精度.·研究了多频观测值处理中的IFCB.结果表明,GPS三频卫星IFCB存在明显的时变特性,BLOCK IIIA卫星的IFCB相比BLOCK IIF卫星得到大幅削弱,Galileo三频卫星IFCB几乎稳定为常数,当采用DCB产品改正卫星端IFCB时,由于DCB(Differential Code Bias,差分码偏差)产品的不连续性,会导致相位残差在天与天之间出现异常.由于双频观测信息已经充足,除非在极端情况下,目前三频观测值相比双频观测值在实时精密定轨中并没有明显的优势.·研究了非差模糊度固定中的UPD(Uncalibrated Phase Delay,未校正相位延迟).采用最小生成树算法建立独立模糊度基准,利用UPD的稳定性传递独立模糊度基准,在UPD收敛后,对改正卫星端UPD的浮点模糊度进行质量控制.结果表明,GPS非差宽巷UPD比较稳定,一天内的变化幅度基本不超过0.20周,除个别卫星外,STD均在0.10周以内,Galileo非差宽巷UPD非常稳定,一天内的变化幅度基本不超过0.10周,STD均在0.05周以内;GPS双频实时非差宽巷UPD与CNES事后产品符合很好,差异均在0.10周以内.
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P228.4
【图文】：

实时钟差图 1.1: IGU 产品精度比较合适 (Choi 等, 2013); 对于积分外推弧长, 考虑到卫星进入地影或者发的精度衰减问题, 则是越短越好 (楼益栋, 2008; Deng, 2016; Li 等, 2018; 赵2018). 在积分外推弧长越来越短, 即预报轨道更新频率越来越高时, 法方程的成为问题. 楼益栋 (2008) 采用滑动窗口短弧法方程综合方法进行 1 小时更 卫星实时轨道预报, GPS 卫星实时轨道径向, 切向以及法向精度分别为 4.11 4.03cm. 滑动窗口短弧法方程综合方法本质上是联合批处理与滤波的折中-11-

实时钟差图 1.2: RTS 产品精度新的 RTGx/GipsyX 软件 (Bar-Sever 等, 2015; Bar-Sever, 2017), 均采用均方波 SRIF(Square Root Information Filter, 均方根信息滤波) 算法, 其中, RTG时应用. 2005 年, 英国纽卡斯尔大学基于 ESOC/ESA(European Space Opertre, 欧洲太空运营中心) 的事后数据处理软件 BAHN, 开始研制实时数据处uto-BAHN. Auto-BAHN 利用观测值之间的独立性, 采用逐观测值 Kalman更新, 生成的 GPS 卫星实时三维轨道精度约为 13.6cm(Zhang 等, 2007). CNES 基于 SRIF 算法研制了实时轨道/钟差/UPD 估计软件, 为平衡效率与量更新中采用 downdating 算法 (将验后残差异常的观测值移去) 消除粗差度固定后的 GPS 卫星实时轨道径向, 切向以及法向精度分别为 2.86, 4.18-13-

GNSS 卫星精密定轨基本理论主要包括轨道模型和观测模型两个部分, 时空基准则是轨道模型和观测模型的基础. 本章首先对 GNSS 卫星精密定轨中涉及到的时空基准及其相互转换进行说明, 进而分别对轨道模型和观测模型加以阐述. 其中, 轨道模型包括力学模型以及轨道积分, 观测模型主要为 GNSS 观测值的相关改正模型.2.1 时空基准2.1.1 时间系统时间系统的定义包括起点以及尺度两个部分. 在 GNSS 卫星精密定轨中, 涉及的时间系统主要包括: GPS 时 (GPST), GLONASS 时 (GLST), BDS 时 (BDT), Galile时 (GST), 国际原子时 (TAI), 地球时 (TT), 世界时 (UT1) 以及协调世界时 (UTC) 等各个时间系统的详细定义参考 Teunissen 和 Montenbruck(2017), 转换关系如图 2.1 所示.

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