發(fā)布時間：2020-08-21 19:04

【摘要】：實時精密PNT(Positioning,Navigation and Timing,定位,導航與授時)服務(wù)是人類活動的基本需求之一,GNSS(Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))以其全天候,全覆蓋以及高精度等優(yōu)勢,逐漸成為廣泛采用的實時PNT服務(wù)方式之一.基于廣播星歷的實時PNT服務(wù)是GNSS實時PNT服務(wù)最基本的形式,然而,受限于廣播星歷的軌道/鐘差精度,難以實現(xiàn)分米級以及更高精度的服務(wù).PPP(Precise Point Positioning,精密單點定位)技術(shù)通過在狀態(tài)域改正GNSS衛(wèi)星軌道/鐘差等誤差,單站即可實現(xiàn)實時高精度PNT服務(wù).實時高精度的GNSS衛(wèi)星軌道/鐘差等產(chǎn)品是實現(xiàn)實時高精度PPP的必要條件.因此,本文開展GNSS衛(wèi)星實時軌道/鐘差等產(chǎn)品的估計算法研究以及估計軟件研制,主要研究內(nèi)容和成果包括:·總結(jié)了當前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,分析了當前GNSS實時PNT服務(wù)的發(fā)展趨勢,提出了更為嚴密靈活的實時軌道和鐘差整體估計策略.·總結(jié)了GNSS衛(wèi)星精密定軌中的時空基準,軌道模型以及觀測模型,重點對時空基準中的EOP(Earth Orientation Parameter,地球定向參數(shù))處理和衛(wèi)星姿態(tài)建模,軌道模型中的攝動力以及觀測模型中的誤差項進行了研究.·推導了GNSS實時精密定軌模型.采用近似狀態(tài)轉(zhuǎn)移公式實現(xiàn)了觀測值的高精度同步,避免了內(nèi)插算法所需的多次積分;采用雙頻IF(Ionospheric-Free,消電離層)組合鐘差基準,同時顧及了測站端以及衛(wèi)星端的IFCB(Inter-Frequency Clock Bias,頻間鐘差偏差),第三頻率相位殘差中不再吸收硬件延遲;研究了實時質(zhì)量控制以及快速估計方法,將Open MP并行算法引入到了實時精密定軌中,給出了利用線性代數(shù)庫加速的穩(wěn)健的擴展Kalman濾波算法,建立了一整套GNSS實時精密定軌算法,并且研制了相應(yīng)的實時精密定軌軟件.·對比了提高實時精密定軌效率的方法,包括逐觀測值測量更新,OpenMP并行加速,Eigen庫加速以及Open BLAS庫加速.結(jié)果表明,相比逐觀測值測量更新,Open MP并行加速可以提高計算效率,但是幅度較小,線性代數(shù)庫加速效果明顯優(yōu)于Open MP并行加速,因此,在存在外部庫的條件下,推薦采用外部庫.在采用約100個測站(參數(shù)個數(shù)約為1500)時,GPS(Global Positioning System,全球定位系統(tǒng))單系統(tǒng)參數(shù)估計耗時約為2.0s,完全可以滿足10.0s更新的實時服務(wù)需求.·評估了GPS/Galileo實時精密定軌精度.考慮系統(tǒng)間的相關(guān)性較弱,采用分系統(tǒng)估計策略.結(jié)果表明,GPS衛(wèi)星雙頻實時軌道RMS(Root Mean Square,均方根)達到3.0cm(徑向),5.0cm(切向)以及4.0cm(法向),實時鐘差STD(STandard Deviation,標準差)約為0.10ns,Galileo衛(wèi)星雙頻實時軌道RMS達到6.0cm(徑向),8.0cm(切向)以及5.0cm(法向),實時鐘差STD約為0.16ns.由于模型差異,軌道徑向存在1.0-2.0cm的系統(tǒng)性偏差,鐘差STD不受影響.總體而言,實時軌道以及鐘差的精度與國際同類產(chǎn)品基本相當.·分析了實時精密定軌中的過程噪聲.為防止濾波器的發(fā)散,建議采用比較保守的數(shù)值.對比了實時精密定軌收斂速度的影響因素,包括初始位置,速度以及SRP(Solar Radiation Pressure,太陽輻射壓)系數(shù)的精度.結(jié)果表明,收斂速度對初始位置精度更為敏感,利用先驗SRP模型可以減小初始階段的徑向誤差,徑向收斂速度由于受到力模型約束,收斂時間最長,切向以及法向收斂時間較短.總體而言,實時軌道需要大約12小時才能達到完全收斂的狀態(tài).·分析了實時精密定軌中參數(shù)的相關(guān)性,包括模糊度參數(shù),ZWD(Zenith Wet Delay,天頂濕延遲)參數(shù),軌道參數(shù)以及鐘差參數(shù).結(jié)果表明,對于相同類型的參數(shù),相同測站/衛(wèi)星的相關(guān)性高于不同測站/衛(wèi)星的相關(guān)性,而鐘差參數(shù)不同,測站鐘差與衛(wèi)星鐘差之間線性相關(guān),由于基準的引入,鐘差參數(shù)在不同測站/衛(wèi)星之間的相關(guān)性接近于1.0.對于不同類型的參數(shù),由于與模糊度參數(shù)存在不同程度的相關(guān)性,固定模糊度可以提高ZWD參數(shù),軌道參數(shù)以及鐘差參數(shù)的精度.·研究了多頻觀測值處理中的IFCB.結(jié)果表明,GPS三頻衛(wèi)星IFCB存在明顯的時變特性,BLOCK IIIA衛(wèi)星的IFCB相比BLOCK IIF衛(wèi)星得到大幅削弱,Galileo三頻衛(wèi)星IFCB幾乎穩(wěn)定為常數(shù),當采用DCB產(chǎn)品改正衛(wèi)星端IFCB時,由于DCB(Differential Code Bias,差分碼偏差)產(chǎn)品的不連續(xù)性,會導致相位殘差在天與天之間出現(xiàn)異常.由于雙頻觀測信息已經(jīng)充足,除非在極端情況下,目前三頻觀測值相比雙頻觀測值在實時精密定軌中并沒有明顯的優(yōu)勢.·研究了非差模糊度固定中的UPD(Uncalibrated Phase Delay,未校正相位延遲).采用最小生成樹算法建立獨立模糊度基準,利用UPD的穩(wěn)定性傳遞獨立模糊度基準,在UPD收斂后,對改正衛(wèi)星端UPD的浮點模糊度進行質(zhì)量控制.結(jié)果表明,GPS非差寬巷UPD比較穩(wěn)定,一天內(nèi)的變化幅度基本不超過0.20周,除個別衛(wèi)星外,STD均在0.10周以內(nèi),Galileo非差寬巷UPD非常穩(wěn)定,一天內(nèi)的變化幅度基本不超過0.10周,STD均在0.05周以內(nèi);GPS雙頻實時非差寬巷UPD與CNES事后產(chǎn)品符合很好,差異均在0.10周以內(nèi).
【學位授予單位】：武漢大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P228.4
【圖文】：

實時鐘差圖 1.1: IGU 產(chǎn)品精度比較合適 (Choi 等, 2013); 對于積分外推弧長, 考慮到衛(wèi)星進入地影或者發(fā)的精度衰減問題, 則是越短越好 (樓益棟, 2008; Deng, 2016; Li 等, 2018; 趙2018). 在積分外推弧長越來越短, 即預報軌道更新頻率越來越高時, 法方程的成為問題. 樓益棟 (2008) 采用滑動窗口短弧法方程綜合方法進行 1 小時更 衛(wèi)星實時軌道預報, GPS 衛(wèi)星實時軌道徑向, 切向以及法向精度分別為 4.11 4.03cm. 滑動窗口短弧法方程綜合方法本質(zhì)上是聯(lián)合批處理與濾波的折中-11-

實時鐘差圖 1.2: RTS 產(chǎn)品精度新的 RTGx/GipsyX 軟件 (Bar-Sever 等, 2015; Bar-Sever, 2017), 均采用均方波 SRIF(Square Root Information Filter, 均方根信息濾波) 算法, 其中, RTG時應(yīng)用. 2005 年, 英國紐卡斯爾大學基于 ESOC/ESA(European Space Opertre, 歐洲太空運營中心) 的事后數(shù)據(jù)處理軟件 BAHN, 開始研制實時數(shù)據(jù)處uto-BAHN. Auto-BAHN 利用觀測值之間的獨立性, 采用逐觀測值 Kalman更新, 生成的 GPS 衛(wèi)星實時三維軌道精度約為 13.6cm(Zhang 等, 2007). CNES 基于 SRIF 算法研制了實時軌道/鐘差/UPD 估計軟件, 為平衡效率與量更新中采用 downdating 算法 (將驗后殘差異常的觀測值移去) 消除粗差度固定后的 GPS 衛(wèi)星實時軌道徑向, 切向以及法向精度分別為 2.86, 4.18-13-

GNSS 衛(wèi)星精密定軌基本理論主要包括軌道模型和觀測模型兩個部分, 時空基準則是軌道模型和觀測模型的基礎(chǔ). 本章首先對 GNSS 衛(wèi)星精密定軌中涉及到的時空基準及其相互轉(zhuǎn)換進行說明, 進而分別對軌道模型和觀測模型加以闡述. 其中, 軌道模型包括力學模型以及軌道積分, 觀測模型主要為 GNSS 觀測值的相關(guān)改正模型.2.1 時空基準2.1.1 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)的定義包括起點以及尺度兩個部分. 在 GNSS 衛(wèi)星精密定軌中, 涉及的時間系統(tǒng)主要包括: GPS 時 (GPST), GLONASS 時 (GLST), BDS 時 (BDT), Galile時 (GST), 國際原子時 (TAI), 地球時 (TT), 世界時 (UT1) 以及協(xié)調(diào)世界時 (UTC) 等各個時間系統(tǒng)的詳細定義參考 Teunissen 和 Montenbruck(2017), 轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖 2.1 所示.

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