北斗/GNSS实时精密卫星轨道钟差产品组合理论与方法研究

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随着全球多GNSS系统与实时基准站网的发展,导航卫星数量不断增多,基准站观测数据质量、时效性不断提升,如何提升GNSS实时精密定位服务能力成为热点问题。实时高精度卫星轨道与钟差是广域/全球实时精密定位服务系统的基础产品,其精度与质量是保障定位服务的关键。目前,IGS组织是推动实时定位服务能力提升的最主要力量之一,各家IGS实时分析中心提供了不同导航系统、不同种类的实时卫星轨道钟差等产品,同时IGS还提供了组合产品IGC01、IGS01、IGS02与IGS03等。然而,IGS实时组合产品存在数据中断、跳跃等问题,服务产品质量与稳定性均有提升空间。因此,开展多GNSS系统实时轨道钟差产品组合方法与软件研究,实现稳定可靠的实时高精度轨道与钟差组合产品服务,具有重要的研究意义和应用价值。本文针对北斗/GNSS实时精密卫星轨道钟差产品组合方法及关键问题,重点围绕对IGS各家实时分析中心的多系统产品进行组合处理,并展开系统深入研究。为解决各家分析中心实时产品处理过程中采用的基准站数据流、处理模型、坐标基准等不一致引起的系统性偏差问题,提出采用附加拟稳基准的抗差最小二乘方法实时估计轨道组合产品;为解决实时钟差产品组合时参数估计秩亏问题以及削弱异常钟差对组合钟差产品性能的影响,提出了基于虚拟参考卫星钟差的实时钟差产品异常探测处理方法,构建了基于多约束条件的抗差卡尔曼滤波钟差组合处理模型;在此基础上,研制了多GNSS系统实时精密卫星轨道钟差组合处理软件,通过实测数据验证了本文算法模型与软件的正确与有效性?本文主要研究工作和贡献如下:1)从GNSS实时产品组合的平差模型?基准约束和参数抗差估计三个方面,系统阐述了GNSS实时产品组合相关的基本理论方法?针对GNSS实时轨道与钟差产品组合中观测方程秩亏的问题,给出了附加拟稳基准约束的秩亏自由网平差模型以及附有参数限制条件方程的间接平差模型;考虑到不同产品质量各异和产品异常问题,研究了基于等价权函数的抗差最小二乘和抗差卡尔曼滤波估计方法?2)针对不同IGS分析中心实时轨道产品存在坐标基准不一致和系统性误差问题,在分析各家实时轨道产品质量与误差特性基础上,提出了采用相似变换七参数方法估计实时轨道产品之间的系统偏差,削弱不同轨道产品的坐标基准不统一及系统性误差的综合影响?基于实测数据验证了采用相似变换方法可以有效削弱不同轨道产品之间的坐标基准差异与系统性偏差对组合轨道精度的影响。3)针对GNSS实时轨道产品组合处理同时估计组合轨道参数与相似变换七参数导致方程秩亏的问题,提出了附加相似变换七参数拟稳基准约束模型,采用抗差最小二乘估计实时轨道组合产品,并且对等权、前期产品评估精度先验权和均方差因子定权三种定权策略进行比较分析。实测结果表明:采用均方差因子定权优于等权和前期产品评估精度先验权的策略,多系统同时估计七参数的组合轨道精度优于多系统分开估计的组合轨道。采用本文方法得到的四系统实时轨道组合产品相比所有单一分析中心产品精度提升26.5%以上,相比所有IGS组合产品精度提升20.3%以上。4)提出了采用相对虚拟参考卫星钟差的变化统计量进行实时钟差异常探测的方法,选取前后观测公共卫星,取平均钟差值作为虚拟参考卫星的钟差值,通过相对虚拟参考卫星的钟差变化探测实时卫星钟差异常,该方法可避免选定单颗卫星作为参考卫星时,钟差异常探测效果受到参考卫星钟差连续性和数据异常的影响,实测结果表明:该方法可以有效探测各家分析中心实时钟差异常及其发生时刻,相比未进行异常探测处理的四系统组合钟差产品精度提升平均值为11.8%。5)目前IGS采用滤波处理组合钟差产品时,通过给定参数先验约束信息和过程噪声方差实现参数的分离与收敛,但不准确的参数先验信息与过程噪声会导致滤波存在收敛慢和参数估计精度低等问题;IGS单历元加权平均估计方法存在参考分析中心、参考卫星切换引起的组合钟差产品不稳定性的问题。针对上述问题,本文构建了满足最小约束解的多类约束条件模型,发展了基于多约束条件的抗差卡尔曼滤波估计GNSS实时钟差产品组合方法,实现了组合钟差、初始卫星偏差和时间基准偏差参数有效分离和精确解算。实测结果表明:采用本文方法处理实时钟差产品组合时无明显收敛过程,计算得到的多系统钟差组合产品(ASC)精度优于IGS钟差组合产品,ASC产品GPS/GLO/GAL钟差相比所有分析中心钟差产品精度提升30.8%以上,相比所有IGS钟差组合产品精度提升13.9%以上,ASC产品BDS GEO/IGSO/MEO卫星钟差相比所有分析中心钟差产品精度提升23.9%以上。6)在武汉大学的高精度卫星导航数据处理与分析软件(PANDA)平台基础上,开发了实时精密轨道钟差产品组合软件。并从数据完整率、轨道与钟差精度、空间信号距离误差(SISRE)精度以及PPP性能等方面对本文研制的实时产品组合软件进行验证,结果表明:对于GPS/GLO/GAL系统,基于本文方法与软件处理的组合产品ASC相比所有分析中心产品的数据完整率提升4.6%以上,相比所有IGS组合产品的数据完整率提升3.0%以上;ASC产品相比所有分析中心产品、所有IGS组合产品的SISRE精度(STD)分别提升31.9%以上、49.4%以上;对于BDS GEO/IGSO/MEO卫星,ASC产品相比所有分析中心产品的数据完整率、SISRE精度分别提升6.5%以上、27.5%以上。通过全球均匀分布的20个MGEX基准站,基于不同导航系统组合方案的仿实时PPP性能验证,采用本文方法与软件处理的四系统组合产品的收敛时间、仿动态PPP精度和单天静态PPP精度等方面整体优于所有分析中心产品和IGS组合产品性能。
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