导航卫星精密定轨理论与方法研究

摘要

全球导航卫星系统（GNSS）近几十年得到了迅速的发展，其应用非常广泛。在高精度应用领域，要求能够提供导航卫星高精度的轨道和钟差结果；在实时应用领域，获取实时高精度的导航卫星轨道和钟差是实时精密单点定位等应用的基础。本文系统地研究了GNSS事后及实时卫星轨道、钟差确定的理论和方法，取得有意义的理论和实际成果。
　　本研究主要内容包括：⑴给出了GNSS卫星主要的力模型，重点讨论了光压模型，介绍了定轨的数值积分方法。利用GPS、GLONASS、BDS的事后精密轨道，进行了轨道拟合，对参考时间节点上的卫星加速度、速度、位置序列进行了分析。由于各导航系统卫星轨道高度有所不同，不同作用力计算的加速度值，计算结果符合一般的规律，本文采用了精密轨道，结果更符合轨道实际情况。同时也验证了高精度的力模型以及数值积分算法。⑵研究了GNSS非差观测量的改正模型，给出了双频线性组合观测量及观测方程线性化时偏导数公式。讨论了动态测站位置、接收机钟差、湿天顶延迟三类随机参数的特点。利用自研软件对改正模型进行了验算，并针对随机参数的两种处理模式，即白噪声和随机游走模式，分别采用最小二乘序贯算法和Kalman滤波算法进行了比对验算。通过验算，表明了所研制的改正模块和参数估计算法计算准确，为今后GNSS数据处理工作打下基础。⑶介绍了最小二乘批处理算法的定轨原理，分析了数据预处理中的周跳编辑方法，讨论了TurboEdit算法；针对利用地面跟踪网络，实现非差数据处理中模糊度固定的算法，推导了基于Gram-Schmidt正交化算法的独立基线集、独立双差模糊度集选取方法，分析了三种独立双差模糊度集选取方式的差异，讨论了参数约化算法，针对多GNSS联合定轨，分析了与测站有关的系统间偏差参数两种处理方式的特点，提出了通过多系统联合定轨、钟差解算处理，统一多GNSS的空间基准和相对时间基准的问题。⑷利用实测数据，进行了全球网、区域网导航卫星定轨实验，进行了联合定轨实验。对于全球网，经模糊度固定处理后，与IGS事后轨道相比，轨道一维位置RMS均值由0.039m提高到0.012m，提高70％。对于区域网，其模糊度固定概率要高于全球网，三个定轨弧段与IGS事后轨道比较，模糊度固定后一维位置RMS平均值由0.225m提高到0.095m，提高58%。经联合定轨处理，GLONASS轨道结果有明显提高，4个定轨弧段，与IGS事后轨道比较，一维位置RMS平均值由0.08m提高到0.07m，提高13%。通过精密单点定位实验，证实在利用多GNSS处理多模测站PPP解算时，利用统一时空基准后的轨道和钟差产品，可以去掉定位时的系统间时间偏差参数，实现多系统的无缝应用。⑸针对BDS（北斗卫星导航系统）多频信号的特点，分析了利于周跳探测的观测值组合；在分析残余电离层平滑法和中长基线算法两种多频模糊度分解算法的基础上，提出了一种综合利用两种算法的北斗多频模糊度分解算法；给出了分析北斗观测数据质量的方法；给出了利用伪随机脉冲的简化动力学定轨方法。针对BDS导航应用，给出了三星定位原理，分析了几何构形不好时的病态数据处理问题。利用实测数据，分别进行了动力学方法、简化动力学方法定轨，对结果进行了分析，最后利用多模观测网，对 BDS/GPS联合定轨进行了计算分析，结果表明，通过联合定轨，在径向分量上，所有类型的卫星，其精度都有改善，以32站定轨为例，BDS三类卫星径向重叠段精度均达到cm级。⑹分析了实时导航卫星轨道确定问题。讨论了实时钟差解算的非差法和历元间差分算法和一种综合的算法。重点讨论了平方根信息滤波算法原理。通过实际算例，指出了全球网、区域网高精度预报轨道均存在边界区域有轨道结果不连续现象；利用非差法进行了实时钟差的仿实时计算，并进行了利用实时轨道、钟差结果进行精密单点定位试验。

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第一章 绪论

1.1 GNSS发展现状

1.2 导航卫星精密定轨技术研究现状

1.3 研究目的与意义

1.4 本文主要研究内容

第二章 导航卫星轨道力学模型

2.1 卫星受摄运动

2.2 变分方程

2.3 数值积分

2.4 导航卫星加速度计算分析

2.5 本章小结

第三章 GNSS观测模型

3.1 观测方程

3.2 改正模型

3.3 观测值线性组合

3.4 观测方程线性化

3.5 随机模型

3.6 算例

3.7 本章小结

第四章 导航卫星精密轨道确定

4.1 定轨基本原理

4.2 周跳探测方法

4.3 模糊度固定理论

4.4 参数消去、恢复算法

4.5 多GNSS系统联合定轨

4.6 算例

4.7 本章小结

第五章 区域导航卫星系统精密轨道确定

5.1 多频数据处理

5.2 观测数据质量分析

5.3 区域网定轨中的个别问题

5.4 困难环境的导航应用问题

5.5 算例

5.6 本章小结

第六章 导航卫星实时轨道和钟差确定

6.1 高精度实时轨道确定

6.2 实时钟差确定方法

6.3 平方根信息滤波算法

6.4 算例

6.5 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 进一步研究

致谢

参考文献

作者简历