GNSS卫星钟差实时估计及超短期预报算法研究与实现

摘要

随着大众用户实时高精度定位需求的不断增长，传统伪距单点定位精度已不能满足用户的定位需求。广域差分系统可向全球用户提供分米级至厘米级的定位服务。实时卫星钟差和卫星轨道是广域差分服务的重要基础产品，实时轨道可通过超快速精密轨道预报得到，但卫星钟差由于星载钟的稳定性不高，难以高精度预报，必须进行实时估计。同时，GNSS四系统联合估计形成大量的过程参数，严重影响钟差的时效性。因此，如何提升GNSS卫星钟差实时估计的效率与精度，满足广域差分厘米级位置服务的需求，成为当前行业发展与技术层面亟需解决的问题与难题。
　　本文在前人研究成果的基础上，提出了顾及系统间偏差的GNSS卫星钟差混合估计方法，提高了解算效率，并研究分析了轨道误差对实时钟差的影响，提出了顾及轨道误差的随机模型，提高卫星钟差实时精度。在此基础上，利用超短期预报模型解决实时估计过程中的时间延迟问题。主要研究内容如下：
　　（1）调研分析了当前GNSS卫星钟差实时估计与超短期预报的研究热点以及国内外研究现状，明确研究的目的与方向。学习卫星钟差实时估计的基础理论，包括时空基准、函数模型、随机模型，并设计了卫星钟差实时估计流程。
　　（2）研究分析了当前主要的实时钟差估计方法，进而综合利用非差法高精度估计、历元间差分法快速估计的技术优势，推导了顾及系统间偏差的BDS/GPS/GLONASS/Galileo四系统联合解算的卫星钟差实时混合估计数学模型。结果表明，混合估计法实现3.6s一个历元的解算速度，并达到GPS系统0.212ns、BDS系统0.230ns、GLONASS系统0.297ns、Galileo系统0.243ns的单天实时估计精度。
　　（3）在研究分析了GNSS卫星轨道误差对卫星钟差影响的基础上，设计了一种考虑轨道误差的权函数，优化随机模型。该优化策略基于距离函数线性化二阶残余项的思想，设计权函数。结果表明，考虑卫星轨道误差的权函数模型，可对实时估计精度有所提高，达到GPS系统8.29%、BDS系统8.67%、GLONASS系统7.59%、Galileo系统5.33%的精度提高率。
　　（4）针对卫星钟差实时估计过程中数据传输同步、数据处理和数据编码播发导致的时间延迟现象，开展实时钟差的超短期预报，解决了时间延迟问题。结果表明，利用灰色模型超短期预报的优势明显，达到GPS系统卫星0.006ns、BDS系统卫星0.021ns、GLONASS系统卫星0.143ns、Galileo系统卫星0.004ns的预报精度。

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摘 要

Abstract

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Contents

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 卫星钟差实时估计研究现状

1.2.2 卫星钟差预报研究现状

1.3 章节安排

2 GNSS卫星钟差实时估计基础理论

2.1 GNSS时空基准

2.1.1 时间系统

2.1.2 坐标系统

2.2 观测误差及改正模型

2.2.1 与卫星相关误差

2.2.2 与传播路径相关误差

2.2.3 与测站相关误差

2.3 卫星钟差实时估计方法

2.3.1 卫星钟差估计函数模型

2.3.2 随机模型

2.3.3 参数估计方法

2.4 本章小结

3 顾及ISB/IFB的GNSS实时钟差混合估计方法

3.1 ISB/IFB参数特性分析

3.1.1 BDS相对于GPS系统的ISB分析

3.1.2 Galileo相对于GPS系统的ISB分析

3.1.3 GLONASS相对于GPS系统的IFB分析

3.2 GNSS实时钟差混合估计

3.3 GNSS卫星钟差实时估计流程设计

3.3.1 实时数据接收

3.3.2 实时数据预处理

3.3.3 实时钟差解算

3.3.4 实时改正数播发

3.4 算例分析

3.4.1 实验数据

3.4.2 实验方法

3.4.3 实时钟差估计耗时分析

3.4.4 实时钟差估计精度分析

3.5 本章小结

4 GNSS实时钟差估计精度优化方法

4.1 卫星轨道误差影响分析

4.2 GNSS实时钟差估计随机模型优化

4.3 算例分析

4.3.1 实验数据

4.3.2 实验方法

4.3.3 实验结果分析

4.4 本章小结

5 GNSS实时卫星钟差超短期预报

5.1 实时钟差时延分析

5.2 超短期预报模型

5.2.1 多项式模型

5.2.2 灰色模型

5.3 算例分析

5.3.1 实验数据及方法

5.3.2 实验结果分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要工作及总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间主要成果

致 谢