论文部分内容阅读
随着BDS卫星的全球化组网,届时多频多模的全球卫星导航系统(GNSS)将正式建成并提供服务。更多的卫星所装配的新型原子钟将成为BDS卫星全球高精度导航定位与授时(PNT)服务的星上时频基准,而复杂多变的外界环境、轨道周期和卫星钟物理硬件特性变化均会导致原子钟的性能出现波动,影响实时的PNT服务精度。鉴于此,本文通过长期的GNSS卫星钟特性评估与质量评价,获取每颗卫星钟的时频特性与时变规律,进而为构建卫星钟的实时监测、钟差预报与性能补偿等提供理论与分类模型依据,旨在解决GNSS星载原子钟特性后知后觉、高精度的原子钟钟差预报不稳定问题,从而提高GNSS设备PNT服务的精度和可靠性,主要内容包括:(1)总结了星载原子钟特性评估及钟差预报的基本模型,主要介绍了用于特性评估的多项式数学函数模型以及最为常用的钟差预报函数模型,参数估计模型主要介绍了序贯最小二乘和卡尔曼滤波模型。(2)针对BDS-2卫星、BDS-3试验型新卫星、Galileo卫星和GLONASS卫星原子钟,通过采集长期的精密钟差数据,对相位、频率、频漂、拟合残差指标统计分析,综合评估了GNSS在轨卫星原子钟的时频特性与服务质量,对比了不同系统卫星钟的性能差异。分析得出BDS卫星中个别卫星频漂存在以半年为周期的波动趋势,提出了BDS卫星星载原子钟主备钟切换的探测方式并给出了卫星钟切换情况统计。(3)利用阿伦方差和哈达玛总方差评估了BDS-2卫星、BDS-3试验型新卫星、Galileo卫星、GLONASS卫星的频率稳定度指标变化情况,并对比分析了不同系统、不同类型原子钟的稳定度特征差异。(4)针对BDS-2卫星钟存在的精度不均、几何构型异质性及星载钟稳定性较差等问题,提出了顾及起点偏差、自适应权函数与BP神经网络修正的二次多项式附加周期项钟差预报模型。通过对长期钟差数据的频谱分析,揭示了BDS-2卫星钟不与轨道耦合的异常周期项,采用神经网络与周期模型有效降低了多种有色噪声对钟差预报精度带来的影响。(5)实时定位中接收机钟突发性出现的钟跳现象,会导致定位精度大幅损失并多次重新收敛。对此,提出了一种附加接收机钟差实时预报模型的钟跳探测与补偿方法,该方法基于历元间差分与实时预报的钟差值建立滑动窗口,有效的探测与修复了接收机钟跳,同时改善了接收机钟差序列精度与定位结果稳定性,算例结果验证了该方法的有效性。(6)针对BDS-2卫星星基增强系统高精度、高时效、范围广的特点,对BDS卫星全球与中国区域广域差分实时单、双频定位精度及性能进行了验证分析,并对轨道、钟差、电离层实时产品精度、受测站分布的定位精度损失及播发带来的量化误差进行了全面评估分析。