论文部分内容阅读
全球卫星导航系统（GNSS）凭借其全天候、全球覆盖、高精度、连续服务的特点，全球用户可实现三维、高精度的定位、导航与授时服务（PNT），其在国家安全和国民经济建设等诸多领域发挥了举足轻重的作用。北斗系统作为中国拥有自主知识产权的卫星导航系统，正按“三步走”策略建设推进，即北斗导航试验系统（BDS-1)、北斗区域服务系统（BDS-2)、北斗全球服务系统（BDS-3）。高质量卫星观测数据以及高精度轨道钟差等产品作为全球导航与位置服务的核心，其对整个系统的服务能力起到了至关重要地作用；由于发展历程的局限性，BDS相较于GPS等其它成熟系统仍存在明显的差距。本文针对BDS-2/BDS-3卫星观测数据联合处理中的空间构型、快速与高精度处理、轨道钟差精化以及观测数据偏差等关键技术进行了深入探讨与系统研究，重点涵盖了定轨测站筛选、测站分布算法优化、超快速轨道修正及模型优选、BDS-2/BDS-3卫星钟差预报模型精化、BDS-2/BDS-3联合定轨系统偏差参数估计与建模、北斗观测数据伪距偏差与多路径延迟建模等几个方面。围绕BDS-2/BDS-3卫星观测数据联合处理关键技术的主要研究如下：
（1）针对分析中心快速、超快速轨道产品精度及时效性等指标和全球跟踪站分布不均匀性的现状，提出了一种基于定轨观测方程精度几何衰减因子（GDOP）的全球跟踪站优选策略。从理论上推导出精密定轨地面最小与最优跟踪站数；以观测方程GDOP值最小为准则，通过全球网格划分，筛选最小跟踪站全球位置，逐步累加确定全球跟踪站最优分布。实验表明通过筛选的测站列表可获得与所有测站整体解算轨道参数精度的90%，而时效性提高了约50%，间接满足了顾及定轨精度与时效性的参数处理需求。
（2）为进一步提高定轨地面跟踪站筛选效率，提出了利用全球格网放缩与遗传算法的最优站点位置解算策略；定义了一种顾及轨道与ERP等参数精度的OEDOP因子，分析了OEDOP与轨道、ERP之间的相关性；提出了一套分析中心多系统轨道、ERP产品解算的空间几何构型优化方法，实现了综合跟踪站属性与参数精度的多系统全球测站分布快速确定。基于设置的5%、10%、15%与20%OEDOP阈值，在轨道与极移测定精度分别损失0.33~9.92cm与5.77~41.53uas的前提下，参数处理效率分别提高了1.96、3.32、5.27和6.17倍；对比分析了iGMAS全球跟踪站布设方案，实验表明在增加3个新站点情况下，本文策略较穷举法效率提高了68倍。
（3）针对超快速轨道观测部分后期精度降低现象，提出了一种基于定轨参数精度衰减因子（DOP）的轨道精化模型。利用赤池信息准则构建与优选了DOP值预报模型，建立了以DOP值为自变量的轨道状态参数修正函数，实现了超快速观测轨道后期的精度改进；探讨了星地观测数据弧段长度与函数模型对轨道修正效果的影响。实验结果显示，本文提出的轨道修正策略可实现超快速观测轨道后3小时精度12.35~22.02%的提升。
（4）针对北斗超快速预报钟差产品精度较低问题，改进了BDS-2/BDS-3超快速卫星钟差预报模型；提出了一种组合钟差序列频率数据与Baarda算法的钟差预处理策略，并基于Tikhonov正则化算法实现了钟差序列降噪处理，分别提升了BDS-2与BDS-3钟差预报精度1.0%~15.2%与23.2%~31.9%；为实现BDS-2/BDS-3卫星联合处理中的相互增强作用，提取了BDS-2/BDS-3星间相关性系数，精化了预报钟差随机模型；针对钟差模型残差序列，利用PLS+BPNN算法实现了模型残差提取与预报。钟差预报结果表明改进的模型可实现BDS-2与BDS-3卫星18小时预报精度分别30.7%~47.3%与49.9%~59.3%的提升。为克服北斗超快速卫星轨道精度较差问题，研究了基于钟差约束的BDS-2/BDS-3超快速轨道定轨策略，构建了超快速预报轨道初始状态解算的最优观测弧长合并方法，进一步提升了分析中心轨道钟差产品精度。
（5）为提高BDS-2/BDS-3卫星观测数据兼容性，研究了BDS-2/BDS-3卫星联合精密定轨中系统偏差参数（ISB）估计、分析与建模。提出了一种基于奇异值分解的联合定轨系统偏差估计模型，提高了系统偏差参数解算精度与可靠性；分析了BDS-2/BDS-3联合定轨中系统偏差参数时变特性，并基于定轨法方程计算了系统偏差与轨道参数之间相关性；构建了系统偏差时间序列短期预报模型，实现了超快速精密定轨中引入系统偏差约束的定轨策略，削弱了BDS-2/BDS-3星地观测数据之间偏差。实验表明，通过对ISB时间序列建立短期预报模型，并将预报值作为约束条件引入超快速定轨中，可分别改善BDS-2与BDS-3轨道18小时重叠弧段精度-0.4~1.0cm与0.8~4.1cm。
（6）针对BDS-2/BDS-3联合处理中观测数据的差异，改进了北斗观测数据伪距偏差修正模型。分析了BDS-2/BDS-3观测数据中多路径延迟量，为克服传统的“先多路径后伪距偏差”的建模与消除方法，提出了一种基于LS+AR模型的BDS-2/BDS-3卫星联合处理的伪距偏差与多路径延迟一步建模的策略；考虑BDS-2/BDS-3星间相关性与降噪算法，有效地提高了北斗伪距偏差与多路径延迟建模能力。基于BDS-2/BDS-3单频PPP实验表明，改进的策略可以分别提升B1I频率E、N、U三个方向定位精度2.9%~31.6%，3.3%~21.4%和0.2%~69.2%，提升B3I频率E、N、U三个方向2.8%~14.3%，0.0%~20.9%和1.5%~15.3%。
（1）针对分析中心快速、超快速轨道产品精度及时效性等指标和全球跟踪站分布不均匀性的现状，提出了一种基于定轨观测方程精度几何衰减因子（GDOP）的全球跟踪站优选策略。从理论上推导出精密定轨地面最小与最优跟踪站数；以观测方程GDOP值最小为准则，通过全球网格划分，筛选最小跟踪站全球位置，逐步累加确定全球跟踪站最优分布。实验表明通过筛选的测站列表可获得与所有测站整体解算轨道参数精度的90%，而时效性提高了约50%，间接满足了顾及定轨精度与时效性的参数处理需求。
（2）为进一步提高定轨地面跟踪站筛选效率，提出了利用全球格网放缩与遗传算法的最优站点位置解算策略；定义了一种顾及轨道与ERP等参数精度的OEDOP因子，分析了OEDOP与轨道、ERP之间的相关性；提出了一套分析中心多系统轨道、ERP产品解算的空间几何构型优化方法，实现了综合跟踪站属性与参数精度的多系统全球测站分布快速确定。基于设置的5%、10%、15%与20%OEDOP阈值，在轨道与极移测定精度分别损失0.33~9.92cm与5.77~41.53uas的前提下，参数处理效率分别提高了1.96、3.32、5.27和6.17倍；对比分析了iGMAS全球跟踪站布设方案，实验表明在增加3个新站点情况下，本文策略较穷举法效率提高了68倍。
（3）针对超快速轨道观测部分后期精度降低现象，提出了一种基于定轨参数精度衰减因子（DOP）的轨道精化模型。利用赤池信息准则构建与优选了DOP值预报模型，建立了以DOP值为自变量的轨道状态参数修正函数，实现了超快速观测轨道后期的精度改进；探讨了星地观测数据弧段长度与函数模型对轨道修正效果的影响。实验结果显示，本文提出的轨道修正策略可实现超快速观测轨道后3小时精度12.35~22.02%的提升。
（4）针对北斗超快速预报钟差产品精度较低问题，改进了BDS-2/BDS-3超快速卫星钟差预报模型；提出了一种组合钟差序列频率数据与Baarda算法的钟差预处理策略，并基于Tikhonov正则化算法实现了钟差序列降噪处理，分别提升了BDS-2与BDS-3钟差预报精度1.0%~15.2%与23.2%~31.9%；为实现BDS-2/BDS-3卫星联合处理中的相互增强作用，提取了BDS-2/BDS-3星间相关性系数，精化了预报钟差随机模型；针对钟差模型残差序列，利用PLS+BPNN算法实现了模型残差提取与预报。钟差预报结果表明改进的模型可实现BDS-2与BDS-3卫星18小时预报精度分别30.7%~47.3%与49.9%~59.3%的提升。为克服北斗超快速卫星轨道精度较差问题，研究了基于钟差约束的BDS-2/BDS-3超快速轨道定轨策略，构建了超快速预报轨道初始状态解算的最优观测弧长合并方法，进一步提升了分析中心轨道钟差产品精度。
（5）为提高BDS-2/BDS-3卫星观测数据兼容性，研究了BDS-2/BDS-3卫星联合精密定轨中系统偏差参数（ISB）估计、分析与建模。提出了一种基于奇异值分解的联合定轨系统偏差估计模型，提高了系统偏差参数解算精度与可靠性；分析了BDS-2/BDS-3联合定轨中系统偏差参数时变特性，并基于定轨法方程计算了系统偏差与轨道参数之间相关性；构建了系统偏差时间序列短期预报模型，实现了超快速精密定轨中引入系统偏差约束的定轨策略，削弱了BDS-2/BDS-3星地观测数据之间偏差。实验表明，通过对ISB时间序列建立短期预报模型，并将预报值作为约束条件引入超快速定轨中，可分别改善BDS-2与BDS-3轨道18小时重叠弧段精度-0.4~1.0cm与0.8~4.1cm。
（6）针对BDS-2/BDS-3联合处理中观测数据的差异，改进了北斗观测数据伪距偏差修正模型。分析了BDS-2/BDS-3观测数据中多路径延迟量，为克服传统的“先多路径后伪距偏差”的建模与消除方法，提出了一种基于LS+AR模型的BDS-2/BDS-3卫星联合处理的伪距偏差与多路径延迟一步建模的策略；考虑BDS-2/BDS-3星间相关性与降噪算法，有效地提高了北斗伪距偏差与多路径延迟建模能力。基于BDS-2/BDS-3单频PPP实验表明，改进的策略可以分别提升B1I频率E、N、U三个方向定位精度2.9%~31.6%，3.3%~21.4%和0.2%~69.2%，提升B3I频率E、N、U三个方向2.8%~14.3%，0.0%~20.9%和1.5%~15.3%。