卫星精密钟差实时确定算法研究

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精密单点定位技术的出现,使GNSS传统的精密相对定位模式有了很大的改变,极大地推进了GNSS精密定位的广泛应用。精密单点定位技术的优势在于实时、广域定位,实时精密单点定位已经成为GNSS领域研究的热点和难点之一。目前实时应用难以推广的主要原因是卫星精密钟差解算精度不高,而且钟差发布有一定延迟。因此,系统地研究卫星精密钟差实时解算方法,开发相应的卫星精密钟差实时确定软件,提高卫星精密钟差精度和实时性,并探讨利用区域跟踪站观测数据进行卫星精密钟差解算,对GNSS精密单点定位技术的发展具有重要的研究意义和应用价值。本文围绕卫星精密钟差实时确定这一目标,较为全面地研究了卫星精密钟差实时确定的基本理论和方法,对卫星精密钟差实时确定算法进行了编程实现,并研究了区域系统卫星精密钟差实时解算方法。通过实际观测数据验证了方法和模型的正确性,计算结果精度基本满足精密单点定位对亚纳秒级实时钟差的需求。论文主要工作和结论如下:(1)介绍了全球卫星导航系统及精密单点定位技术的发展现状,指出了卫星精密钟差在精密单点定位中的重要地位,分析了卫星精密钟差实时确定算法的发展过程及国内外研究现状;介绍了IGS的组织构成和目前IGS的主要产品及精度;在此基础上,论述了本文的研究内容、意义并简要介绍了本文的组织结构。(2)总结了卫星精密钟差解算的基本理论:介绍了本文使用的几种相位观测值和伪距观测值的组合方式及特点,包括观测方程中使用的消电离层组合和周跳探测中使用的电离层残差组合及MW组合;基于消电离层延时组合观测值,从非差观测模型逐步推导了星间差分观测模型、历元间差分观测模型以及基于星间历元间差分的无模糊度观测模型,对非差观测模型和无模糊度观测模型进行了比较分析,认为无模糊度观测模型更适合实时钟差的估计;详细阐述了卫星精密钟差解算中涉及的误差改正方法及其数学模型;重点研究了序贯最小二乘参数估计方法和经典线性离散卡尔曼滤波方法在钟差解算中的应用;通过算例比较了这两种方法的钟差估计精度,结果表明,两种方法的解算结果基本一致;分析了卫星钟系统性偏差对精密单点定位精度的影响,并在此基础上,提出了以历元间差比对方法和二次差方法来评价星间相对钟差的精度。(3)阐述了卫星精密钟差解算的流程及模块设计,并介绍了相关方法和数学模型;对解算方案中的具体设置参数作了说明;介绍了目前GPS的星座概况及星钟类型;提出了一种适用于卫星精密钟差解算的参考星选择方法;详细阐述了无模糊度卫星精密钟差解算模型;在此基础上,设计并实现了卫星精密钟差解算程序。(4)通过自编的卫星精密钟差解算程序,解算了2012年11月15日全天32颗卫星的相对钟差;以IGS事后5秒采样的精密钟差为比对标准,采用历元间差比对方法和二次差方法对解算结果进行了比对分析;从最大值、最小值、平均值和中误差四个方面对比对结果进行统计,统计结果表明,解算的卫星相对钟差历元间差精度0.02ns,星间相对钟差精度0.8ns,较IGS超快速星历的预报钟差提高了一个量级,基本满足实时精密单点定位对亚纳秒级钟差精度的需求。(5)分析了利用区域跟踪站数据解算的精密钟差精度。利用IGS在区域内的部分跟踪站数据,对可观测时段的卫星钟差进行解算,结果表明,采用区域内跟踪站实时解算的相对钟差历元间差精度为0.03ns,星间相对钟差精度为0.8ns,解算结果与采用全球跟踪站观测数据的解算结果精度相当,具有一定的应用价值。
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