GNSS星載原子鐘質(zhì)量評價及精密鐘差算法研究.pdf

1、時間系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航定位的核心要素之一，導(dǎo)航定位實際是測時間。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時頻由衛(wèi)星所裝載的原子鐘所提供。星載原子鐘作為導(dǎo)航系統(tǒng)測距的星上時間基準，又是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有效核心荷載之一，其性能直接決定著導(dǎo)航定位和時頻傳遞的精度。目前GNSS系統(tǒng)特別是我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou/COMPASS）的星載原子鐘特性及其性能維護還有許多理論問題和實際問題值得研究。進行GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星載原子鐘的時頻特性以及精密鐘差研究的理論意義在于

2、探索衛(wèi)星鐘系統(tǒng)的時變規(guī)律，進而為衛(wèi)星鐘動態(tài)特性預(yù)測、性能維護等提供理論依據(jù)；精密衛(wèi)星鐘差特性研究的實踐意義在于為用戶導(dǎo)航定位提供精確的時差，為提高衛(wèi)星定軌精度、用戶導(dǎo)航定位精度提供支持。于是，星載原子鐘特性及其性能維護研究是國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航理論探索與實踐研究的熱點問題之一。
　　鑒于此，本文利用GNSS鐘差產(chǎn)品對星載原子鐘的特性、模型以及預(yù)報方法等進行了系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括：
　?。?）針對GNSS衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)，設(shè)計了相應(yīng)

3、的星載原子鐘狀態(tài)監(jiān)測和質(zhì)量評價技術(shù)路線。以GPS為例，利用十年的IGS精密鐘差產(chǎn)品研究了其星載原子鐘的長期特性變化規(guī)律，比較了不同類型星載鐘在穩(wěn)定度、模型噪聲、用戶定位誤差（URE）等方面的數(shù)值差異，推導(dǎo)了頻率穩(wěn)定度與鐘差模型噪聲水平之間的線性關(guān)系。
　?。?）利用阿倫方差和哈達碼方差等度量方法，研究了顧及鐘差隨機噪聲類型的標準卡爾曼濾波實時鐘差算法，分析比較了GPS不同類型星載鐘實時參數(shù)估計與短期預(yù)報精度的數(shù)值差異。
　　

4、（3）針對衛(wèi)星鐘差實時參數(shù)估計和短期預(yù)報中的粗差和鐘跳問題，研究提出了新型的基于開窗取樣的分類因子抗差自適應(yīng)序貫平差鐘差算法，并將其進一步拓展成實時卡爾曼濾波衛(wèi)星鐘差算法，新算法能夠顯著提高實時鐘差參數(shù)估計和預(yù)報的精度和穩(wěn)健性。
　?。?）針對衛(wèi)星鐘差長期預(yù)報問題，研究提出了抗差最小二乘估計與滑動自回歸模型相結(jié)合（RLS+ARIMA）的兩步鐘差預(yù)報算法，一方面兼顧了鐘自身的鐘速、鐘漂特性，同時利用抗差最小二乘估計求解星鐘參數(shù)時間序

5、列，揭示了其長期變化規(guī)律，另外還利用滑動自回歸（ARIMA）模型對星鐘參數(shù)的隨機性部分進行了有效預(yù)報。
　?。?）針對GPS和GLONASS的IGU-P實時鐘差產(chǎn)品精度過低問題，研究提出了改進的自適應(yīng)實時鐘差預(yù)報模型。改進模型在處理周期項誤差、自適應(yīng)鐘差模型選擇、起點偏差以及觀測隨機模型調(diào)整等多個環(huán)節(jié)上都提出了新的處理策略。另外還通過鐘差預(yù)報和實時精密單點定位（PPP）實例對新模型和IGU-P產(chǎn)品的預(yù)報精度和定位精度進行了對比，驗

6、證新模型的精度和可靠性。
　?。?）由于目前GLONASS實時鐘差預(yù)報方法尚不成熟，IGS尚無實時的GLONASS預(yù)報鐘差產(chǎn)品發(fā)布，對三家主要的IGS研究機構(gòu)提供的GLONASS鐘差產(chǎn)品進行了實時預(yù)報分析，并提出和比較了改進模型的有效性和精度，同時還利用譜分析方法求解了GLONASS衛(wèi)星鐘差存在的顯著周期項。
　　（7）推導(dǎo)了不同誤差源對GNSS單站精密授時解的數(shù)值影響公式。針對“天跳變”現(xiàn)象，構(gòu)建了一種基于參數(shù)先驗貝葉斯估

7、計的連續(xù)CP時頻傳遞算法，通過對單天觀測數(shù)據(jù)附加合理的參數(shù)先驗約束，從而平滑過渡不同天之間的鐘差解。數(shù)值算例結(jié)果顯示，新方法相比單天PPP法具有更好的連續(xù)性和更高的穩(wěn)定性。
　?。?）通常，載波相位（CP）技術(shù)是單站觀測，受環(huán)境天氣等因素影響嚴重，其中短距離內(nèi)比對結(jié)果和精度并不穩(wěn)定，提出了一種基于單差模式的連續(xù)載波相位時間傳遞算法（DCP），該算法能夠較好地削弱兩測站間的共視誤差，提高了測站間時頻傳遞的精度和穩(wěn)定性。同時還進一步將

8、 DCP算法拓展應(yīng)用于精密定位領(lǐng)域，并通過實際的動靜態(tài)精密定位算例進行測試，驗證了該方法的有效性和精度。
　　（9）針對傳統(tǒng)多模GNSS融合PPP算法運算效率較低、難以滿足高精度實時、高頻數(shù)據(jù)的實際解算需求，提出了一種基于參數(shù)等價約化原理的自適應(yīng) GNSS融合PPP算法。新算法一方面運算效率大大提高，更適用于實時定位；另一方面還利用了驗后方差因子自適應(yīng)平衡不同系統(tǒng)間的貢獻權(quán)比關(guān)系，提高了融合定位的精度和可靠性。
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