论文部分内容阅读
卫星导航系统自GPS系统建成并提供服务开始蓬勃发展,许多国家和地区先后建立了GLONASS、Galileo、BDS全球导航系统及QZSS、IRNSS、SBAS等区域导航系统或增强系统,统称为GNSS系统,该系统始终致力于为全球普通用户提供定位、测速及授时服务,但受限于伪距测量精度,实时定位精度一般为米级。随着5G通信技术的发展及万物互联等技术的兴起,实时高精度定位成为越来越多客户的需求,为了实现广域范围内GNSS实时高精度定位,多系统实时精密轨道成为了先决条件。目前实时轨道计算与生成主要可通过两种技术实现,一种是通过事后批处理解算,并通过动力学参数预报,该方法解算事后观测数据,采用较为严格的数据质量控制方法进行数据编辑,一般得到的轨道精度较高,但是这种方法需要通过轨道预报提供实时轨道,长时间预报会对轨道精度产生一定的衰减;另一种是直接通过滤波法实时解算,并进行短期预报,卫星轨道受轨道力学约束,短期预报轨道可保证轨道精度基本不衰减,但这种方法需要连接实时流数据进行解算,可用数据受实时测站分布影响,同时滤波处理对观测数据预处理质量要求较高,参数估计易受粗差数据影响,如何权衡两种定轨方式是值得思考的问题。近年来,随着全球导航卫星系统大力的发展,越来越多的导航卫星开始播发导航信号,在提高用户定位性能的同时,也对数据处理解算效率提出了新的挑战。追求更快速的数据处理效率,对参考框架点位置维持、地心解算、多系统卫星精密定轨精度及可靠性方面提升均有重要的意义。另外,我国北斗三代卫星正在积极建设中,现阶段已有18颗卫星在轨运行,目前针对北斗三代正式服务卫星的信号精度分析及评估、卫星几何及姿态模型等方面的研究尚处于空白,有必要对相关内容进行探讨与分析。本文以多系统实时轨道快速更新为主要研究目标,围绕上述问题开展研究,针对高时效性更新要求的多系统实时精密定轨在观测模型和随机模型上提出有效的解决方案,同时深入研究大规模GNSS网高效数据解算。随后,对我国自主建设的北斗三代全球卫星系统卫星天线相位中心、偏航姿态控制模型、信号质量评估等方面做了相关分析,并探索了高频ERP预报误差特性。具体研究工作及主要贡献包括以下几个方面:1)提出一种基于递推最小二乘配置的实时精密轨道解算方法,在保证轨道精度的前提下,极大地缩短精密轨道解算及更新时间。从实时精密定轨原理出发,为了保持实时解算参数与事后解算参数的严格一致性,提出一种基于最小二乘配置在观测值域进行法方程叠加的方法,针对新观测值叠加、初始轨道参数约束转移及松弛、模糊度参数处理等问题进行详细推导,给出了基于递推最小二乘配置实时精密定轨的统一模型,并证明了该模型与滤波算法的等价性。该方法同时兼容批处理和滤波方法,而且对观测文件采用后处理方式,因此在数据质量控制和参数估计精度方面均较滤波法有一定的优势。利用该方法可实现GPS、GLONASS、Galileo、BDS四系统轨道每小时更新,延迟30分钟发布,极大地提高了实时用户轨道时效性及精度。2)针对大规模GNSS非差数据处理时解算耗时问题,改进了参数处理方法,使大规模GNSS数据解算效率大幅提高。传统GNSS非差数据处理时受参数众多、解算解算效率低等问题影响,导致大规模GNSS数据处理难以进行,本文充分分析了非差数据处理过程中解算效率的瓶颈问题,针对数据处理过程中最耗时的“过时”参数消除及恢复算法进行优化,提出一种法方程分块操作算法,该方法可直接应用在CPU和GPU计算平台上,通过该方法解算参数与原方法结果一致,但计算效率得到极大提升。结合实测数据统计,大幅度降低参数解算耗时。经验证,该方法可为大规模多系统GNSS数据精密定轨、精密定位数据处理提供统一且严密的参数解算方法。3)精化了北斗三代卫星几何观测模型,显著提升了特殊状态下卫星定轨精度。在深入研究了北斗二代卫星几何模型的基础上,对北斗三代卫星天线相位中心变化、卫星姿态控制模型、导航信号质量、卫星星载原子钟性能等进行研究和分析。采用北斗三代卫星运行初期解算两百多天的观测数据估计了卫星天线相位中心变化参数,提高了精密轨道和钟差参数的一致性。同时对北斗二代和三代卫星偏航姿态控制模型进行探索,建立了一套北斗三代卫星连续动偏姿态控制模型,提高了“正午”及“午夜”机动期间几何观测模型精度,进而改善了轨道、钟差解算精度。对北斗三代卫星不同频率导航信号和星载原子钟稳定性进行分析,北斗三代卫星信号精度水平及卫星钟稳定性优于GPS BLOCK IIF,但略逊色于Galileo FOC卫星。4)建立了ERP超短期预报模型,提高了实时轨道预报精度。通过自行解算的一小时更新的ERP参数,分析了ERP参数时间序列中的高频周期项,进而提出一种顾及高频周期项的LS+AR地球定向参数预报模型,通过该模型可有效提高ERP参数超短期预报精度,为实时轨道解算及其它实时空间应用提供了借鉴。5)在PANDA软件的基础上,开发了多系统GNSS实时精密轨道服务系统。该系统能够提供GPS、GLONASS、Galileo、BDS、QZSS多系统实时精密轨道每小时更新,延迟30分钟发布,相关产品已经发布到IGS数据中心。本文算法已在iGMAS分析中心业务化处理系统中得到应用,分析中心发布的事后产品在iGMAS分析中心中处于领先地位。同时基于本文解算的多系统实时轨道发布了多系统实时定位服务,该服务通过Ntrip协议可发布卫星轨道、钟差、电离层、UPD等SSR改正数,可为用户提供厘米级精密定位服务。