GNSS星載原子鐘質(zhì)量評(píng)價(jià)及精密鐘差算法研究.pdf

1、時(shí)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(shí)際是測(cè)時(shí)間。而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)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(cè)距的星上時(shí)間基準(zhǔn)，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(shí)頻傳遞的精度。目前GNSS系統(tǒng)特別是我國(guó)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(hù)還有許多理論問題和實(shí)際問題值得研究。進(jìn)行GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星載原子鐘的時(shí)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(shí)變規(guī)律，進(jìn)而為衛(wèi)星鐘動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)、性能維護(hù)等提供理論依據(jù)；精密衛(wèi)星鐘差特性研究的實(shí)踐意義在于為用戶導(dǎo)航定位提供精確的時(shí)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(hù)研究是國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航理論探索與實(shí)踐研究的熱點(diǎn)問題之一。
　　鑒于此，本文利用GNSS鐘差產(chǎn)品對(duì)星載原子鐘的特性、模型以及預(yù)報(bào)方法等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容包括：
　?。?）針對(duì)GNSS衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)

3、的星載原子鐘狀態(tài)監(jiān)測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)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(zhǎng)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(dá)碼方差等度量方法，研究了顧及鐘差隨機(jī)噪聲類型的標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波實(shí)時(shí)鐘差算法，分析比較了GPS不同類型星載鐘實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)與短期預(yù)報(bào)精度的數(shù)值差異。
　　

4、（3）針對(duì)衛(wèi)星鐘差實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)和短期預(yù)報(bào)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(jìn)一步拓展成實(shí)時(shí)卡爾曼濾波衛(wèi)星鐘差算法，新算法能夠顯著提高實(shí)時(shí)鐘差參數(shù)估計(jì)和預(yù)報(bào)的精度和穩(wěn)健性。
　?。?）針對(duì)衛(wèi)星鐘差長(zhǎng)期預(yù)報(bào)問題，研究提出了抗差最小二乘估計(jì)與滑動(dòng)自回歸模型相結(jié)合（RLS+ARIMA）的兩步鐘差預(yù)報(bào)算法，一方面兼顧了鐘自身的鐘速、鐘漂特性，同時(shí)利用抗差最小二乘估計(jì)求解星鐘參數(shù)時(shí)間序

5、列，揭示了其長(zhǎng)期變化規(guī)律，另外還利用滑動(dòng)自回歸（ARIMA）模型對(duì)星鐘參數(shù)的隨機(jī)性部分進(jìn)行了有效預(yù)報(bào)。
　　（5）針對(duì)GPS和GLONASS的IGU-P實(shí)時(shí)鐘差產(chǎn)品精度過低問題，研究提出了改進(jìn)的自適應(yīng)實(shí)時(shí)鐘差預(yù)報(bào)模型。改進(jìn)模型在處理周期項(xiàng)誤差、自適應(yīng)鐘差模型選擇、起點(diǎn)偏差以及觀測(cè)隨機(jī)模型調(diào)整等多個(gè)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(bào)和實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位（PPP）實(shí)例對(duì)新模型和IGU-P產(chǎn)品的預(yù)報(bào)精度和定位精度進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)

6、證新模型的精度和可靠性。
　?。?）由于目前GLONASS實(shí)時(shí)鐘差預(yù)報(bào)方法尚不成熟，IGS尚無(wú)實(shí)時(shí)的GLONASS預(yù)報(bào)鐘差產(chǎn)品發(fā)布，對(duì)三家主要的IGS研究機(jī)構(gòu)提供的GLONASS鐘差產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)分析，并提出和比較了改進(jìn)模型的有效性和精度，同時(shí)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(xiàng)。
　　（7）推導(dǎo)了不同誤差源對(duì)GNSS單站精密授時(shí)解的數(shù)值影響公式。針對(duì)“天跳變”現(xiàn)象，構(gòu)建了一種基于參數(shù)先驗(yàn)貝葉斯估

7、計(jì)的連續(xù)CP時(shí)頻傳遞算法，通過對(duì)單天觀測(cè)數(shù)據(jù)附加合理的參數(shù)先驗(yàn)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(cè)，受環(huán)境天氣等因素影響嚴(yán)重，其中短距離內(nèi)比對(duì)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(shí)間傳遞算法（DCP），該算法能夠較好地削弱兩測(cè)站間的共視誤差，提高了測(cè)站間時(shí)頻傳遞的精度和穩(wěn)定性。同時(shí)還進(jìn)一步將

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