GNSS卫星钟差实时快速估计关键技术研究

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随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)的不断发展,高精度、高可靠性、高兼容性和实时性也渐渐成为人们关注的焦点,实时精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)以模型简单,实时性强,定位方式灵活等特点,已逐渐被广泛采用,但是在进行实时精密定位时,依赖于实时高精度轨道钟差产品的支持。现阶段,IGS已提供预报轨道,其精度已和事后产品相当,但受限于卫星钟的稳定性和所处空间环境等因素,卫星钟差必须通过地面跟踪站的观测数据进行实时估计,因此研究实时精密钟差估计对实时精密单点定位具有重要意义。且随着GLONASS,GALILEO和北斗导航系统等更多数据的加入,在提高导航服务性能的同时,也制约了数据更新的时效性,为GNSS数据处理带来了新的挑战。针对上述问题,本文以开发一套GNSS实时钟差快速估计软件为目标,较为全面的研究了GNSS实时精密钟差估计和实时精密单点定位的理论、技术和方法,并针对大规模网解时解算效率过低问题提出了新的解决方案,最终实现了一个多系统快速解算的精密定位服务系统,并对本系统的提供的实时产品进行分析,结果表明,其精度已和IGS各个分析中心的产品相当。主要的工作与结论如下:1.系统研究了GNSS精密数据处理的基础理论。研究了GNSS观测量受到的主要误差源及其相关的改正模型,介绍了开展本文研究的GNSS数据处理方法,包括基本数学模型,参数估计方法及相关的质量控制策略。2.研究了GNSS实时精密钟差估计理论与方法。从GNSS原始观测方程出发,给出了基于无电离层组合估计模型中隐含的钟差和模糊度基准条件,分析了卫星钟差与接收机钟差的相关性并给出了常用的时间基准。针对非差模式下钟差解算效率较低的问题,使用了一种使用图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)的方法进行加速,统计并对比分析了测站数从60增加至130个时滤波过程中各步骤的耗时,并以解算含有90个测站GPS/GLONASS/GALILEO/BDS四系统观测数据的卫星钟差为例,单历元平均耗时由最开始的78.15s提升至0.67s,已完全满足1Hz高频钟差更新的要求。在提升了GNSS数据解算效率的基础上,利用2019年年积日为061至067的实测数据,对GPS/GLO/GAL/BDS进行实时精密钟差估计,讨论了其解算效率及精度,结果表明估计的钟差与WHS最终钟差吻合较好,其大部分在0.1ns以内,且满足1Hz更新的需求。利用钟差估计时的模糊度提取出GPS/GAL/BDS卫星端宽、窄巷小数产品,并分析了其各自在时域上的变化,并从模糊度残差方面验证了小数产品在不同模糊度之间的一致性。利用解算的宽、窄巷产品对钟差解算时的模糊度进行固定,结果表明,GPS和GALILEO系统非差模糊度固定率为75%和76%,但对于收敛之后的钟差来说,固定解钟差精度相对于浮点解钟差精度提升不大。3.研究了单站非差模糊度固定的理论与方法,利用解算出的实时钟差以及在钟差解算时提取的宽、窄巷FCB产品,进行PPP定位验证。首先比较了GPS/GLO/GAL/BDS单系统的浮点解和固定解的定位性能,结果表明,各个系统的PPP定位均能达到水平2~5厘米,高程5~10厘米左右的定位性能,同时在施加宽、窄巷小数产品进行模糊度固定后,各系统东方向定位精度提升很大,定位精度与北方向相当,但高程方向提升不明显。若能快速固定正确的非差模糊度,则能明显加速PPP收敛。多系统融合也能明显加快PPP的收敛,特别是加入GLONASS系统之后,定位精度和收敛速度都得到了明显的提高,在进行模糊度固定后,多系统浮点解平面定位精度从1~2厘米提升至1厘米以内,高程精度提升至2厘米左右,且多系统融合有助于提升模糊度固定率,多系统固定率大多在98%以上。4.以C++语言开发了一套实时精密定位服务系统,给出了软件的基本框架,并利用MGEX网和香港CORS网共61个实时测站,对该系统的运行效率,实时产品完整率,解算精度等方面进行分析,最后利用实时PPP进行定位验证,结果表明,本系统的生成的实时钟差与IGS各个分析中心提供的实时产品相当,且实时PPP定位精度平面优于5cm,高程优于10cm。
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