基于优化残差组合的北斗卫星短期钟差预报研究

为解决传统模型因使用卫星钟差一次差分序列而导致预报精度差的问题,进一步提升预报精度,提出一种优化残差组合对卫星钟差一次差分序列进行预报的方法.该方法首先根据北斗卫星钟差序列的特点,利用四分位法(IQR)代替中位数法对一次差分序列进行预处理,然后利用自回归滑动平均模型(ARMA)将经过预处理后的卫星钟差一次差分序列分成趋势项和残差随机项,接着利用极限学习机(ELM)模型对残差部分进行建模预测,最后将ARMA模型的预测结果和ELM神经网络的残差预测结果求和后进行差分还原.结果表明：当卫星钟差呈非线性时,组合模型的预报精度比传统模型提升了38.2%,在北斗卫星钟差短期预报中具有一定的可行性.     

一种北斗卫星钟差短期预报组合方法

针对北斗卫星钟差预报研究较少的情况,基于灰色模型与BP神经网络模型,构建一种全新的组合预测模型. 该组合钟差预测模型通过最优权方法有效结合两种单一模型的优点,实现北斗钟差的短期预报. 最后,以北斗三种型号卫星所携带的原子钟数据为例,计算出每种单一模型的权重,通过构建最优权预报模型实现了钟差的短期预报,预报结果优于两种单一模型,证明了该组合预报模型在钟差短期预测方面有效性与适用性.      

北斗三号全球卫星导航系统空间信号精度评估

针对北斗三号 (BDS-3)正式开通后的空间信号精度情况,选取2020-08-01—2021-07-31共 1 a的混合广播星历数据,以德国波茨坦地学研究中心(GFZ)和武汉大学国际GNSS服务(IGS)数据中心(WHU)提供的精密星历为参考分别从轨道精度、钟差精度和空间信号测距误差(SISRE)来进行BDS-3的空间信号精度评估. 结果表明:BDS-3的轨道精度在径向(R)、切向(A)、法向(C)三个方向上分别优于0.100 m、0.405 m、0.547 m,钟差精度优于1.926 ns,仅受轨道影响的SISRE (orb)为0.134 m,SISRE为0.612 m. 地球静止轨道(GEO)卫星的SISRE为1.137 m,倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和中圆地球轨道(MEO)卫星的SISRE相比GEO卫星分别减少36.3%、51.3%.      

北斗在轨卫星钟中长期钟差特性分析

针对北斗在轨卫星Rb原子钟2013年的实测数据,采用二次多项式拟合得到BDS卫星钟差模型,采用哈达玛总方差公式计算了北斗卫星钟的短期频率稳定度指标,进而分析了北斗在轨卫星钟特性指标的变化规律。通过实例计算,揭示了BDS不同在轨卫星钟的相位、频率、频漂及残差指标的变化规律;计算得出BDS卫星钟万秒频率稳定度维持在10-13量级左右,其中GEO卫星钟的稳定度相对较差,4号和8号卫星在运行期间出现跳变,跳变之后稳定性得到提高,其他在轨卫星钟稳定度变化趋势则相对平稳。     

基于GM(1,1)灰色模型卫星钟差短期预报的精度分析

为了提高GPS快速单点定位的精度,必须及时获得高精度的精密星历。基于卫星钟差变化的灰色特性,建立GPS卫星钟差GM(1,1)灰色模型,对卫星钟差进行短期预报。计算结果表明,灰色模型GM(1,1)用于卫星钟差短期预报,只需要使用少数几个历元的已知卫星钟差进行建模,不仅减少建模数据量,提高建模速度,而且预报精度较高,可以满足GPS快速单点定位的实际需要;并对卫星搭载的原子钟精度进行分析,得出基于灰色模型GM(1,1)分析的Rb钟的精度和稳定性要优于Cs钟。     

北斗二号对北斗三号伪距单点定位精度影响分析

针对当前BDS-2/BDS-3组合定位性能,基于国际GNSS服务(IGS)跟踪站对BDS-2/BDS-3的组合定位实测数据,分析了北斗二号(BDS-2)不同类型卫星对北斗三号(BDS-3)卫星B1I、B3I与B1I/B3I双频组合伪距单点定位精度的影响. 经研究发现,BDS-2不同类型星座卫星都能有效改善BDS-3卫星可见数与卫星空间几何构型,地球静止轨道(GEO)卫星、倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星、中圆地球轨道(MEO)卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在20%以内,而全部BDS-2卫星使BDS-3单频和双频伪距单点定位精度的提升在30%以内,整体提升关系为:BDS-2全部卫星>IGSO卫星>GEO卫星>MEO卫星.      

基于ARIMA模型的卫星钟差短期预报研究

卫星钟差的精度直接影响导航定位的性能。本文针对不同类型的星载原子钟,采用ARIMA时间序列模型分别对1 d的IGS 5 min、30 s采样间隔的精密卫星钟差产品进行建模,并作6 h、一天的短期预报。结果表明,铷钟的预报精度达到了亚纳秒级,铯钟的预报精度处于纳秒级,并且原始钟差产品的采样间隔对卫星钟差预报精度有一定的影响。     

北斗三号精密单点定位精度分析研究

2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)正式开通.BDS-3增加播发B1C、B2a新信号,结合原有北斗二号(BDS-2)的B1I、B2I、B3I信号,5个频点形成7种消电离层组合,进行双频精密单点定位(PPP)研究,结果表明所有组合PPP定位精度在厘米级.     

北斗三号卫星钟差分析与星载原子钟评价

针对北斗卫星三号(BDS-3)卫星钟的表现情况的问题,该文选取了全球均匀分布的120个国际GNSS服务(IGS)跟踪站的北斗三号卫星观测数据进行北斗卫星钟差估计,利用评价卫星钟差产品的方法分析北斗新一代卫星钟的精度水平。得到结果如下：北斗卫星钟中圆地球轨道(MEO)精度在0.1 ns以内、倾斜地球同步轨道(IGSO)精度在0.15 ns以内,地球静止轨道(GEO)精度在0.2～0.9 ns水平;BDS-3卫星的频率的万秒稳定度已经处于1×10^-14水平;GPS与BDS精密单点定位解算结果的均方根误差(RMS)均在厘米级。基于卫星钟差实验结果表明,MEO比IGSO卫星钟差精度高,稳定性强;BDS-3搭载的铷钟(Rb-Ⅱ)和氢钟(PHM)比BDS-2的铷钟(Rb)更稳定,这是因为发射较早的卫星钟普遍受到硬件老化影响,相位与频率的波动较大;BDS在U方向上的精度与收敛速度略有不足,可通过GPS+BDS组合定位提升U方向单点定位性能。北斗卫星钟的精度、稳定性已达到钟差预报及实时精密单点定位应用的需求。     

BDS-2与BDS-3卫星空间信号精度评估

针对BDS-3现有卫星空间信号精度评估问题,该文以BDS-2和BDS-3卫星为研究对象,介绍了BDS卫星空间信号精度评估的方法,基于MGEX发布的2019-05-01—2019-05-31日连续31d的广播星历与WUM分析中心的精密星历产品对33颗BDS卫星的轨道误差、卫星钟差、用户测距误差(URE)和空间信号测距误差(SISRE)进行精度评估。研究结果表明:BDS-2中,IGSO与MEO的轨道精度优于GEO,径向精度优于切向和法向;星载钟差均值优于12.1ns;URE和SISRE均值分别优于1.0和1.2m;BDS-3MEO卫星轨道径向、切向、法向均值分别优于0.2、0.8、0.4m,径向和法向比BDS-2 MEO分别提高45.8%与21.1%;BDS-3卫星星载钟差均值优于7.7ns,比BDS-2提高36.2%;BDS-3的URE和SISRE均值分别优于0.6和0.5m,比BDS-2分别提高42.9%和47.4%。     

Short-term analysis of GNSS clocks

A characterization of the short-term stability of the atomic frequency standards onboard GNSS satellites is presented. Clock performance is evaluated using two different methods. The first method derives the temporal variation of the satellite’s clock from a polynomial fit through 1-way carrier-phase measurements from a receiver directly connected to a high-precision atomic frequency standard. Alternatively, three-way measurements using inter-station single differences of a second satellite from a neighboring station are used if the receiver’s clock stability at the station tracking the satellite of interest is not sufficient. The second method is a Kalman-filter-based clock estimation based on dual-frequency pseudorange and carrier-phase measurements from a small global or regional tracking network. Both methods are introduced and their respective advantages and disadvantages are discussed. The analysis section presents a characterization of GPS, GLONASS, GIOVE, Galileo IOV, QZSS, and COMPASS clocks based on these two methods. Special focus has been set on the frequency standards of new generation satellites like GPS Block IIF, QZSS, and IOV as well as the Chinese COMPASS/BeiDou-2 system. The analysis shows results for the Allan deviation covering averaging intervals from 1 to 1,000 s, which is of special interest for real-time PPP and other high-rate applications like processing of radio-occultation measurements. The clock interpolation errors for different sampling rates are evaluated for different types of clocks and their effect on PPP is discussed.     

北斗三号卫星位置插值研究

针对北斗精密星历只能提供离散的三维坐标,而无法提供任意时刻卫星位置的问题,本文提出插值法计算任意时刻的卫星位置,即分别采用拉格朗日插值法、多项式拟合法、分段线性插值法及径向基函数拟合法对北斗三号卫星精密星历进行内插。试验结果表明,拉格朗日插值法和多项式拟合法能够较好地内插BDS-3的位置坐标。搭载CZ-3A运载火箭的卫星X方向位置和搭载CZ-3C运载火箭的卫星Z方向位置均采用拉格朗日插值法解算效果最优;其余位置方向采用多项式拟合法解算效果最优。     

BDS-3钟差改正数实时预报方法

在远海精密动态定位研究中,BDS-3卫星钟差改正信息的质量对定位结果具有直接影响。在传输实时改正信息时,为了同时兼顾效率及成本,岸基用户端通常会将实时信息压缩后传输至远海用户端。针对数据压缩问题,本文提出了利用钟差改正数预报模型进行数据压缩,同时分析钟差改正数的结构特征,并将其分解为总体趋势序列与随机波动序列,分别构建预报模型。结果表明,DSC模型在20 min的预报区间内较DLP模型提升了6%,较DLP模型提升了9%。     

GPS卫星钟噪声类型分析

介绍了原子钟的噪声模型及表征原子钟稳定度的Allan方差,给出了两种(斜率法和两种Allan方差比较法)确定原子钟噪声类型的方法,并利用这两种方法分析了几颗GPS卫星钟的噪声类型,得出不同种类卫星钟的噪声类型不同,同一种类卫星钟的噪声类型也不完全相同。     

BDS-2/BDS-3伪距单点定位精度分析

北斗三号(BDS-3)基本系统于2018年底开始提供全球服务．通过处理37个全球GNSS服务组织(IGS)多模实验跟踪网(MGEX)观测站90天北斗数据,评估了北斗二号(BDS-2)和BDS-3在全球范围内的可见卫星数、几何精度衰减因子(GDOP)和单频伪距单点定位精度,分析了BDS-2／BDS-3组合对BDS-2、BDS-3单系统空间几何构型、伪距单点定位(SPP)精度的改善程度．结果表明,BDS-3的空间几何构型较BDS-2有明显的提升,定位精度在东方向、北方向和高程方向分别为1.490、2.610、5.238 m(RMS),相较于BDS-2分别提高了58％、1％、24％．BDS-2／BDS-3组合在东方向、北方向和高程方向分别为1.45、2.36、4.90 m(RMS),较BDS-2与BDS-3单系统分别提高了59％、11％、29％,以及3％、10％、6％．并且BDS-2／BDS-3组合明显削弱了BDS-2定位精度与地理经度相关的边缘效应.      

神经网络在卫星钟差短期预报中的应用研究

本文针对卫星钟差的特点,提出了基于神经网络的卫星钟差短期预报模型,给出了基于径向基函数(RBF)网络进行卫星钟差预测的基本思想、预测模型和实施步骤,并对比分析了神经网络模型与灰色系统理论模型的区别.为验证本文提出的预报模型的可行性和有效性,利用GPS卫星钟差数据进行钟差预报精度分析,并与灰色系统模型进行对比分析.仿真结...     

一种组合模型在卫星钟差长期预报中的应用研究

近年来,卫星钟差长期预报普遍采用灰色模型,该模型的预报精度虽较传统的二次多项式模型有所提高,但仍不理想。本文在其基础上提出了一种新的组合模型:首先利用灰色模型估计的残差建立二次多项式模型,预报以后历元的残差,然后和灰色模型的预报结果相加;并分析了利用不同历元个数的残差建模所得组合模型的精度,将组合模型与灰色模型、二次多项式模型的预报精度进行了比较。结果表明:组合模型相对于灰色模型的预报精度能提高一个数量级左右,验证了本文提出的组合模型的可行性和有效性。     

北斗二号/三号融合载波相位时间传递精度分析

本文给出了载波相位时间传递数学模型,并基于多模全球卫星导航系统(GNSS)试验跟踪网MGEX (Multi-GNSS Experiment)的实测数据,对北斗二号/北斗三号卫星导航系统(BDS-2/BDS-3)融合载波相位时间传递性能进行分析. 结果表明:BDS-3的加入能够增加测站的可视卫星数量,改善卫星分布空间构型. 相比仅使用BDS-2,BDS-2/BDS-3融合解算可将MRO1-CUSV和NNOR-CUSV的时间传递精度分别从0.11 ns、0.10 ns提高到0.07 ns、0.08 ns,A类不确定度分别从0.007 ns、0.006 ns提高到0.004 ns、0.005 ns.