GPS卫星钟差改正数实时预报算法

实时卫星钟差（satellite clock bias,SCB）的获取是实时精密单点定位（real-time precise point positioning,RTPPP）需要解决的关键问题。给出了国际GNSS服务（International GNSS Service,IGS）所提供的实时服务（real-time service,RTS）钟差产品的修复方法,分析了IGS02、IGS03实时数据流中GPS卫星钟差改正数的稳定性及其精度。同时,从原理上推导证明了钟差一次差分数据符合一次多项式模型,并结合对GPS卫星钟差改正数的分析提出了一种基于一次差分的钟差改正数预报算法,通过与一次多项式模型、二次多项式模型以及灰色模型的预报精度进行对比试验,结果表明,该钟差改正数预报算法预报精度有明显提高,预报30 s的精度达到0.06 ns,可满足实时精密单点定位的要求。     

MGEX钟差产品精度分析

IGS的多GNSS实验项目MGEX(Multi-GNSS Experiment)提供的精密钟差产品广泛应用于高精度导航定位领域。本文研究了卫星钟差精度评估的方法,以IGS最终钟差作为GPS卫星基准,以北斗星地双向时间频率传递钟差作为北斗卫星基准,对GFZ、CODE和WHU这3个分析中心的MGEX钟差产品精度进行了分析。研究结果表明:MGEX实验的GPS最终钟差RMS优于0.30 ns;超快速钟差实测部分RMS优于0.16 ns;24 h预报误差RMS优于3.5 ns。各分析中心北斗GEO卫星最终钟差互差RMS为0.75 ns;IGSO卫星为2.27～3.8 ns;MEO卫星为0.6～1.2 ns。北斗星地双向时间频率传递检核GEO卫星最终钟差RMS为2.6～2.7 ns;IGSO和MEO卫星为1～1.5 ns。北斗卫星超快速钟差实测部分RMS优于1 ns;24 h预报误差RMS为7～9 ns。     

远海实时GPS潮汐的实时精密单点定位观测

针对传统事后精密单点定位技术的时间延迟问题,该文基于IGS RTS实时数据流产品,开展了实时精密单点定位技术在远海实时GPS验潮中的应用研究.对RTS改正的实时精密卫星轨道和钟差进行了精度验证和分析,给出了RT-PPP的数据处理策略以及实时GPS验潮的基本流程;组织和实施了渤海湾船载GPS验潮试验,以压力式验潮仪数据为参考,对远距离实时GPS潮汐测量结果进行了精度分析.结果表明:①以IGS最终卫星轨道和钟差产品为参考,RTS实时精密卫星轨道在X、y、Z方向的精度(RMS)均优于3 cm,卫星钟差的精度优于0.15 ns;②采用傅里叶低通滤波方法,消除波浪对潮汐观测的影响,进一步提取潮位信息.在忽略船体姿态改正的情况下,实时精密单点定位验潮相对于压力式验潮仪结果的最大偏差优于20 cm,RMS达到7.5 cm.     

多系统钟差预报方法研究及对实时精密单点定位与时间传递的影响

IGS建立的RTS实时服务,为实时精密单点定位及其应用带来了可能,而实时服务系统面临一个重要挑战是数据中断。本文对卫星钟稳定度特性进行分析,并对钟差基于历史数据进行预报,预报时长1h时,大部分GPS、GLONASS、BDS卫星精度能达到0.3ns,Galileo系统在0.1ns,满足维持cm级定位以及高精度时间传递需求。基于Galileo卫星钟卓越表现以及Galileo系统卫星数目较少考量,增加Galileo预报钟差联合GPS系统解算方法,对其定位与时间传递效果进行比较分析。实验结果表明:定位收敛后,实时数据中断期间,采用预报钟差产品可维持cm级别定位,同时在数据中断第一个小时,可维持时间传递链路结果量级几乎不变,第二小时仍可维持同一量级结果。实时产品时间传递稳定度与GBM产品相当,非差非组合解算结果与消电离层组合时间传递解算结果相当。与单GPS系统相比,增加Galileo系统预报产品联合解算,北、东、天三个方向定位精度分别提高18.7%、20.6%、25%;时间链路上时间传递稳定度略有提升,十秒稳与百秒稳分别提升11%、17%。     

实时精密单点定位的远海实时GPS潮汐观测

针对IGS实时数据流产品,该文开展了实时精密单点定位技术在远海实时GPS验潮中的应用研究。对RTS改正的实时精密卫星轨道和钟差进行了精度验证和分析,给出了实时精密单点定位的数据处理策略以及实时GPS验潮的基本流程;组织和实施了渤海湾船载GPS验潮试验,以压力式验潮仪数据为参考,对远距离实时GPS潮汐测量结果进行了精度分析。结果表明:以IGS最终卫星轨道和钟差产品为参考,实时数据流产品实时精密卫星轨道在X、Y、Z方向的精度均优于3cm,卫星钟差的精度优于0.15ns;采用傅里叶低通滤波方法,消除波浪对潮汐观测的影响,进一步提取潮位信息。在忽略船体姿态改正的情况下,实时精密单点定位验潮相对于压力式验潮仪结果的最大偏差优于20cm,RMS达到7.5cm。     

基于IGU星历的实时卫星钟差加密方法研究

主要介绍了利用IGS提供的超快速观测星历和预报星历进行5 min和30 s实时卫星钟差获取的方法,并对利用这两种星历文件获取的卫星钟差与IGS提供的最终星历做比较,最后得出结论：基于IGS的超快速观测星历采用线性模型预报实时卫星钟差的精度高于基于IGS超快速预报星历采用三次样条函数直接内插获得的实时卫星钟差的精度,可以达到3 ns,能够满足一般实时单点定位的精度要求。     

广播星历SSR改正的实时精密单点定位及精度分析

本文分析了利用广播星历和SSR改正信息获取实时精密星历和卫星钟差的方法,并对生成的实时产品进行了精度评估:利用IGS分析中心提供的实时NTRIP数据流SSR改正信息,基于广播星历改正RTPPP模型实现了实时静态和动态精密单点定位,并分别进行了精度分析。结果表明:将广播星历SSR改正获得的实时产品与IGS最终产品相比较,卫星轨道互差RMS值为4cm~7cm、卫星钟差互差RMS值优于0.3ns;实时静态PPP在观测时段6h以上的情况下,可实现水平方向2cm、高程方向4cm的定位精度,24h单天解的平面及高程方向精度均优于2cm;实时动态PPP的定位精度可达cm级,收敛至亚dm级精度的时间与事后PPP在不固定非差模糊度情况下所需的时间相当。     

不同星历下实时精密单点定位精度分析

基于自主研制的软件,分别利用超快速外推星历和钟差,以及基于广播星历的实时SSR改正的精密星历和钟差进行实时精密单点定位。结果表明,利用SSR改正信息的实时精密单点定位精度更高;利用SSR改正信息得到的实时星历和钟差与IGS最终产品对比,卫星位置互差RMS值优于7 cm,钟差互差RMS值优于0.3 ns;收敛后实时SSR改正和超快速这两种产品实时静态定位精度水平方向RMS值分别优于3 cm、4 cm,高程RMS值优于3 cm、6 cm。     

一种基于IGS超快星历的区域性实时精密单点定位方法

实时GPS精密单点定位需要实时的卫星轨道和钟差产品,为此提出一种利用区域GPS连续运行参考站和IGS发布的IGU超快轨道进行实时精密单点定位的方法.该方法首先利用连续运行参考站观测数据与IGU超快轨道预报部分进行实时GPS卫星钟差的估计,然后利用估计得到的实时GPS卫星钟差产品和IGU超快轨道预报部分,进行用户GPS接...     

基于新陈代谢灰色模型的实时GPS卫星钟差预报研究

实时GPS卫星钟差的可靠性预报是GPS实现实时精密单点定位的关键技术之一。传统的GM(1,1)模型不能及时更新新息数据,致使计算结果精度较差。本文首先介绍了常用的几个钟差模型,并利用新陈代谢GM(1,1)模型,与常用的二次多项式模型进行了对比。通过自编程序,依据某一IGS跟踪站实测的精密卫星星历数据,进行了实时的GPS卫星钟差预报,并与IGS事后精密钟差进行了比较。实验结果表明,基于该新陈代谢GM(1,1)模型估计的卫星钟差与IGS发布的最终精密钟差具有较好的有效性和一致性,这为实时GPS动态精密单点定位提供较高精度的卫星钟差产品。     

Real-time clock offset prediction with an improved model

The GPS orbit precision of the IGS ultra-rapid predicted (IGU-P) products has been remarkably improved since 2007. However, the satellite clock offsets of the IGU-P products have not shown sufficient high-quality prediction to achieve sub-decimeter precision in real-time precise point positioning (RTPPP), being at the level of 1–3 ns (30–90 cm) RMS in recent years. An improved prediction model for satellite clocks is proposed in order to enhance the precision of predicted clock offsets. First, the proposed prediction model adds a few cyclic terms to absorb the periodic effects, and a time adaptive function is used to adjust the weight of the observation in the prediction model. Second, initial deviations of the predictions are reduced by using a recomputed constant term. The simulation results have shown that the proposed prediction model can give a better performance than the IGU-P clock products and can achieve precision better than 0.55 ns (16.5 cm) in real-time predictions. In addition, the RTPPP method was chosen to test the efficiency of the new model for real-time static and kinematic positioning. The numerical examples using the data set of 140 IGS stations show that the static RTPPP precision based on the proposed clock model has been improved about 22.8 and 41.5 % in the east and height components compared to the IGU-P clock products, while the precisions in the north components are the equal. The kinematic example using three IGS stations shows that the kinematic RTPPP precision based on the proposed clock model has improved about 30, 72 and 44 % in the east, north and height components.     

顾及钟差变化率的GPS卫星钟差预报法

提出了一种基于钟差变化率拟合建模的卫星钟差预报方法。以附加周期项的线性或二次多项式作为基础模型对钟差变化率序列进行拟合,最优估计卫星钟差的趋势项系数,然后直接使用精密定轨得到的相应时刻的卫星钟差计算预报初始时刻的基准项系数,来建立卫星钟差的预报模型。以IGS发布的快速星历(IGR)的卫星钟差为试验数据,对GPS星座中各种型号的所有卫星钟差进行预报。结果表明:本文方法3、6、12与24h的预报精度分别可达0.43、0.58、0.90与1.47ns,相比于传统的基于钟差拟合的预报方法,精度分别提高69.3%、61.8%、50.5%与37.2%;与IGS发布的超快速星历(IGU)的预报钟差相比,钟差精度分别提高15.7%、23.7%、27.4%与34.4%。     

An approach to GPS clock prediction for real-time PPP during outages of RTS stream

The international GNSS service (IGS) has been providing an open-access real-time service (RTS) since 2013, which allows users to carry out real-time precise point positioning (RT-PPP). As the availability of RTS products is vital for RT-PPP, a disruption in receiving RTS products will be a concern. Currently, the IGS Ultra-rapid (IGU) orbit is accurate enough to be used as an alternative orbit for RTS during RTS outages, while the precision of the IGU predicted clock offsets is far below that of the RTS clock product. The existing clock prediction methods based on received RTS clock data will not work well if the discontinuity arises shortly after the start of the RT-PPP processing due to the lack of RTS clock data to fit the prediction model or to predict clock offsets at a high precision. Even if there is a sufficient amount of RTS clock data available, saving large amounts of RTS clock data would also use processor memory. An alternate approach for GPS clock prediction is proposed. The prediction model, composed of linear polynomial and sinusoidal terms, is similar to those used by the precious methods. The main innovation is the determination of the model coefficients: coefficients of linear and sinusoidal terms are estimated with the epoch-differenced clock offsets from the IGU observed part, while the constant coefficient is computed with the latest RTS clock corrections. There is no need to save the received RTS clock corrections, and clock prediction can be carried out even with only one epoch of RTS data. Evaluation of the proposed method shows that the predicted clock offsets within a short period of prediction time, e.g., 5 min, are slightly worse than RTS clock data. Even when the predicted time reaches up to 1 h, the precision of the predicted clock offsets is still higher than that of IGU predicted clock offsets by about 50%.     

改进的多项式+周期项模型的卫星钟差预报

针对现有的超快速钟差产品IGU精度较低以及无法满足实时PPP技术的问题,提出了一种改进的多项式+周期项钟差预报模型。该模型采用多项式+周期项非线性函数对钟差数据进行滑动估计,结合迭代法对拟合模型的随机误差进行自然修正,以实现对卫星钟差的预报估计。通过与常见的多项式模型、灰色系统模型和多项式+周期项模型的对比分析,结果表明:改进的多项式+周期项模型更加适用于卫星钟差预报,在1天内,其预报精度RMS可以达到0.57 ns,最大偏离程度为1 ns,明显优于灰色系统模型和多项式+周期项模型;随着预报时间的增长,多项式模型、灰色系统模型和多项式+周期项模型的预报精度大幅降低,而改进的多项式+周期项模型没有大幅的变化,预报结果比较稳定。      

基于哈达玛总方差的卫星钟差参数估计与预报

钟差参数估计与预报是卫星导航系统应用中的一项关键技术。本文研究了基于哈达玛总方差的钟差参数预报方法。随机部分采用幂律谱模型,利用哈达玛总方差计算Kalman噪声参数,进而得到状态噪声和测量噪声协方差阵。最后利用IGS数据,验证了基于哈达玛总方差进行钟差参数估计与预报的适用性。结果表明,短期预报精度可达到亚纳秒级。     

灰色模型在快速卫星钟差预报中的应用

GPS实时精密单点定位需要实时的、精确的、可靠的预报卫星钟差预报,因此卫星钟差的预报是一项非常重要的工作,它对实时的高精度导航定位具有重要意义。为导航定位提供时间标准的导航卫星原子钟是非常精密的仪器,对外界环境非常敏感,无法将卫星钟差作为普通的白噪声处理,可以但可将卫星钟差看作是灰色系统来进行研究。本文根据灰色系统相关理论,将灰色系统模型GM(1,1)应用到卫星钟差的预报,并用IGS超快速星历建立了预报卫星钟差的灰色预测模型,研究了卫星钟差的变化规律。结果表明:灰色模型可用于卫星钟差的短期预报,它对超快速星历的预报精度与IGS产品中的IGU超快速星历本身的预报精度相当。     

基于IGS超快星历预报卫星钟差及其精度分析

在实时GPS精密单点定位中,能否快速有效地得到高精度的卫星钟差预报值是影响实时单点定位速度和精度的一个重要因素,由于GPS原子钟的高频率、高敏感和极易受到外界及其本身因素影响的性质使得卫星钟差预报至今都没能得到很好地解决,本文在目前的卫星钟差预报基础上,分别探讨了利用灰色模型理论、线性模型和二次多项式模型等方法,以IGS超快星历中2004年12月7日卫星钟差观测资料预报8日的卫星钟差为例进行卫星钟差预报研究,初步得出如下结论:在利用IGS超快星历的前一天的卫星钟差观测值预报后一天的钟差时,线性模型相对方便有效;而灰色模型只要选取合适的模型指数系数,能得到较高精度;但二次多项式模型预报精度较差。利用线性模型能达到或优于IGS超快星历预报钟差的预报精度。