导航卫星历书拟合初值的选取与误差分析

研究了GPS历书拟合算法,针对常用算法拟合精度受初值影响较大,且迭代计算一般不能收敛于最小拟合误差的情况,提出了称为“二步法”的改进历书拟合算法。即首先进行短弧拟合,并将拟合结果作为长弧拟合的初值使用;取计算过程中的最小拟合误差对应值代替最终收敛值作为拟合结果。经多组GPS实际轨道拟合试验,结果表明“二步法”拟合精度一般能提高约50％。     

基于GPS高程拟合的总体最小二乘算法研究

针对GPS测量噪声影响高程拟合精度的问题,本文详细阐述了最小二乘方法、总体最小二乘算法和加权总体最小二乘算法三种误差处理方法的基本原理及计算公式。根据常用的两种曲面拟合模型,通过对实测数据拟合结果分析GPS测量噪声对高程拟合精度的影响,并对比上述三种算法的结果。数值计算结果表明在顾及GPS测量噪声的情况下,总体最小二乘算法能够很好地削弱其对高程拟合的影响,从而提高拟合精度。     

北斗高精度长弧历书模型设计

历书参数可同时用于辅助常规导航和自主导航的信号捕获。延长历书参数的有效期不但可以使地面接收机启动时充分利用历书数据,对于基于星间链路观测的自主导航,历书参数的有效期还决定了地面注入历书的频度和占用的星上存储资源。通过对北斗3类导航卫星主要摄动力及其对轨道根数的长期项和长周期项的影响分析,设计了以6个轨道根数和5个摄动参数为播发参数的历书拟合模型。以一个自主运行周期90 d为时间尺度,对北斗在轨卫星进行了长弧段历书拟合试验,并同时分析了卫星位置和速度的拟合精度。结果表明新的历书拟合模型提高了历书拟合的精度,尤其对于地球静止轨道和倾斜地球同步轨道卫星,拟合精度提高显著。对于GEO和IGSO卫星,位置拟合误差大约从200 km降低至十几千米甚至几千米,速度拟合误差大约从15 m/s降低至0.6 m/s,新方法拟合精度提高了约20~30倍;对于中圆地球轨道卫星,无论采用哪种历书模型,位置拟合误差都在5 km左右,速度拟合误差都在0.6 m/s左右,新方法拟合精度提高约15%。针对星间链路卫星10 km位置误差上限的使用需求,对比了新老历书模型的拟合弧长,常规模型最大拟合弧长约为14 d,而新历书模型的最大拟合弧长可延长至45 d,新历书模型延长了历书使用期限,优化了北斗历书模型设计。     

GPS新民用导航电文简约历书的算法和性能分析

GPS用户利用导航电文中的历书数据进行卫星可见性的计算和预报。美国2004年12月公布新的GPS接口文件中,规定一种新的民用导航电文格式,提出一种简约的历书数据构成。文中针对简约历书简化了卫星位置算法,在此基础上对使用简约历书计算卫星位置的精度以及对卫星上升、下降时间预报精度进行分析,分析了引起误差的主要原因。     

基于比例整体最小二乘的GPS高程拟合

针对GPS高程拟合过程中GPS基线观测量和水准高程观测量含有误差且残差中误差不相同的情况,在整体最小二乘(TLS)基础上引入比例因子λ来确定残差中误差的大小,即比例整体最小二乘(STLS)。实例计算表明,STLS比TLS和LS能够得到更好的估计参数,高程异常值拟合精度也相应提高。     

LS和TLS方法在高程拟合技术中的应用研究

传统的GPS高程拟合技术使用最小二乘方法对拟合模型进行平差计算,其模型的系数矩阵大多由高程点的平面坐标组成,而平面坐标也是施测GPS得到的观测值,因此也存在观测误差,最小二乘方法并没有考虑系数矩阵的误差,显然与实际情况存在偏差。为解决此问题,本文提出了总体最小二乘方法,并使用该方法对某长江大桥数据进行试验,分析和对比,验证总体最小二乘方法对于提高高程拟合精度的有效性。     

二次曲面与最小二乘配置的组合模型在GPS高程异常拟合中的应用

在工程实践应用中，为了有效利用GPS高程数据，减少对传统水准测量的依赖，提高GPS高程异常的拟合精度便显得十分重要。为此，本文在介绍二次曲面拟合和最小二乘配置拟合基本原理分析、算法过程推导的基础上，提出了一种新的高程异常拟合方法。首先在二次曲面拟合的基础上，计算得到原始观测数据与拟合数据之间的残差序列，然后采用最小二乘配置模型对包括二次曲面拟合模型误差的综合误差进行优化减弱，最后得到新的高程异常。通过实例，将二次曲面拟合法，最小二乘配置法与文中提出的新方法进行比较分析。结果表明：新的组合方法的拟合预测精度要明显优于最小二乘配置及二次曲面拟合。     

基于粒子群优化算法的圆柱体拟合方法

为了解决工程测量中圆柱体拟合问题,提出了基于粒子群优化算法的圆柱体拟合方法.相较于传统的最小二乘法,该方法原理简单,实现方便,不依赖于初值选取.为验证该算法的有效性,利用隧道环片点云数据进行了实验.结果表明,该算法收敛速度快,拟合精度与最小二乘法相当,能满足实际工程测量中圆柱体拟合的应用需求.     

基于中位数法的抗差总体最小二乘估计

针对现有总体最小二乘抗差算法存在的缺陷,应用中位数法确定模型参数的初值,提出了对模型的观测向量与系数矩阵中的观测元素进行分类定权的思想,避免了中误差估计偏差与随机模型误差对等价权函数抗差性的影响。基于中位数法建立总体最小二乘抗差迭代算法,并结合算例对算法进行验证。结果表明,在相同观测样本条件下,本文提出的算法拟合的精度高于传统算法拟合的精度。     

同伦加权整体最小二乘平差算法

针对标准最小二乘（ＳＬＳ）解ＥＩＶ模型存在算法收敛性受初值影响的问题,提出同伦加权整体最小二乘平差 法。首先根据ＳＬＳ理论,按照整体最小二乘平差准则获得求解ＥＩＶ模型的法方程,联合同伦理论构建同伦加权整体 最小二乘平差模型;然后采用预估－校正法对模型进行求解,并设计对应的计算算法;最后以直线拟合和二维坐标 变换为例,对所提算法的可行性进行验证,针对不同初值情况对新旧算法收敛性对比。实验结果表明,在初值离真 值较远时,新算法仍然能够收敛,解决ＳＬＳ－ＷＴＬＳ中出现的发散和奇异问题。     

工程化广播星历参数拟合算法与接口设计

对导航卫星广播星历参数拟合算法和接口设计问题进行了研究。通过条件数、参数相关性分析,指出小倾角问题是造成GPS开普勒轨道根数广播星历拟合算法不能适用于GEO卫星的最主要原因;通过分析定轨理论和拟合实例证明,GEO卫星星历参数Crc、Crs超限的主要原因是由于其轨道特性决定的;针对GEO卫星星历参数拟合法方程严重病态的问题,提出了动态加权的带参数约束条件平差算法。该方法能有效稳定星历拟合结果,解决Δn等星历参数超限的问题。     

Modeling GPS satellite attitude variation for precise orbit determination

High precision geodetic applications of the Global Positioning System (GPS) require highly precise ephemerides of the GPS satellites. An accurate model for the non-gravitational forces on the GPS satellites is a key to high quality GPS orbit determination, especially in long arcs. In this paper the effect of the satellite solar panel orientation error is investigated. These effects are approximated by empirical functions to model the satellite attitude variation in long arc orbit fit. Experiments show that major part of the long arc GPS orbit errors can be accommodated by introducing a periodic variation of the satellite solar panel orientation with respect to the satellite-Sun direction, the desired direction for solar panel normal vector, with an amplitude of about 1 degree and with a frequency of once per orbit revolution.     

广播星历参数拟合算法研究

导航卫星一般采用近圆轨道,当卫星轨道偏心率或者轨道倾角接近于0时,利用GPS卫星开普勒轨道根数拟合卫星广播星历会出现一些问题。当高轨卫星轨道偏心率接近0时,广播星历拟合精度下降甚至拟合失败,为此本文提出了减少拟合参数个数、固定轨道根数M0或者延长星历参数拟合弧段长度的方法;针对GEO卫星在小倾角情况下,广播星历可能拟合失败的情况,本文提出了改变坐标系参考轨道面,在新的坐标系下拟合广播星历的方法。结果表明,改进后的拟合方法能适用于各种类型的导航卫星轨道,拟合精度在cm级或者mm级。     

傅里叶级数拟合LEO轨道误差下的BDS/GPS/LEO 精密单点定位

针对目前多数低轨道地球卫星(LEO)设计处于初步论证阶段,LEO轨道无法精确获取,轨道误差难以准确表述的问题,提出了一种傅里叶级数拟合LEO轨道误差下的BDS/GPS/LEO 精密单点定位(PPP)分析方法. 该方法根据LEO精密定轨后的轨道误差呈现准周期正弦特性,利用傅里叶级数拟合LEO轨道误差,并仿真生成LEO观测数据和星历产品,分析了LEO轨道误差对BDS/GPS/LEO PPP精度与收敛时间影响. 仿真结果表明:BDS/GPS/LEO PPP定位误差随着LEO轨道误差的增加而逐渐增大,但与测站纬度和LEO星座构型无明显关联. 且为保证全球区域BDS/GPS/LEO PPP收敛时间均短于BDS/GPS PPP收敛时间,引入6×10、12×10、18×10 LEO星座后,其LEO轨道误差均方根(RMS)应小于5 cm、11 cm、12 cm.      

GPS形变监测网基线处理中系统误差的分析

分析了高精度GPS形变监测网基线处理中系统误差产生的原因，分类及其对基线处理的影响，并在此基础上提出消除和削弱这些系统误差影响的一些原则和算法。     

GPS卫星广播星历轨道误差突变性分析

针对GPS卫星播发的广播星历存在误差突变的问题进行了有关研究。利用切比雪夫多项式,分别以不同的拟合时段计算卫星轨道坐标,然后分别与对应历元的IGS精密星历所提供的GPS卫星的坐标进行比较,发现了某些GPS卫星广播星历轨道误差变化的规律。这对如何削弱广播星历的轨道误差,提高导航与定位精度是十分有益的。     

Precise orbit determination of the Fengyun-3C satellite using onboard GPS and BDS observations

The GNSS Occultation Sounder instrument onboard the Chinese meteorological satellite Fengyun-3C (FY-3C) tracks both GPS and BDS signals for orbit determination. One month’s worth of the onboard dual-frequency GPS and BDS data during March 2015 from the FY-3C satellite is analyzed in this study. The onboard BDS and GPS measurement quality is evaluated in terms of data quantity as well as code multipath error. Severe multipath errors for BDS code ranges are observed especially for high elevations for BDS medium earth orbit satellites (MEOs). The code multipath errors are estimated as piecewise linear model in \(2{^{\circ }}\times 2{^{\circ }}\) grid and applied in precise orbit determination (POD) calculations. POD of FY-3C is firstly performed with GPS data, which shows orbit consistency of approximate 2.7 cm in 3D RMS (root mean square) by overlap comparisons; the estimated orbits are then used as reference orbits for evaluating the orbit precision of GPS and BDS combined POD as well as BDS-based POD. It is indicated that inclusion of BDS geosynchronous orbit satellites (GEOs) could degrade POD precision seriously. The precisions of orbit estimates by combined POD and BDS-based POD are 3.4 and 30.1 cm in 3D RMS when GEOs are involved, respectively. However, if BDS GEOs are excluded, the combined POD can reach similar precision with respect to GPS POD, showing orbit differences about 0.8 cm, while the orbit precision of BDS-based POD can be improved to 8.4 cm. These results indicate that the POD performance with onboard BDS data alone can reach precision better than 10 cm with only five BDS inclined geosynchronous satellite orbit satellites and three MEOs. As the GNOS receiver can only track six BDS satellites for orbit positioning at its maximum channel, it can be expected that the performance of POD with onboard BDS data can be further improved if more observations are generated without such restrictions.     

基于第一类无奇点根数的LEO历书参数设计

GNSS技术蓬勃发展,在国防建设和国民经济发展中发挥了重要作用。但也因其无法快速解算整周模糊度、复杂环境下适应性差、完好性差等缺点,限制了其作用的最大发挥。基于LEO通信卫星星座的系统增强可以很好地克服这些缺点。要实现该增强系统,基础之一就是如何生成LEO卫星的历书星历。为解决这个问题,从第一类无奇点出发对GPS标准历书进行改造,提出了一套专用于LEO卫星的10参数历书集,并推导了历书计算公式。对600~1 500 km轨道高度的2~7 d的LEO卫星轨道进行了拟合实验。结果表明,高度600 km时长2 d,高度700 km时长4 d,高度800 km时长7 d历书拟合的用户距离误差(URE)的均方根误差(RMS)分别优于936.021,944.087和956.183 m。