三种导航卫星钟差加密算法比较

针对GPS导航卫星的钟差加密问题,文中首先分析了拉格朗日插值法、三次样条插值、分段线性插值三种常见插值加密算法的原理,并在此基础上利用由IGS提供的精密钟差数据进行验证和分析比较,发现三种方法的精度在一个水平上,但线性插值法的精度最高,对与不同类型的原子钟,BLOCKⅡA Rb的精度最高,BLOCKⅡA Cs精度最差。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含误差预报校正的GM(1,1)卫星钟差预报新方法

为了提高卫星钟差预报精度,该文提出用AR(p)模型对GM(1,1)建模过程中的模型残差进行建模预报,以此来提高GM(1,1)模型预报卫星钟差的精度。首先,剔除卫星钟差数据中的异常值,采用拉格朗日插值法将缺失的数据补齐;然后,用GM(1,1)模型对卫星钟差进行预报,对GM(1,1)的模型残差作平稳化处理后,采用AR(p)模型对处理后的残差序列进行预报;最后,将GM(1,1)和AR(p)模型的预报结果对应相加即得到钟差的最终预报值。此外,该文采用IGS公布的事后精密卫星钟差进行预报试验,并将该文结果与卫星钟差预报中常用的二次多项式和修正指数曲线法模型预报结果进行对比分析。结果表明,该方法可以对GPS卫星钟差进行高精度的中短期预报。     

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。     

利用遗传小波神经网络预报导航卫星钟差

针对卫星钟差难以用精确模型来进行预报问题,首先通过遗传算法优化适合非线性时间序列预报的小波神经网络的网络参数,得到预报性能更好的遗传小波神经网络(GWNN);然后根据钟差数据的特点对钟差进行预处理,建立了一种能够高精度、近实时预报钟差的GWNN钟差预报算法。使用GPS卫星钟差进行一天内的预报实验证明了本方法的有效性。结果表明,通过本方法得到的预报钟差较IGS超快预报钟差在精度上有了较大的改善。     

利用SLR和伪距资料确定导航卫星钟差

提出了综合利用SLR和GPS伪距资料测定导航卫星钟差的方法,采用2002年10月的SLR和伪距实测数据计算了GPS 35卫星的钟差,并对GPS 35卫星的钟差进行了预报,为了验证计算结果的精度,将本文计算的卫星钟差与IGS精密钟差进行了比较.通过比较分析发现:综合利用SLR和伪距资料测定的导航卫星钟差精度优于3 ns,测定的导航卫星钟差与实际卫星钟差不存在系统差;导航卫星钟差的预报精度与计算卫星钟速的时间跨度有关;可以分离卫星坐标和卫星钟差之间的相互影响,便于对卫星钟差的研究.     

偏航姿态对GPS和GLONASS精密轨道和钟差的影响

利用全球约110个国际GNSS服务（International GNSS Service,IGS）测站2013年全年观测数据,分析和研究了GPS和全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GLONASS）卫星偏航姿态对其精密轨道和钟差的影响。结果表明,偏航姿态对不同型号GPS卫星轨道和钟差的影响程度不同,当采用偏航姿态改正后地影期的BLOCK ⅡA型卫星轨道改善可达17 mm,BLOCK ⅡF为近5 mm,而BLOCK ⅡR几乎不受影响。由于偏航姿态对GLONASS-M卫星定轨精度影响较大,因此,当改正偏航姿态后所有GLONASS卫星相对于IGS最终轨道平均一维差异提高10 mm,相对于德国地学中心（German Research Center for Geosciences,GFZ）最终钟差平均标准差提升0.034 ns。     

GPS/BDS卫星姿态异常对PPP相位缠绕的影响及其改正模型

在精密单点定位中,相位缠绕是一项不可忽略的误差。相位缠绕的计算严格依赖于卫星姿态的确立,不同的卫星类型产生不同的异常。本文给出了卫星在正常情况下的姿态模型和在异常情况下的姿态改正模型。使用真实数据测试以验证本文所提出模型的正确性。观察滤波收敛后出现异常情况的卫星观测值的残差,结果表明:在异常时期残差最大可能超过20 cm,然而使用本文的改正模型,残差可降低到5 cm以下。使用不同分析中心的精密轨道和钟差产品,效果存在微小差异。II/IIA卫星通过地影区域的时间最长可达1 h,此期间卫星姿态完全受航向角偏差(II/IIA为+0.5°)控制,出了地影区域后30 min,姿态难以模型化,因此这30 min的观测数据不建议采用。     

精密单点定位中三种GPS卫星钟差预报模型的精度分析

分析了二次多项式、线性和灰色系统三种预报模型的原理和特点,采用了IGS精密星历和超快星历数据,选取了五颗钟差变化比较典型的卫星,实现了为期一天的卫星钟差预报。     

Characterization of periodic variations in the GPS satellite clocks

The clock products of the International Global Navigation Satellite Systems (GNSS) Service (IGS) are used to characterize the timing performance of the GPS satellites. Using 5-min and 30-s observational samples and focusing only on the sub-daily regime, approximate power-law stochastic processes are found. The Block IIA Rb and Cs clocks obey predominantly random walk phase (or white frequency) noise processes. The Rb clocks are up to nearly an order of magnitude more stable and show a flicker phase noise component over intervals shorter than about 100 s. Due to the onboard Time Keeping System in the newer Block IIR and IIR-M satellites, their Rb clocks behave in a more complex way: as an apparent random walk phase process up to about 100 s and then changing to flicker phase up to a few thousand seconds. Superposed on this random background, periodic signals have been detected in all clock types at four harmonic frequencies, n × (2.0029 ± 0.0005) cycles per day (24 h coordinated universal time or UTC), for n = 1, 2, 3, and 4. The equivalent fundamental period is 11.9826 ± 0.0030 h, which surprisingly differs from the reported mean GPS orbital period of 11.9659 ± 0.0007 h by 60 ± 11 s. We cannot account for this apparent discrepancy but note that a clear relationship between the periodic signals and the orbital dynamics is evidenced for some satellites by modulations of the spectral amplitudes with eclipse season. All four harmonics are much smaller for the IIR and IIR-M satellites than for the older blocks. Awareness of the periodic variations can be used to improve the clock modeling, including for interpolation of tabulated IGS products for higher-rate GPS positioning and for predictions in real-time applications. This is especially true for high-accuracy uses, but could also benefit the standard GPS operational products. The observed stochastic properties of each satellite clock type are used to estimate the growth of interpolation and prediction errors with time interval.     

GPS精密星历的外推精度分析

列出了轨道拟合和轨道外推所用的摄动力模型,讨论了轨道拟合和轨道积分的过程。利用轨道拟合的方法拟合出高精度的初始轨道参数,在此基础上外推7天的轨道,将结果与IGS提供的最终星历比较,得出GPS轨道的外推精度:每颗卫星都是切向误差最显著,径向和法向的误差不明显;星蚀卫星的轨道外推精度明显低于一般卫星;问题卫星的轨道外推误差特别大。     

A simplified yaw-attitude model for eclipsing GPS satellites

A simplified yaw-attitude modeling, consistent with Bar-Sever (1996), has been implemented and tested in the NRCan PPP software. For Block IIR GPS satellite it is possible to model yaw-attitude control during eclipsing periods by using the constant hardware yaw rate of 0.20°/s. The Block IIR satellites maintain the nominal yaw attitude even during a shadow crossing (Y. E. Bar-Sever, private communication, 2007), except for the noon and shadow midnight turn maneuvers, both of which can be modeled and last up to 15 min. Thus, for Block IIR satellites it is possible to maintain continuous satellite clock estimation even during eclipsing periods. For the Block II/IIA satellites, it is possible to model satisfactorily the noon turns and also shadow crossing, thanks to the permanent positive yaw bias of 0.5°, implemented in November 1995. However, in order to model the Block II/IIA shadow crossings, satellite specific yaw rates should be used, either solved for or averaged yaw-rate solutions. These yaw rates as estimated by the Jet Propulsion Laboratory (JPL) can differ significantly from the nominal hardware values. The Block II/IIA post-shadow recovery periods, which last about 30 min, should be considered uncertain and cannot be properly modeled. Data from post-shadow recovery periods should, therefore, not be used in precise global GPS analyses (Bar-Sever 1996). For high-precision applications, it is essential that users implement a yaw-attitude model, which is consistent with the generation of the satellite clocks. Initial testing and analyses, based on the IGS and AC Final orbits and clocks have revealed that during eclipsing periods, significant inconsistencies in yaw-attitude modeling still exist amongst the IGS Analyses Centers, which contribute to the errors of the IGS Final clock combinations.     

GNSS星载原子钟性能评估

星载原子钟作为导航卫星上维持时间尺度的关键载荷,其性能会对用户进行导航、定位与授时的精度带来影响。介绍了原子钟评估常用的三个指标（频率准确度、飘移率和稳定度）的定义及计算方法,利用事后卫星精密钟差数据,开展了全球卫星导航系统（global navigation satellite system,GNSS）星载原子钟性能评估,分析了GNSS星载原子钟特性。结果表明,GPS（global position system）BLOCKIIF星载铷钟与Galileo星载氢钟综合性能最优;北斗系统中地球轨道卫星与倾斜同步轨道卫星星载原子钟天稳定度达到2~4×10-14量级,与BLOCK IIR卫星精度相当;频率准确度达到1~4×10-11量级;频率漂移率达到10-14量级。     

多模全球导航卫星系统融合精密定轨

基于武汉大学自主研制的卫星导航系统综合处理软件(PANDA),利用全球实测的GPS/GLONASS、GPS/Gali-leo试验卫星(GIOVE)多模接收机数据进行GPS、GLONASS、GIOVE卫星的融合精密定轨理论与方法研究。通过与IGS提供的GPS与GLONASS卫星精密轨道比较、轨道重叠弧段互差以及SLR观测数据检核等多种方法对融合计算的精密轨道精度进行了评定。     

几种精密卫星钟差加密方法的比较与分析

卫星钟差是影响GPS高精度单点定位的一个重要因素,通过分析几种加密GPS精密卫星钟差的方法,将加密结果与GFZ(German Research Centre for Geosciences)提供的数据进行比较,并通过精度分析,得出分段线性插值法是加密GPS精密卫星钟差一种较为可靠的方法。     

A New Solar Radiation Pressure Model for GPS Satellites

The largest error in currently used GPS orbit models is due to the effect of solar radiation pressure. Over the last few years many improvements were made in modeling the orbits of GPS satellites within the International GPS Service (IGS). Howeer, most improvements were achieved by increasing the number of estimated orbit and/or solar radiation pressure parameters. This increase in the number of estimated satellite parameters weakens the solutions of all estimated parameters (not only orbit parameters). Because of correlations the additional orbit parameters may introduce biases in other estimated quantities, for example the length of day. We present a recently developed solar radiation pressure model for the GPS satellites. This model is based on experiences and results gained at the Center for Orbit Determination in Europe (CODE) in the context of its IGS activities since June 1992. The performance of the new model is almost an order of magnitude better than that of the existing ROCK models. It also allows a reduction of the number of orbit parameters that have to be estimated. ? 1999 John Wiley & Sons, Inc.