BDS卫星钟差数据异常值类型识别的卷积神经网络方法

北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)卫星钟差数据中存在多种不同类型的异常值,直接影响钟差预报的质量和性能分析的可靠性。钟差数据预处理是进行钟差预报和分析的前提条件,其中,对异常值的识别是钟差数据预处理的关键。提出一种面向BDS卫星钟差数据异常值识别的卷积神经网络方法。首先将数值型钟差数据转换为灰度二值图格式的数据;然后根据钟差的图形化特征差异进行分类,制作异常值识别的训练集和测试集;最后利用卷积神经网络方法训练钟差数据异常值识别模型,实现钟差数据异常值的精确识别。利用BDS钟差数据进行实验验证,结果表明,所提方法能够精确高效地识别BDS钟差各种类型的异常值,提高了BDS钟差数据预处理的质量和效率。     

星地时间同步钟差异常处理的Bayesian方法

由于星地时间观测受大气层和地球表面环境影响,时间观测序列容易出现粗差,原子钟性能也可能出现相应异常扰动,需要对粗差进行分析处理。对此,本文引入基于识别变量的自回归(auto-regressive,AR)模型异常值探测的Bayesian方法对星地时间同步钟差序列中的异常值进行探测,进一步基于迭代似然比检验法中的异常值描述模型,将异常值估值问题转化为简单的线性模型最小二乘估计问题,以期对钟差序列中的异常值进行修复。实验表明本文的方法能够准确的探测出异常值的位置并精确的估计出异常值的大小。     

卫星钟差异常值探测的抗掩盖与淹没型算法

北斗卫星导航系统(BDS)卫星钟差异常值处理过程中,由于成片异常值的存在,往往会产生掩盖与淹没现象,致使异常值探测效率不高甚至失败。基于求和自回归移动平均模型,分析了时间序列中成片加性AO(Additive Outlier)异常值探测时易产生掩盖与淹没现象的原因;考虑了差分及逆差分对异常值探测的影响,提出了成片AO类异常值探测的抗掩盖与淹没新算法。通过仿真算例,验证了新算法对于序列中成片AO类异常值探测的准确性和有效性。将算法应用于BDS卫星钟差异常值探测和钟差预报中,较好地克服了数据中掩盖和淹没现象产生的影响,对于进一步提高卫星钟差的预报精度具有重要作用。     

BDS卫星钟差半参数平差模型异常数据探测与处理

针对北斗卫星钟差数据中出现钟跳、粗差等异常数据频次较高的问题,将半参数平差模型引入BDS的钟差数据的处理过程中。首先,在考虑系统误差的同时,改进了常用的钟差模型;其次,综合考虑异常数据和系统误差,利用补偿最小二乘原理和极值求解方法,详细推导了分离异常数据前后参数和非参数估计值与相应观测值改正数的关系表达式,实现了异常数据的定值、参数求解和系统误差分离。在此基础上,引入Cook距离,给出了利用参数分量和非参数分量的Cook距离及混合Cook距离,去判断异常值的位置,并给出了一些参数的选取方法及相应的处理措施,实现了卫星钟差异常数据的定位和定值以及部分系统误差的分离。最后,采用武汉大学GNSS中心提供的采样间隔为5 min的北斗卫星精密钟差数据,将本文方法与常用方法进行了试验对比。试验结果表明,本文方法能够有效地识别并处理卫星钟差数据中的异常值,有效克服了基于经验阈值钟差异常数据探测方法的不足,且该方法对于量级较小的异常钟差数据也有很好的探测效果,一定程度丰富了现有的BDS钟差数据质量控制方法。     

基于ARIMA模型的卫星钟差异常值探测的模型选择方法

由于各种不确定因素的干扰,人们获取的卫星钟差数据中经常会出现异常扰动,降低了卫星钟性能分析的可靠性,破坏了钟差建模和预报的有效性,影响了导航定位结果的精准度。对此,以求和自回归移动平均模型为基础,建立了钟差时间序列异常值探测模型;基于Bayes统计原理,将异常值的定位和定值问题转化为模型选择问题;通过模型后验概率的近似计算,构建了模型选择的度量标准,避免了复杂的迭代计算问题。通过全球定位系统和北斗导航卫星系统不同卫星钟差数据的仿真试验,验证了所提出的方法对于卫星钟差序列中异常影响的定位和定值的正确性和有效性。     

基于BDS观测网的卫星钟差完备性监测

卫星钟差质量直接影响到高精度用户的定位结果,因此需对钟差实时监测,即为卫星钟差完备性监测。它是导航系统完备性理论体系中重要的组成部分。本文基于BDS伪距观测值,利用多个BDS/GPS基准站计算卫星钟差并分析各卫星与不同基准站的观测值的残差,若某一卫星的观测值残差与其他卫星残差差异超过限值,应给出示警信息,实现BDS卫星钟差的完备性监测。基于上述理论,基于BDS网观测数据进行BDS卫星钟差完备性监测,并分析BDS卫星钟差的监测结果。该方法初步实现了BDS卫星钟差完备性监测,为后续BDS完备性监理论研究提供了一定的技术支持。     

利用中位数的GPS卫星钟跳探测方法

GPS卫星钟跳是导航卫星钟差数据处理中的一种常见的数据异常。针对由钟差数据量较大引起的粗差探测效率低下,影响用户定位精度的问题,该文对基于中位数的粗差探测方法进行研究;并在分析钟差数据特性的基础上将此方法进行扩展,使其不仅能够探测卫星钟差数据中的粗差,还能探测卫星钟跳。实验结果表明,该文方法能够较好地进行粗差探测和钟跳探测。     

钟差预报AR模型异常值探测的Bayes方法

主要研究了时间序列AR模型的异常值探测问题。首先在一定的限制条件下,将AR模型的异常值探测问题转化为线性回归模型的异常值探测问题;并在正态-Gamma先验条件下,计算了基于均值漂移模型和方差膨胀模型异常值事件发生的后验概率。然后运用Bayes方法对异常值进行了估算。最后通过卫星钟差实测数据计算,比较了模型修正前后预报的情况,验证了新方法的有效性。     

幂函数变换的GM(1,1)模型在BDS卫星钟差预报中的应用研究

由于卫星钟存在频率高、敏感性强、极易受到外界影响从而导致观测数据波动大,预测结果精度低的问题,利用幂函数变换法对初始观测数据进行变换预处理,从而提高观测数据的平顺度.由此提出一种基于幂函数变换的GM(1,1)模型,选用北斗卫星导航系统(BDS)卫星钟差进行插值和预报,并且进行了精度验证.实验结果表明:Lagrange插值方法可以满足高精度BDS的钟差的插值需要;利用幂函数变换的GM(1,1)模型相比传统模型精度有效提高了,而且当改进模型和传统模型预报值越接近实际值,则幂函数改进的GM(1,1)模型精度更高,适用性更强,对BDS卫星钟差预报具有实际参考价值.     

钟差预报AR模型异常值探测的Bayes方法

主要研究了时间序列AR模型的异常值探测问题.首先在一定的限制条件下,将AR模型的异常值探测问题转化为线性回归模型的异常值探测问题;并在正态-Gamma先验条件下,计算了基于均值漂移模型和方差膨胀模型异常值事件发生的后验概率.然后运用Bayes方法对异常值进行了估算.最后通过卫星钟差实测数据计算,比较了模型修正前后预报的...     

基于ARMA模型的BDS卫星钟差异常值探测及其短期预报

星载原子钟在运行过程中会受到恶劣空间环境与设备老化等因素的影响,使得卫星钟差数据中经常存在异常值,其中AO(additive outlier)类异常值是钟差序列中常见的一类异常值.结合最大期望算法与自回归滑动平均(autoregressive moving average, ARMA)模型,提出一种AO类异常值探测算法...     

Real-time estimation of satellite clock offset using adaptively robust Kalman filter with classified adaptive factors

In order to estimate the satellite clock offset in a real-time mode, a new algorithm of adaptively robust Kalman filter with classified adaptive factors for clock offset estimation is proposed. Compared with standard Kalman filter clock offset model, the new method can detect and control outliers and clock jumps automatically in real-time. Moreover, the clock model parameters, which contain the clock offset, clock speed and clock shift, are classified to decide the adaptive factors in the new model. Thus, clock jumps with different characteristics can be distinguished more effectively. Meanwhile, the dynamic noise characteristics of clock offset series are used for stochastic modeling. An actual numerical example is presented, which shows that the proposed filter can give a better performance than other commonly used filters.     

估计北斗卫星钟差频间偏差的一种方法

针对北斗频间卫星钟差偏差现有估计方法的不足,提出一种估计方法。该方法不仅顾及频间卫星钟差偏差的变化部分也顾及了其常数部分。采用10个观测站数据,验证了本文提出的算法,分析了北斗频间卫星钟差偏差的特性。在短期内,北斗频间卫星钟差偏差常数部分具有稳定性。对采用新算法计算得到的北斗频间卫星钟差偏差进行了模型化,结果表明,每颗卫星对应的频间钟差偏差可以利用10个参数予以高精度表示,对应精度可以达到厘米级。当采用第1天的模型参数进行第2天频间卫星钟差偏差值计算时,可实现厘米级结果。基于北斗频间卫星钟差偏差的稳定性与可模型化性,提出了高精度北斗卫星钟差服务策略,为我国高精度北斗卫星钟差服务提供参考。     

AR序列异常值探测的Bayes方法在卫星钟差预报中的应用

AR模型中若含有异常值,会使传统的建模、估计及检验方法陷人困境,从而不能准确地预测和控制。本文在无信息先验条件下,结合观测信息,计算了基于均值漂移模型和方差膨胀模型异常值事件发生的后验概率,提出了无信息先验下自回归模型中异常值探测的Bayes方法并对异常值进行了估算。该方法能将异常值准确地探测和估算出来,借此修正模型,可提高预测的准确性。最后,做了钟差实测数据计算,比较了模型修正前后预报的情况,验证了该方法的有效性。     

Method for evaluating real-time GNSS satellite clock offset products

Real-time satellite clock offset products are frequently utilized in navigation and positioning service fields. The precision of such products is a key issue for their application. The evaluation methods existed for satellite clock offset products are mostly based on post-processed satellite clock offset solutions, which will encounter problems in real-time product evaluation, especially for real-time satellite clock offset products estimated from data with regional stations only. We propose an improved evaluation method for global navigation satellite system (GNSS) satellite clock offset products. In the proposed method, we use all-satellite reference method instead of single-satellite reference method to eliminate the timescale in satellite clock offset products. Moreover, a preprocessing step is suggested to detect gross errors and initial clock bias before evaluating the precision of the satellite clock offsets. We conduct two examples to verify our method, and the experimental results show that the proposed method is more reasonable in assessing the GNSS satellite clock offset precision, and it also provides a reliable approach to analyzing the estimated satellite clock offset in both real-time and post-processed, or globally and regionally.     

多星定轨条件下北斗卫星钟差的周期性变化

基于地面监测网的多星精密定轨可以同时解算出北斗卫星轨道和卫星钟差。由于轨道和钟差的耦合影响,卫星钟差时序难免会出现周期性波动。此外,受限于目前并不完善的北斗全球监测网络分布、系统导航文件缺失以及定轨后处理软件的设置问题,3类卫星的钟差均存在大量数据间断问题。本文利用适用于间断数据的谱分析方法,对多星定轨条件下的北斗卫星钟差数据进行了周期项提取,并利用周期项改进后的钟差预报模型评估了24h以内的预报精度。基于近一年的数据分析表明,北斗GEO卫星钟差3个主周期依次为12、24和8h,IGSO卫星钟差的3个主周期依次为24、12和8h,而MEO卫星钟差的3个主周期依次为12.91、6.44和24h。与改进前相比,周期项改进后的钟差预报模型将北斗卫星钟差在24h以内的预报精度提高了20%~40%。     

姿态模式切换期间QZSS卫星轨道及其钟差产品特性分析

导航卫星姿态控制模式切换对精密定轨解算得到的轨道和钟差均有较大影响。本文首先从理论上分析了卫星偏航姿态及其对精密定轨的影响,然后分别以卫星激光测距检核和钟差多项式拟合的方法对IGS MGEX分析中心的QZSS卫星轨道和钟差产品精度进行评价,最后以谱分析方法和改进阿伦方差揭示了卫星钟差的周期特性。基于2014年全年的QZSS卫星轨道和钟差产品的研究表明,一年内有两次长约20 d的地影季,太阳角呈现半年周期的波动;QZSS卫星在低太阳角时有零偏保护,其卫星轨道和钟差精度都与太阳角有显著相关性;卫星钟差具有与轨道周期相近的周期项,且周期项振幅与太阳角的大小也具有相关性,表明现有的定轨策略存在不足。考虑到QZSS与目前北斗星座中IGSO和MEO卫星姿态控制模式的相似性,该结论对于研究我国BDS姿态切换期间的精密定轨有一定参考价值。     

A modified mix-differenced approach for estimating multi-GNSS real-time satellite clock offsets

A modified mixed-differenced approach for estimating multi-GNSS real-time clock offsets is presented. This approach, as compared to the earlier presented mixed-differenced approach which uses epoch-differenced and undifferenced observations, further adds a satellite-differenced process. The proposed approach, based on real-time orbit products and a mix of epoch-differenced and satellite-differenced observations to estimate only satellite clock offsets and tropospheric zenith wet delays, has fewer estimated parameters than other approaches, and thus its implementing procedure is efficient and can be performed and extended easily. To obtain high accuracy, the approach involves three steps. First, the high-accuracy tropospheric zenith wet delay of each station is estimated using mixed-differenced carrier phase observations. Second, satellite clock offset changes between adjacent epochs are estimated using also mixed-differenced carrier phase observations. Third, the satellite clock offsets at the initial epoch are estimated using satellite-differenced pseudorange observations. Finally, the initial epoch clock results and clock offset changes are concatenated to obtain the clock results of the current epoch. To validate the real-time satellite clock results, multi-GNSS post-processing clock products from IGS ACs were selected for comparison. From the comparison, the standard deviations of the GPS, GLONASS, BeiDou and Galileo systems clock results are approximately 0.1–0.4 ns, except for the BeiDou GEO satellites. The root mean squares are about 0.4–2.3 ns, which are similar to those of other international real-time products. When the clock estimates were assessed based on a pseudo-kinematic PPP procedure, the positioning accuracies in the East, North and Up components reach 5.6, 5.5 and 7.6 cm, respectively, which meet the centimeter level and are comparable to the application of other products.     

北斗/GPS实时精密卫星钟差融合解算模型及精度分析

实时GNSS精密单点定位(PPP)技术必须使用实时的高精度卫星精密轨道和钟差。本文研究了精密卫星钟差融合解算模型及策略,并利用滤波算法实现了北斗/GPS实时精密卫星钟差融合估计算法。仿真实时试验结果显示:获得的北斗/GPS实时钟差与GFZ事后多GNSS精密钟差(GBM)的标准差在0.15 ns左右;使用该钟差进行GPS动态PPP试验,收敛后水平精度优于5 cm,高程精度优于10 cm;使用仿真实时钟差进行的北斗动态PPP与使用GFZ事后多GNSS精密钟差开展的试验相比精度相当,可实现分米级定位。