關(guān)于多模GNSS融合精密定軌理論及其應(yīng)用的研究

薛鵬飛

摘 要：多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱：多模GNSS）的共存、兼容與互操作，已成為衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。隨著多模連續(xù)運(yùn)行跟蹤站數(shù)量與觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的不斷提升，多模融合精密定軌技術(shù)已成為精密定軌技術(shù)發(fā)展的重要方向，本文針對多模GNSS融合精密定軌理論及其應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：多模GNSS；融合；精密定軌；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用

多模GNSS數(shù)據(jù)融合涉及多頻多模觀測信號，而且不同導(dǎo)航系統(tǒng)在接收終端將產(chǎn)生信號延遲。導(dǎo)航衛(wèi)星精密軌道確定是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心技術(shù)。所以，加強(qiáng)對多模精密定軌技術(shù)方面的研究，對提高我國衛(wèi)星導(dǎo)航定位整體水平具有十分重要的研究意義。

一、導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌理論基礎(chǔ)

（一）時空系統(tǒng)轉(zhuǎn)換

導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)動方程及其觀測方程需要在相應(yīng)的參考系統(tǒng)中進(jìn)行描述，由于精確表征衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)的各種信息對應(yīng)的物理表達(dá)不盡一致，因此，準(zhǔn)確描述各時間系統(tǒng)和坐標(biāo)系統(tǒng)間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系是衛(wèi)星精密定軌的重要組成部分。1、時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換：導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌常用的時間系統(tǒng)有格林尼治真恒星時、世界時、原子時、協(xié)調(diào)世界時、地球動力學(xué)時、質(zhì)心動力學(xué)時、導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時等。常見的轉(zhuǎn)換有TT與TDB間相互轉(zhuǎn)換、UTI與GAST間相互轉(zhuǎn)換、UTI與TAJ間相互轉(zhuǎn)換。2、坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換：導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌主要涉及到與衛(wèi)星運(yùn)動方程相關(guān)的慣性坐標(biāo)系，導(dǎo)航系統(tǒng)框架所依據(jù)的有地固坐標(biāo)系、衛(wèi)星載荷相關(guān)的星固坐標(biāo)系、衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系、地面跟蹤站相關(guān)的站心坐標(biāo)系等。通常用到的轉(zhuǎn)換包含地固系與J2000慣性系的轉(zhuǎn)換、站心坐標(biāo)系與地固系轉(zhuǎn)換、星固系與J2000慣性系的轉(zhuǎn)換、衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系與J2000慣性系的轉(zhuǎn)換。

（二）衛(wèi)星運(yùn)動方程與數(shù)值積分

1、運(yùn)動方程：衛(wèi)星運(yùn)動的基本理論為二體問題，但衛(wèi)星在軌真實(shí)運(yùn)動中還會受到各種攝動力影響，這些攝動力可以分為兩大類保守力和非保守力。保守力只與衛(wèi)星的在軌位置有關(guān)；非保守力不僅與衛(wèi)星的位置有關(guān)，還與衛(wèi)星的速度和幾何形狀、表面特性密切相關(guān)。由于衛(wèi)星表面材料的老化、太陽能量隨太陽活動的變化以及衛(wèi)星姿態(tài)控制誤差等因素，使得太陽光壓攝動成為導(dǎo)航衛(wèi)星定軌中最難精確模擬的攝動力。因此在高精度導(dǎo)航衛(wèi)星軌道確定時，一般采用光壓攝動經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透郊訁?shù)估計的方法描述太陽光壓攝動。2、變分方程：對變分方程進(jìn)行數(shù)值積分，即可獲得任意時刻衛(wèi)星位置、速度，以及偏導(dǎo)數(shù)信息，在衛(wèi)星精密定軌中該類信息一般存儲于臨時文件。3、數(shù)值積分：高性能的積分方法是導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌數(shù)據(jù)處理的一個重要環(huán)節(jié)。解析法能給出形式解，對研究衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律十分重要，但其精度不高，無法滿足精密定軌的需求。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使數(shù)值法可以比較完善地估計衛(wèi)星受到的各種攝動力，而且公式簡便、精度高。常微分方程的數(shù)值解法包括兩類基本方法，一類是單步法，每一步積分僅與上一步結(jié)果相關(guān)，但需要計算對應(yīng)于不同價數(shù)的若干右函數(shù)值；另一類是多步法，雖然僅需要計算一次右函數(shù)值。在實(shí)際精密定軌中，首先用方法提供足夠的起步點(diǎn)后，再采用多步法，以達(dá)到快速精確積分的目的。

二、多模融合精密定軌關(guān)鍵技術(shù)

（一）多模數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要包括參數(shù)估計之前的數(shù)據(jù)預(yù)處理、參數(shù)估計后的觀測值殘差數(shù)據(jù)的再編輯。由于不同導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量差異的存在，多模GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制對多模GNSS數(shù)據(jù)融合處理尤為重要。完備的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是獲得高精度定位結(jié)果和保證設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵。事后處理模式的GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理一般涉及到兩方面的質(zhì)量控制：與觀測值質(zhì)量相關(guān)的觀測數(shù)據(jù)周跳探測和粗差剔除、與導(dǎo)航衛(wèi)星觀測時段相關(guān)的連續(xù)觀測弧長分析。

（二）系統(tǒng)時間偏差解算

不同導(dǎo)航系統(tǒng)間由于信號調(diào)制方式以及頻率的差別，在接收終端會引起時間延遲。衛(wèi)星的IFB延遲是多模接收機(jī)接收到的衛(wèi)星不同頻率信號間的時間偏差，與接收機(jī)和該衛(wèi)星頻率相關(guān)，IFB在連續(xù)觀測時間內(nèi)具有很好的穩(wěn)定性，該延遲組成無電離層組合后將被非差模糊度參數(shù)吸收，這也是多模數(shù)據(jù)處理時，頻分多址衛(wèi)星信號雙差模糊度難以固定的主要因素之一。ISB延遲與接收機(jī)硬件明顯相關(guān)，且長時間具有較好的穩(wěn)定性，多模接收機(jī)ISB延遲可利用多項式模型模擬其變化。

三、多模融合精密單點(diǎn)定位應(yīng)用效果分析

效果分析采用多模GNSS融合精密定軌算法可獲取高精度的GLONASS衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差。借助多模GNSS融合處理功能，可進(jìn)一步反演震中、發(fā)震時刻、地震波傳播速度等地震信息；融合處理可清晰反映各基準(zhǔn)站形變量，地震傳播的方向和到達(dá)各基準(zhǔn)站的時刻，GLONASS數(shù)據(jù)的加入對動態(tài)定位各方向精度均有一定幅度的提高，并能部分消除與測站環(huán)境相關(guān)等未模型化的誤差，避免因衛(wèi)星失鎖或遮擋造成的重新初始化。

四、結(jié)語

多模GNSS融合精密定軌技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多模GNSS兼容、互操作、融合應(yīng)用的基礎(chǔ)前提，也是目前衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，具有重要的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用意義。通過加強(qiáng)對多模GNSS融合精密定軌理論的研究，研制相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件，有助于推動導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌理論和算法的革新與發(fā)展。

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