面向北斗/GNSS非差模糊度固定的精密钟差和相位偏差产品综合

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精密卫星钟差产品是实现精密单点定位技术(Precise Point Positioning,PPP)的重要基础。国际GNSS服务组织(International GNSS Service,IGS)从1994年开始便开始进行GPS的钟差综合工作,以便提供比单个分析中心(Analysis Center,AC)产品更加稳定可靠的综合产品。但是IGS的钟差综合策略自2001年修订以来,至今没有进一步的修改,已经无法满足目前繁荣发展的多系统GNSS的精密钟差产品综合需求,尤其是我国的北斗系统。此外,目前IGS AC开始提供与钟差产品配套的多系统GNSS相位偏差产品;可靠的相位偏差产品是实现PPP-AR(Ambiguity Resolution)的关键,可以显著提高PPP的收敛速度和定位精度。但是目前国际上鲜有面向多系统GNSS钟差综合的研究,亦缺少多系统相位偏差的综合可行性及相应算法的研究。本文从这一迫切的实际需求出发,深入地研究了面向北斗/GNSS非差模糊度固定的精密钟差和相位偏差综合算法,并基于多个算例验证了算法的有效性和综合产品的性能。本文深入分析了多系统GNSS精密钟差的构成部分及其时变特性,除钟差基准、模型误差、初始钟偏差外重点分析了各个AC间系统间偏差的差异,并基于此构建了多系统GNSS精密钟差的数学模型,设计了相应的钟差综合策略。与IGS发布的2019全年的GPS钟差综合结果进行了对比,发现在AC钟差基准异常等IGS的综合策略无法处理的特殊情况下,本文的综合算法依然能够适用。此外,GPS、Galileo、GLONASS和BDS-2/3的钟差综合实验显示它们分别能达到11.6 ps、11.5 ps、45.5 ps、20.5 ps和26.4ps的AC间钟差一致性。使用综合产品进行GREC四系统PPP静态定位可以在东、北、高三个方向分别达到2.3 mm、1.5 mm和5.6 mm的坐标重复性精度,优于大部分AC的产品。同时深入分析了GLONASS钟差综合时AC间一致性不佳的原因,指出是AC间GLONASS轨道产品较大的切向和法向差异引起了钟差差值的线性及非线性变化。在多系统钟差综合研究的基础上,本文设计了一种基于宽窄巷UPD(Uncalibrated Phase Delay)的北斗/GNSS多系统钟差和相位偏差的联合综合方法。将原始相位偏差统一转化为宽窄巷UPD,同时将窄巷UPD和卫星钟差融合为整数钟差产品,分步综合宽巷UPD和整数钟差。GPS、Galileo和BDS-2/3的钟差和相位偏差综合实验显示,宽巷UPD综合残差分别有99.98%、98.59%、100%和99.80%小于0.1周,一致性较好;得益于整数钟差的整数特性,其综合残差的RMS分别可以达到5.9 ps、6.4 ps、10.6 ps和10.9 ps。使用综合产品分别可以实现GPS、Galileo和BDS-2/3平均91.1%、98.2%、93.1%和94.2%的宽巷固定率,以及96.9%、97.5%、82.6%和92.7%的窄巷固定率,产品鲁棒性优于大部分AC。基于综合产品,GE双系统的PPP-AR静态定位可以在东、北、高三个方向分别达到1.4 mm、1.4 mm和4.8 mm的坐标重复性精度,且约有75%的测站在使用综合产品时能获得较原始AC产品更高的定位精度。全球范围内单北斗的PPP-AR静态定位可以在东、北、高三个方向分别达到2.4 mm、2.5 mm和7.6 mm的坐标重复性精度。单北斗动态定位受限于实验期间AC产品支持的BDS-3卫星数,在全球范围内仅能达到平均3.4 cm、2.6 cm和6.7 cm的东、北、高定位精度。此外,本文还使用部分AC提供的姿态产品验证了在钟差综合时改正姿态差异,可以显著地削弱甚至消除地影期AC间卫星姿态模型差异导致的钟差不一致。
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