關于多模GNSS融合精密定軌理論及其應用的研究

薛鵬飛

摘 要：多衛星導航系統（簡稱：多模GNSS）的共存、兼容與互操作，已成為衛星導航領域研究的熱點問題。隨著多模連續運行跟蹤站數量與觀測數據質量的不斷提升，多模融合精密定軌技術已成為精密定軌技術發展的重要方向，本文針對多模GNSS融合精密定軌理論及其應用相關內容進行分析，以供參考。

關鍵詞：多模GNSS；融合；精密定軌；關鍵技術；應用

多模GNSS數據融合涉及多頻多模觀測信號，而且不同導航系統在接收終端將產生信號延遲。導航衛星精密軌道確定是衛星導航系統正常運行的核心技術。所以，加強對多模精密定軌技術方面的研究，對提高我國衛星導航定位整體水平具有十分重要的研究意義。

一、導航衛星精密定軌理論基礎

（一）時空系統轉換

導航衛星運動方程及其觀測方程需要在相應的參考系統中進行描述，由于精確表征衛星運動狀態的各種信息對應的物理表達不盡一致，因此，準確描述各時間系統和坐標系統間相互轉化關系是衛星精密定軌的重要組成部分。1、時間系統轉換：導航衛星精密定軌常用的時間系統有格林尼治真恒星時、世界時、原子時、協調世界時、地球動力學時、質心動力學時、導航衛星系統時等。常見的轉換有TT與TDB間相互轉換、UTI與GAST間相互轉換、UTI與TAJ間相互轉換。2、坐標系統轉換：導航衛星精密定軌主要涉及到與衛星運動方程相關的慣性坐標系，導航系統框架所依據的有地固坐標系、衛星載荷相關的星固坐標系、衛星軌道坐標系、地面跟蹤站相關的站心坐標系等。通常用到的轉換包含地固系與J2000慣性系的轉換、站心坐標系與地固系轉換、星固系與J2000慣性系的轉換、衛星軌道坐標系與J2000慣性系的轉換。

（二）衛星運動方程與數值積分

1、運動方程：衛星運動的基本理論為二體問題，但衛星在軌真實運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。保守力只與衛星的在軌位置有關；非保守力不僅與衛星的位置有關，還與衛星的速度和幾何形狀、表面特性密切相關。由于衛星表面材料的老化、太陽能量隨太陽活動的變化以及衛星姿態控制誤差等因素，使得太陽光壓攝動成為導航衛星定軌中最難精確模擬的攝動力。因此在高精度導航衛星軌道確定時，一般采用光壓攝動經驗模型附加參數估計的方法描述太陽光壓攝動。2、變分方程：對變分方程進行數值積分，即可獲得任意時刻衛星位置、速度，以及偏導數信息，在衛星精密定軌中該類信息一般存儲于臨時文件。3、數值積分：高性能的積分方法是導航衛星精密定軌數據處理的一個重要環節。解析法能給出形式解，對研究衛星運動規律十分重要，但其精度不高，無法滿足精密定軌的需求。計算機技術的發展使數值法可以比較完善地估計衛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果相關，但需要計算對應于不同價數的若干右函數值；另一類是多步法，雖然僅需要計算一次右函數值。在實際精密定軌中，首先用方法提供足夠的起步點后，再采用多步法，以達到快速精確積分的目的。

二、多模融合精密定軌關鍵技術

（一）多模數據質量控制

GNSS數據質量控制主要包括參數估計之前的數據預處理、參數估計后的觀測值殘差數據的再編輯。由于不同導航系統數據質量差異的存在，多模GNSS數據質量控制對多模GNSS數據融合處理尤為重要。完備的數據質量控制是獲得高精度定位結果和保證設備穩定性和可靠性的關鍵。事后處理模式的GNSS數據預處理一般涉及到兩方面的質量控制：與觀測值質量相關的觀測數據周跳探測和粗差剔除、與導航衛星觀測時段相關的連續觀測弧長分析。

（二）系統時間偏差解算

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

三、多模融合精密單點定位應用效果分析

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衛星軌道和衛星鐘差。借助多模GNSS融合處理功能，可進一步反演震中、發震時刻、地震波傳播速度等地震信息；融合處理可清晰反映各基準站形變量，地震傳播的方向和到達各基準站的時刻，GLONASS數據的加入對動態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境相關等未模型化的誤差，避免因衛星失鎖或遮擋造成的重新初始化。

四、結語

多模GNSS融合精密定軌技術是實現多模GNSS兼容、互操作、融合應用的基礎前提，也是目前衛星導航領域研究的熱點和難點問題，具有重要的科學研究和實際應用意義。通過加強對多模GNSS融合精密定軌理論的研究，研制相應的數據處理軟件，有助于推動導航衛星精密定軌理論和算法的革新與發展。

參考文獻：

[1]李星星.GNSS精密單點定位及非差模糊度快速確定方法研究[D].武漢大學，2013.

[2]任鍇.導航衛星精密定軌理論與方法研究[D].解放軍信息工程大學，2015.endprint