关于多模GNSS融合精密定轨理论及其应用的研究

薛鹏飞

摘 要：多卫星导航系统（简称：多模GNSS）的共存、兼容与互操作，已成为卫星导航领域研究的热点问题。随着多模连续运行跟踪站数量与观测数据质量的不断提升，多模融合精密定轨技术已成为精密定轨技术发展的重要方向，本文针对多模GNSS融合精密定轨理论及其应用相关内容进行分析，以供参考。

关键词：多模GNSS；融合；精密定轨；关键技术；应用

多模GNSS数据融合涉及多频多模观测信号，而且不同导航系统在接收终端将产生信号延迟。导航卫星精密轨道确定是卫星导航系统正常运行的核心技术。所以，加强对多模精密定轨技术方面的研究，对提高我国卫星导航定位整体水平具有十分重要的研究意义。

一、导航卫星精密定轨理论基础

（一）时空系统转换

导航卫星运动方程及其观测方程需要在相应的参考系统中进行描述，由于精确表征卫星运动状态的各种信息对应的物理表达不尽一致，因此，准确描述各时间系统和坐标系统间相互转化关系是卫星精密定轨的重要组成部分。1、时间系统转换：导航卫星精密定轨常用的时间系统有格林尼治真恒星时、世界时、原子时、协调世界时、地球动力学时、质心动力学时、导航卫星系统时等。常见的转换有TT与TDB间相互转换、UTI与GAST间相互转换、UTI与TAJ间相互转换。2、坐标系统转换：导航卫星精密定轨主要涉及到与卫星运动方程相关的惯性坐标系，导航系统框架所依据的有地固坐标系、卫星载荷相关的星固坐标系、卫星轨道坐标系、地面跟踪站相关的站心坐标系等。通常用到的转换包含地固系与J2000惯性系的转换、站心坐标系与地固系转换、星固系与J2000惯性系的转换、卫星轨道坐标系与J2000惯性系的转换。

（二）卫星运动方程与数值积分

1、运动方程：卫星运动的基本理论为二体问题，但卫星在轨真实运动中还会受到各种摄动力影响，这些摄动力可以分为两大类保守力和非保守力。保守力只与卫星的在轨位置有关；非保守力不仅与卫星的位置有关，还与卫星的速度和几何形状、表面特性密切相关。由于卫星表面材料的老化、太阳能量随太阳活动的变化以及卫星姿态控制误差等因素，使得太阳光压摄动成为导航卫星定轨中最难精确模拟的摄动力。因此在高精度导航卫星轨道确定时，一般采用光压摄动经验模型附加参数估计的方法描述太阳光压摄动。2、变分方程：对变分方程进行数值积分，即可获得任意时刻卫星位置、速度，以及偏导数信息，在卫星精密定轨中该类信息一般存储于临时文件。3、数值积分：高性能的积分方法是导航卫星精密定轨数据处理的一个重要环节。解析法能给出形式解，对研究卫星运动规律十分重要，但其精度不高，无法满足精密定轨的需求。计算机技术的发展使数值法可以比较完善地估计卫星受到的各种摄动力，而且公式简便、精度高。常微分方程的数值解法包括两类基本方法，一类是单步法，每一步积分仅与上一步结果相关，但需要计算对应于不同价数的若干右函数值；另一类是多步法，虽然仅需要计算一次右函数值。在实际精密定轨中，首先用方法提供足够的起步点后，再采用多步法，以达到快速精确积分的目的。

二、多模融合精密定轨关键技术

（一）多模数据质量控制

GNSS數据质量控制主要包括参数估计之前的数据预处理、参数估计后的观测值残差数据的再编辑。由于不同导航系统数据质量差异的存在，多模GNSS数据质量控制对多模GNSS数据融合处理尤为重要。完备的数据质量控制是获得高精度定位结果和保证设备稳定性和可靠性的关键。事后处理模式的GNSS数据预处理一般涉及到两方面的质量控制：与观测值质量相关的观测数据周跳探测和粗差剔除、与导航卫星观测时段相关的连续观测弧长分析。

（二）系统时间偏差解算

不同导航系统间由于信号调制方式以及频率的差别，在接收终端会引起时间延迟。卫星的IFB延迟是多模接收机接收到的卫星不同频率信号间的时间偏差，与接收机和该卫星频率相关，IFB在连续观测时间内具有很好的稳定性，该延迟组成无电离层组合后将被非差模糊度参数吸收，这也是多模数据处理时，频分多址卫星信号双差模糊度难以固定的主要因素之一。ISB延迟与接收机硬件明显相关，且长时间具有较好的稳定性，多模接收机ISB延迟可利用多项式模型模拟其变化。

三、多模融合精密单点定位应用效果分析

效果分析采用多模GNSS融合精密定轨算法可获取高精度的GLONASS卫星轨道和卫星钟差。借助多模GNSS融合处理功能，可进一步反演震中、发震时刻、地震波传播速度等地震信息；融合处理可清晰反映各基准站形变量，地震传播的方向和到达各基准站的时刻，GLONASS数据的加入对动态定位各方向精度均有一定幅度的提高，并能部分消除与测站环境相关等未模型化的误差，避免因卫星失锁或遮挡造成的重新初始化。

四、结语

多模GNSS融合精密定轨技术是实现多模GNSS兼容、互操作、融合应用的基础前提，也是目前卫星导航领域研究的热点和难点问题，具有重要的科学研究和实际应用意义。通过加强对多模GNSS融合精密定轨理论的研究，研制相应的数据处理软件，有助于推动导航卫星精密定轨理论和算法的革新与发展。

参考文献：

[1]李星星.GNSS精密单点定位及非差模糊度快速确定方法研究[D].武汉大学，2013.

[2]任锴.导航卫星精密定轨理论与方法研究[D].解放军信息工程大学，2015.endprint