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GNSS时间互操作关键技术研究

广伟  
【摘要】:随着全球卫星导航系统的建设与发展,使用户利用多颗GNSS卫星在定位解算时形成更优化的几何结构,提高定位精度成为可能。与单个卫星导航独立定位相比,多GNSS组合服务具有可提供更高的服务质量的潜力,尤其是在城市峡谷和树叶茂密的森林等具有挑战性的环境中,多GNSS服务将具备极大的优势。为实现多组合服务,提高定位授时服务性能,各GNSS应具有称为兼容与互操作的特征。时间互操作是卫星导航系统之间互操作性的一个重要方面,也是多GNSS融合导航关注的一项主要内容。系统层面实现时间互操作涉及两项关键内容,一是准确监测各导航系统之间的时间偏差并进行预报;二是确定一种参数将系统间的时间偏差预报信息播发给用户,并尽量减轻用户端的负担。论文从系统层面对GNSS时间互操作涉及内容中的关键技术细节及实现方式进行理论分析,并采用实际数据进行试验验证。论文主要分析了当前GNSS系统时间的产生方式,GNSS系统时间偏差监测方法以及时差监测中时延的确定方法进行了剖析,结合原子钟噪声理论对GNSS时差序列的噪声特性进行了分析,给出GNSS时差序列噪声的消减方法,最后对GNSS时间互操作参数播发内容确定方法进行了研究,结合真实数据进行验证,最后从不同的角度对时间互操作参数的播发方法进行了比对。主要研究内容和创新点如下:(1)研究了时间互操作中的GNSS系统时差监测技术,对不同时间偏差监测方法进行了详细分析,并结合实际数据进行比较。准确监测各GNSS系统时间偏差并播发给用户,对于提高多模用户定位性能是很有必要的。论文梳理了目前常用的GNSS时间偏差监测方法,研究了单站时差监测、多站时差监测以及基于时间比对链路的GNSS系统时间偏差监测方法的技术实现细节,对不同时差监测方法的误差来源及修正方法进行了详细分析。使用国家授时中心的链路资源和多模接收机开展了GNSS时差监测试验。(2)提出了基于链路桥接的GNSS时差监测接收机整体时延校准方法。为保证GNSS时差监测的准确性,必须对时差监测设备,或者时间比对链路进行校准。论文提出了基于的链路桥接的GNSS接收机时延校准方法,充分利用了守时实验室的链路资源,结合已校准实验室的有利条件,校准了本地接收机在接收不同导航信号下各系统的整体时延值。试验结果表明,基于该方法校准的不确定度在5ns以内。相对于时差监测设备的绝对校准,该方法简化了校准的过程,降低了绝校准需要昂贵设备以及校准经验的需求,且保证了校准结果的准确。(3)将噪声理论引入到GNSS时间偏差序列的噪声分析中,明确了GNSS时差序列的主导噪声类型。不同的GNSS时间偏差监测方法引入的噪声类型不同,GNSS系统时间偏差的实质是两地原子钟比对的钟差,其包含了原子钟运行的噪声,GNSS系统时间产生过程中驾驭方法引入的噪声,以及GNSS时间偏差监测方法引入的噪声。准确的了解时间偏差序列的噪声类型,选取合适的噪声削弱方法,以提高GNSS时间偏差监测结果的精度。(4)改进了传统的时差序列的噪声消减方法,使用正反向组合的Kalman滤波算法,改善了传统滤波算法的“滞后”和“超前”效应。由于传统的Kalman滤波的基本方程是时域内的递推,其过程就是一个不断“预测-修正”的过程,随着历元的增加,其滤波后的结果会出现一个明显的“滞后”的偏差。针对上述问题改进了传统的Kalman平滑方法,使用正反向组合的Kalman滤波方来消除GNSS系统时间偏差序列的噪声。同时将Vondrak交叉证认法引入到GNSS时差监测序列的噪声消减中,改善噪声对时差监测序列的影响。(5)提出了基于噪声和稳定度取权的GNSS组合时间尺度产生算法。在GNSS时间互操作参数播发方面,考虑到导航电文字节有限的因素,目前ESA提出了多GNSS系统综合纸面时的概念,但具体的实现方式并没有在提案中进行描述。论文基于GNSS时间偏差监测的结果,提出了基于噪声取权的综合尺度算法以及基于稳定度取权的组合时间尺度算法,并使用实测数据进行实际计算,并对上述算法进行了比较。


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