BDS-3钟差改正数实时预报方法_刘笃学.pdf

测绘通报年第期引 文 格 式：刘 笃 学，贺 凯 飞，杨 金 权，等-钟 差 改 正 数 实 时 预 报 方 法 测 绘 通 报，（）：-：-钟差改正数实时预报方法刘 笃 学，贺 凯 飞，杨 金 权，徐向，李 家 兴（中 国 石 油 大 学（华 东）海 洋 与 空 间 信 息 学 院，山 东 青 岛；自 然 资 源 部 海 上 丝 路 海 洋资 源 环 境 组 网 观 测 技 术 创 新 中 心，山 东 青 岛）摘 要：在 远 海 精 密 动 态 定 位 研 究 中，-卫 星 钟 差 改 正 信 息 的 质 量 对 定 位 结 果 具 有 直 接 影 响。在 传 输 实 时 改 正 信 息 时，为 了 同时 兼 顾 效 率 及 成 本，岸 基 用 户 端 通 常 会 将 实 时 信 息 压 缩 后 传 输 至 远 海 用 户 端。针 对 数 据 压 缩 问 题，本 文 提 出 了 利 用 钟 差 改 正 数 预报 模 型 进 行 数 据 压 缩，同 时 分 析 钟 差 改 正 数 的 结 构 特 征，并 将 其 分 解 为 总 体 趋 势 序 列 与 随 机 波 动 序 列，分 别 构 建 预 报 模 型。结 果表 明，模 型 在 的 预 报 区 间 内 较模 型 提 升 了，较模 型 提 升 了。关 键 词：-改 正 信 息；质 量 评 估；数 据 结 构 特 征；钟 差 改 正 数 预 报；数 据 压 缩中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：文 章 编 号：-（）-，（，（），；，）：，-，-，：-；北 斗 三 号 卫 星 导 航 系 统（-，-）为 远 海 精 密 定 位 研 究 提 供了 稳 定 的 数 据 源，其 播 发 的-信 号 可 为 用 户提 供 实 时 改 正 信 息-。但 由 于 该 服 务 尚 处 于 测 试阶 段，目 前 存 在 以 下 缺 陷：该 服 务 在 中 国 周 边 地区 的 可 用 性 较 低；基 于 该 服 务 的 实 时 轨 道 与 钟差 的 精 度 低 于 法 国 空 间 研 究 中 心 的 实 时 产 品；基于 该 服 务 的与-实 时 钟 差 均 存 在 不 可 忽 略的 卫 星 恒 定 特 定 偏 差。因 此，在 进 一 步 改 善 缺 陷 之前，远 海 用 户 可 利 用 北 斗 短 报 文 通 信（，-）传 输-实时 改 正 信 息。受 发 送 频 率 与 通 信 带 宽 的 限 制，用 户 需要 利 用 多 台 设 备 传 输 经 过 压 缩 的 改 正 信 息，其 通 信成 本 虽 低 于 专 业 卫 星 通 信，但 依 旧 高 昂。针 对 上 述 问 题，本 文 将 实 时 数 据 流 恢 复 为 实 时轨 道 与 钟 差，评 估-改 正 信 息 质 量；为 提 高 数据 压 缩 效 率，提 出 利 用 钟 差 改 正 数 预 报 模 型 进 行 数据 压 缩，降 低 数 据 传 输 量；根 据 数 据 结 构 特 征，将 数据 分 解 为 总 体 趋 势 序 列 与 随 机 波 动 序 列，分 别 构 建预 报 模 型，并 对 预 报 精 度 进 行 分 析。-改 正 信 息 质 量 评 估实 时 轨 道 与 钟 差 的 恢 复 是 根 据 广 播 星 历 计 算出 卫 星 轨 道 与 钟 差 数 据，再 利 用 改 正 信 息 中 的 差 值加 以 改 正 后 获 取。接 收数 据 流，从稳 定 性 与 精 度 两 方 面 对-改 正 信 息 进 行 分 析。收 稿 日 期：-基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）；山 东 省 自 然 科 学 基 金（）作 者 简 介：刘 笃 学（），男，硕 士 生，主 要 研 究 方 向 为远 海 精 密 定 位。-：通 信 作 者：贺 凯 飞。-：年第期 刘 笃 学，等：-钟 差 改 正 数 实 时 预 报 方 法.稳定性评估选 取年月日 至月日（）的 实 时 改 正 信 息，接 收 率的 统 计 方 法 为 （）式 中，表 示 接 收 的 轨 道（钟 差）改 正 数 据 数 目；表 示 状 态 健 康 的 卫 星 数 目；表 示 历 元 数 目。-实 时 轨 道 与 钟 差 产 品 接 收 率 统 计 结 果 如 图所 示。图-实 时 改 正 信 息 接 收 率 统 计 由 图可 知，-实 时 改 正 信 息 的 接 收 率 约保 持 在。数 据 源 本 身 与 通 信 条 件 是 影 响其 完 整 性 的 主 要 因 素 为：数 据 流 中 断 导 致 所 有 卫星 改 正 数 据 缺 失；部 分 卫 星 在 某 一 时 间 段 数 据 缺失。表统 计 了-改 正 信 息 的 不 同 中 断 区间 数 目 占 所 有 中 断 区 间 数 目 的 比 例。表-改 正 信 息 的 中 断 区 间 分 布 统 计（）类 型区 间 范 围（，（，（，（，（，）轨 道 改 正.钟 差 改 正.由 表可 知，数 据 缺 失 集 中 于 内。而 在传 输 过 程 中 存 在 两 个 问 题：信 息 传 输 存 在 数 据 中断 现 象；通 信 延 迟 导 致 观 测 数 据 与 改 正 数 据 的 历元 不 一 致。由 于 轨 道 相 对 平 稳，因 此 可 利 用 已 获 取的 实 时 轨 道 信 息 修 补；而 钟 差 较 为 复 杂，需 构 建 预报 模 型。受 数 据 龄 期（，）的 影 响，变 化 将 导 致 改 正 信 息 的 跳 变，因 此 轨 道 与 钟 差改 正 数 的 预 报 通 常 限 定 在 相 同 的内。.精度评估精 度 评 估 的 标 准 为精 密 轨 道 与 钟 差 产 品。为 避 免 数 据 插 值 导 致 的 误 差，仅 对 相 同 时 间 的 轨 道与 钟 差 数 据 进 行 对 比 分 析。统 计 径 向、切 向 与 法向个 方 向 上 的 平 均 精 度，实 时 精 密 轨 道 与拨发 的 事 后 精 密 轨 道 之 间 的 差 值 公 式 为 （）式 中，为 轨 道 差 值；表 示 轨 道 差 值；表 示历 元 数 目。图统 计 了-实 时 轨 道 的 平 均 精 度。由 图可 知，-实 时 轨 道 精 度 依 次 为：径向法 向切 向。其 中，径 向 精 度 优 于，法 向 精度 约 保 持 在，切 向 误 差 大 于。根 据 轨 道类 型，实 时 轨 道 平 均 精 度 见 表。表-实 时 轨 道 平 均 精 度类 型径 向切 向法 向平 均-.测绘通报年第期图-实 时 轨 道 平 均 精 度 统 计 由 表可 知，-的 平 均 精 度 保 持 在 厘 米 级，的 切 向 与 法 向 平 均 精 度 优 于。实 时 钟 差 精 度 评 估 采 用 二 次 差 法-，选 择 相同 的 卫 星 作 为 参 考，其 他 卫 星 与 参 考 卫 星 的 钟 差一 次 差 分，并 对 其 结 果 进 行 二 次 差 分。该 方 法 可 消除 被 模 糊 度 参 数 吸 收 的 系 统 误 差-，其 差 值 公式 为 ()（）式 中，为-卫 星 钟 差 之 间 的 差 值；表 示 第个 历 元 的 二 次 差 分 值；表 示 二 次 差 分 值的 平 均 值；表 示 参 与 计 算 的 历 元 数 目。图统 计了-实 时 钟 差 的 平 均 精 度。图-实 时 钟 差 平 均 精 度 统 计 图的 统 计 结 果 以实 时 钟 差 为 参 考 标 准，-实 时 钟 差 精 度 约 保 持 在.。根 据 原 子 钟类 型，实 时 钟 差 平 均 精 度 见 表。表-实 时 钟 差 平 均 精 度类 型铷 钟氢 钟.平 均.由 表可 知，-氢 钟 的 平 均 精 度 优 于 铷 钟，原 子 钟 的 更 新 对 实 时 钟 差 精 度 的 提 升 有 直 接 影 响。因 此，-改 正 信 息 对 定 位 精 度 的 影 响 可 达 厘 米级 至 分 米 级。-钟 差 改 正 数 实 时 预 报 方 法在融 合 定 位 中，受 发 送 频 率 与 通 信带 宽 的 限 制，用 户 需 要 频 繁 更 换 北 斗 卡，且 采 用 多年第期 刘 笃 学，等：-钟 差 改 正 数 实 时 预 报 方 法台-设 备，通 信 成 本 可 达 数 万 元。若 利 用 钟差 改 正 数 预 报 模 型 进 行 数 据 压 缩，在 建 立 预 报 模 型后，用 户 仅 需 传 输 模 型 参 数 即 可，数 据 量 可 显 著降 低。.数据结构分析受 原 子 钟 时 频 特 性 及 空 间 环 境 的 影 响，钟 差 预报 始 终 存 在 误 差。原 子 钟 的 频 率 总 波 动 序 列 可视 为 多 种 不 同 随 机 噪 声 序 列 的 线 性 叠 加，难 以 建 立统 一 的 原 子 钟 运 动 模 型。文 献 对 钟 差 数 据的 结 构 特 征 进 行 分 析，基 于 趋 势 性、周 期 性 与 随 机性 分 别 建 立 预 报 模 型。借 鉴 该 预 报 模 型，从 钟 差 改正 数 的 数 据 结 构 特 征 进 行 分 析。为 消 除 总 体 趋 势 的 影 响，仿 照 构 建 二 次 线 性 回 归趋 势 序 列 对 钟 差 改 正 数 原 始 序 列 进 行 拟 合，公 式 为 （）式 中，、根 据 实 际 情 况 确 定。图为中，剔 除 异 常 值 的-钟 差 改 正 数 原 始序 列 及 总 体 趋 势 序 列。图-钟 差 改 正 数 原 始 序 列 与 总 体趋 势 序 列图中 的 总 体 趋 势 线（灰 色 弧 线）准 确 地 表 现了 钟 差 改 正 数 原 始 序 列 的 总 体 变 化 趋 势 特 征。消除 总 体 趋 势 的-钟 差 改 正 数 原 始 序 列 如 图所 示。图中，消 除 总 体 趋 势 序 列 后，钟 差 改 正 数 原 始序 列 的 波 动 范 围 大 大 降 低，且 变 化 平 稳，可 视 为 随机 波 动 序 列。图消 除 总 体 趋 势 序 列 的-钟 差 改 正 数原 始 序 列.预报模型构建基 于 数 据 结 构 特 征（，）的 钟 差 改 正 数 预 报 可 分 为 总 体 趋 势 序 列 与 随机 波 动 序 列 的 预 报。其 中，总 体 趋 势 序 列 的 预 报 可构 建 二 次 多 项 式 模 型；而 随 机 波 动 序 列 的 预 报 需 根据 预 报 区 间 加 以 分 析，如 下。（）当 预 报 区 间 较 短（）时，随 机 波 动序 列 的 变 化 对 整 体 预 报 造 成 的 影 响 较 小，可 构 建一 次 多 项 式 模 型 为 （）（）（）当 预 报 区 间 较 长（）时，随 机 波 动 序列 呈 现 不 规 则 的 变 化 规 律，大 致 围 绕上 下 波 动，可构 建 时 间 序 列 预 报（）模 型 为（，）（）式 中，表 示 自 回 归 项 数；表 示 滑 动 平 均 项 数。参数与可 以 根 据 自 相 关 函 数 与 偏 自 相 关 函 数 确定-。综 上，模 型 可 表 示 为 （）（）（）（）（）（，）（）.试验对比分析选 取 相 同内 的-钟 差 改 正 数为 训 练 样 本，预 报 接 下 来、的 钟 差 改正 数。以 钟 差 改 正 数 真 值 为 标 准，钟 差 改 正 数 的 差值 公 式 为 ()（）式 中，为 钟 差 改 正 数 的 差 值；表 示 预 报 的 历元 数 目；与分 别 表 示 钟 差 改 正 数 预 报 值 与 真 值；表 示 统 计 历 元。将模 型 与 基 于 一 次 差 分 序 列的 一 次 多 项 式（，）模型、指 数 平 滑 预 报（，）模 型 对 比，结 果 如 图 图所 示。由 图可 知，在 的 预 报 区 间 内，类 模 型的 预 报 精