多频多GNSS大网发展与解算探讨_李林阳.pdf

第 11 卷 第 2 期 导航定位学报 Vol.11，No.2 2023 年 4 月 Journal of Navigation and Positioning Apr.，2023 引文格式：李林阳,赖路广,沈洋,等.多频多 GNSS大网发展与解算探讨J.导航定位学报,2023,11(2):28-35.（LI Linyang,LAI Luguang,SHEN Yang,et al.Discussion on development and solution of multi-frequency and multi-GNSS huge networksJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(2):28-35.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230204.多频多 GNSS 大网发展与解算探讨 李林阳1,2，赖路广2，沈 洋2，董 行3，林家乐4（1.武汉大学 测绘学院，武汉 430072；2.信息工程大学 地理空间信息学院，郑州 450001；3.61206 部队，北京 100041；4.61081 部队，北京 100089）摘要：为了进一步增强全球卫星导航系统（GNSS）服务的精度、完好性、连续性和可用性，对多频多 GNSS 大网的解算特点、难点和解算方法进行分析和探讨：归纳多频多全球卫星导航系统（GNSS）大网空间段和地面段的最新进展；然后分析解算的特点与难点，迫切需要统一的解算模型和与之对应的高精度、高效率和智能解算算法；最后从非差模型、并行解算和智能解算 3 个方面总结解算方法。关键词：全球卫星导航系统（GNSS）；多频多系统；大网解算 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)02-0028-08 Discussion on development and solution of multi-frequency and multi-GNSS huge networks LI Linyang1,2,LAI Luguang2,SHEN Yang2,DONG Hang3,LIN Jiale4（1.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.School of Surveying and Mapping,Information Engineering University,Zhengzhou 450001,China;3.Troops 61206,Beijing 100041,China;4.Troops 61081,Beijing 100089,China）Abstract：In order to further enhance the accuracy,integrity,continuity and availability of global navigation satellite system(GNSS)services,the paper analyzed and discussed the characteristics,difficulties and methods of solving multi-frequency and multi-GNSS huge networks:the latest development of multi-frequency and multi-GNSS huge networks was concluded from the aspects of space segment and ground segment;then the characteristic and difficulties of the solution were analyzed,and a unified processing model and corresponding high precision,high efficiency and intelligent solution algorithm were urgently needed;finally,the solution methods were summarized from the aspects of undifferenced model,parallel processing and intelligent resolution.Keywords：global navigation satellite system(GNSS);multi-frequency and multi-system;huge network solution 0 引言 作为国民经济建设和国防现代化的关键基础设施和宝贵战略资源，全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）大网可以提供高精度时空基准，尤其是 2020 年 7 月 31 日，北斗三号全球卫星导航系统即北斗三号（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）正式开通以来，为全球用户提供了优质的综合定位、导航及授时（positioning，navigation and timing，PNT）服务。如图 1 所示，当前多频多 GNSS 大网主要由地面大型 GNSS 基准站网、中高轨 GNSS 卫星和低轨卫星组成，是我国正在建设的更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合 PNT 体系1的核心组成部分，可以建立与维持天地一体的高精度时空基准，满足军用和民用对精准时空基准的需求，应用 收稿日期：2022-05-30 基金项目：国家自然科学基金项目（42104033）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（212102310428）。第一作者简介：李林阳（1991），男，河南确山人，博士，副教授，研究方向为时空基准精化与维持。通信作者简介：林家乐（1995），男，辽宁丹东人，硕士，工程师，研究方向为时空基准精化与维持。第 2 期 李林阳，等.多频多 GNSS 大网发展与解算探讨 29 于地球参考框架建立与维持、气象学研究、地球动力学研究等领域，服务于我国“一带一路”倡议陆海通道时空基准维持与精化。图 1 多频多 GNSS 大网组成 在地面段，通过公开渠道可从互联网获取全球范围内的 GNSS 基准站的观测数据，基准站的数量超过了 5 000 个。据统计，美国内华达州大地测量实验室日常处理的超过 17 000 个地面基准站2，若加上尚未公开的国家级、省市级和行业级等基准站，如千寻建成的 2 400 多个基准站，中国移动建成的 4 400 个基准站，全球分布的 GNSS 基准站数量不少于 2 万个，甚至可能超过 4 万个。图 2 进一步给出了各个国家和地区拥有的国家级地面基准站的数量。可以看出，中国、美国和日本境内都建成了上千个 GNSS 基准站。图 2 全球范围内主要的 GNSS 基准站网分布及 其规模 在空间段，GNSS 卫星包括全球定位系统（global positioning system，GPS）、格洛纳斯导航 卫 星 系 统（global navigation satellite system，GLONASS）、北斗卫星导航系统（BeiDou navigation satellite system,BDS）、伽 利 略 卫 星 导 航 系 统（Galileo navigation satellite system，Galileo）4 个全球系统和其他区域系统，截至 2022 年 3 月 17 日，在轨运行的可用 GNSS 卫星数量已达 132 颗，另有 13 颗处于在轨维护状态。低轨卫星作为天基监测站，可以增强 GNSS 卫星定轨的精度3，尤其对BDS（海外建站较为困难）具有重要意义4，搭载GNSS 接收机的低轨卫星数量已近百颗。当前，数以百计甚至千计的低轨导航增强卫星群正在加紧部署，如国内鸿雁、虹云和微厘空间等低轨导航增强星座，这些星座将是未来的多频多 GNSS 大网的重要组成部分5。1 多频多 GNSS 大网解算特点与难点 1.1 多频多 GNSS 大网解算特点 多频多 GNSS 大网解算具有以下 3 个特点：1）频率多、观测值类型多、待估参数多。如图 3 所示，多频是一个重要特征，GPS 现代化进程中双频卫星由三频卫星取代，提供 L1、L2 和 L5 3 个频点的服务；GLONASS 由频分多址逐步过渡到三频码分多址，包括 G1、G2 和 G3 3 个频率；Galileo 则提供五频服务，包括 E1、E6、E5a、E5b和 E5ab；我国北斗卫星导航（区域）系统即北斗二号（BeiDou navigation satellite（regional）system，BDS-2）提供全星座 B1I、B2b 和 B3I 三频服务，BDS-3 提供 B1C、B1I、B3I、B2b、B2a 和 B2a+b 6 个频点的服务；日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system，QZSS）提供 L1、LEX、L2和 L5 4 个频点的服务；印度区域卫星导航系统（navigation with Indian constellation，NavIC）提供 S 和 L5 2 个频点的服务。图 3 GNSS 多频信号分布 观测值类型不仅包括 GNSS 卫星与 GNSS 接收机之间的伪距、载波相位和多普勒等单向观测值，而且包括 GNSS 卫星之间的星间链路、GNSS卫星与地面锚固站的双向测量等，未来即将包括低轨导航增强卫星之间、低轨导航卫星与中高轨 30 导航定位学报 2023 年 4 月 GNSS 卫星、低轨导航卫星与地面基准站之间的观测值；将文献6提出的计算方法扩展至三频，假设 500 个测站观测到四系统的 100 颗三频卫星，平均每个测站观测到 30 颗卫星，单天所有待估参数的总量为 361 606 个，历元活跃的待估参数数量为 66 106 个。在由卫星轨道和接收机坐标、卫星和接收机钟差、对流层和电离层延迟、模糊度和各类偏差等组成的全网待估参数中，模糊度参数的数量最多，通常是其他参数数量的 34 倍（如表 1所示）。表 1 500 个测站观测到四系统的 100 颗三频卫星对应的待估参数数量 个 参数类型 单历元参数数量 单天参数数量 测站坐标 5003=1 500 5003=1 500 卫星轨道 10015=1 500 10015=1 500 地球自转参数 6 6 接收机钟差 500 500 卫星钟差 100 100 对流层延迟 500 50012=6 000 模糊度 500303=45 000 50010032=300 000 电离层延迟 50030=15 000 500100=50 000 接收机端伪距硬件延迟 500 500 系统间偏差 5003=1 500 5003=1 500 总计 66 106 361 606 2）待估参数状态复杂。地面基准站为静态模式，高、中、低轨卫星的动力学模型复杂，不同分析中心采用的卫星姿态模型往往不同，尤其是在卫星偏航姿态异常期间；伪距和相位硬件偏差的时变性差异不仅存在不同系统之间（如 BDS-2 存在星上多径效应），而且同一系统的不同类型卫星间也存在差异（如 GPS BLOCK-F 卫星存在显著的频间钟偏差（inter-frequency clock bias，IFCB），待估参数的状态模型复杂，给数据处理带来极大的挑战，往往会带来模型和参数不符合、不适用和结果非最优等问题。3）解算过程复杂、耗时长。解算过程涵盖了预处理、轨道积分、观测方程构建与线性化、法方程构建与平差解算、残差编辑、迭代解算、模糊度固定、网平差、精度评价、偏差特性分析等，并且质量控制贯穿于整个数据处理过程。数据处理呈计算密集型和数据密集型特性，随着 GNSS 网规