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北斗卫星钟性能分析及精密钟差估计与预报方法研究
摘要
北斗三号(BDS-3)于2020年7月底完成全球组网,标志着北斗卫星导航系统
(BeidouNavigationSatelliteSystem,BDS)进入全球服务的新时代。BDS-3配备的氢
钟和新一代铷钟在性能上优于北斗二号(BDS-2)的铷钟。作为系统测距的星上时间参
考,卫星钟性能直接影响定位、导航与授时精度,因此必须对BDS卫星钟性能进行全
面评估,并建立精准的钟差估计和钟差预报模型。本文从BDS卫星钟性能分析、实时
钟差估计和钟差组合预报模型三个方面进行了研究,论文的主要工作和创新点包括:
(1)针对快速傅里叶变换无法反应卫星钟差在时间维度局部区域特征的问题,利
用连续小波变换对BDS卫星钟差的周期项进行了时频分析。研究结果表明:BDS卫星
钟差周期项具有时变特性,不同分析中心钟差产品周期项随时间的变化存在差异;部
分BDS卫星钟差周期项随太阳高度角变化,太阳高度角越大,周期项越明显。同时,
为全面分析BDS卫星钟性能,基于欧空局2021年全年事后精密钟差数据对BDS卫星
频率准确度、频率漂移率和频率稳定度进行了分析,并与全球定位系统(Global
PositioningSystem,GPS)进行了比较。研究结果表明:BDS-3氢钟的性能优于BDS-3
铷钟,BDS-3卫星钟的性能优于BDS-2卫星钟;GPS卫星钟的性能总体上与BDS-3卫
星钟处于同一水平。
(2)针对实时观测数据流短期中断造成钟差估计精度发散的问题,提出了附加钟
速约束的BDS实时钟差估计模型。该模型从非差估计模型出发,将卫星钟速作为已知
先验约束,采用哈达玛总方差过程噪声估计法给出先验钟速噪声,基于Kalman滤波实
现BDS卫星实时钟差估计。相比于传统非差估计模型,新模型在实时数据流存在中断
时能够有效改善实时钟差估计的精度发散,在短期内能够维持较好的钟差精度和稳定
性,动态精密单点定位实验证明了该模型的有效性。
(3)针对卫星钟具有非线性、非平稳特性导致难以用单一预报模型进行准确预报
的问题,设计了一种基于二次多项式(QuadraticPolynomial,QP)模型和加权一阶局
域多步预测法(Add-weightedOne-rankLocal-regionMulti-stepsMethod,AOLMM)的
组合预报模型。该组合模型利用QP模型对钟差趋势项进行预报,利用AOLMM对QP
模型残差序列进行预报,最后将预报结果相加得到最终预报值。相比于传统QP模型相
比,该组合预报模型在一小时以内的预报精度最少提升15.79%,预报时长越短,精度
提升越明显。
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
关键字:北斗;卫星钟性能分析;实时钟差估计;组合预报模型
北斗卫星钟性能分析及精密钟差估计与预报方法研究
ABSTRACT
ThecompletionoftheglobalnetworkingoftheBeiDouNavigationSatelliteSystem(BDS)
bytheendofJuly2020heraldedaneweraofglobalservicefortheBeiDou-3(BDS-3).
Equippedwithhydrogenclocksandanewgenerationofrubidiumclocks,BDS-3exhibits
superiorperformancecomparedtotherubidiumclocksofBeiDou-2(BDS-2).Giventhat
satelliteclocksserveascrucialreferencesforsystemranging,theirperformancesignificantly
impactspositioning,navi
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