卫星导航时间同步与精密定轨 刘利,郭睿,周善石 著 专业科技 文轩网

章 绪 论 11 1.1高精度时空基准的重要性 12 1.2卫星导航系统精密定轨与时间同步简介 12 1.3.1GPS系统 13 1.3.2GLONASS系统 14 1.3.3北斗系统 15 1.3.4GALILEO系统 16 1.3本书的主要内容 16 第2章 精密定轨与时间同步理论基础 18 2.1相对论时间比对原理 19 2.1.1爱因斯坦同时性 19 2.1.2时空度规 20 2.1.3原时与坐标时的关系 22 2.1.4无线电时间比对原理 25 2.2时空坐标系统及其变换 28 2.2.1常用时间系统28 2.2.1.1恒星时 28 2.2.1.2太阳时 28 2.2.1.3世界时 29 2.2.1.4国际原子时 30 2.2.1.5协调世界时 31 2.2.1.6力学时 31 2.1.1.7北斗时 34 2.2.1.8GPS时 35 2.2.2时间系统之间的相互转换 35 2.2.2.1 TAI与UTC之间关系 35 2.2.2.2 UTC与UT1转换关系 36 2.2.2.3 TCB与TCG转换关系 37 2.2.2.4 TCB与TDB转换关系 38 2.2.3常用坐标系统 39 2.2.3.1常用坐标系形式及其相互转换39 2.2.1.1地心惯性坐标系（CIS） 44 2.2.1.2协议地心坐标系（CTS） 44 2.2.1.3IERS地球参考架（ITRF） 45 2.2.1.4CGS2000坐标系 45 2.2.1.5星固坐标系 46 2.2.4坐标系之间的相互变换 47 2.2.4.1惯性系与地固系的坐标转换 47 2.2.4.2惯性系与地固系的速度转换 49 2.2.4.3惯性系到星固系的转换 50 2.3时间频率调整与控制 50 2.3.1地面钟的调整 51 2.3.2卫星钟的调整 51 2.3.3频率与相位控制53 2.4远程时间比对方法 53 2.4.1搬运钟法 53 2.4.2单向时间比对 55 2.4.3双向时间比对 59 2.4.4光纤时间比对 59 2.5卫星精密定轨基本理论 59 2.5.1卫星受摄运动 59 2.5.2卫星精密轨道确定 59 2.5.3卫星轨道精确预报 59 2.5.4卫星星历参数拟合 59 2.5.5卫星轨道服务产品发播 60 第3章 基本观测量及其误差修正 61 3.1伪距和载波相位测量的基本概念与定义 61 3.1.1钟差与时间的空间参考点 61 3.1.2信号空间传播时延（真距）62 3.1.3设备发射时延 62 3.1.4设备接收时延 63 3.1.5伪距 63 3.1.6载波相位 64 3.2伪距、载波相位、钟差、设备时延的关系 64 3.2.1伪距与相位观测方程 64 3.2.2几者之间的相互关系 64 3.3设备时延测定与伪距载波相位精度评估 65 3.3.1钟差法组合时延测定 65 3.3.2伪距测量精度评估 67 3.3.2载波相位测量精度评估 68 3.4基于伪距和载波相位观测量的钟差计算模型 68 3.4.1地心非旋转坐标系计算模型 68 3.4.2地固系计算模型69 3.5时标偏差对观测量影响 71 3.5.1时标偏差定义 71 3.5.2时标偏差影响分析 71 3.5.3时标偏差计算模型 74 3.5.4实测数据分析 75 3.6对流层延迟修正 76 3.6.1对流层延迟的一般表达式 76 3.6.2对流层延迟模型 78 3.6.2.1 Hopfield模型 78 3.6.2.2改进的Hopfield模型 79 3.6.2.3Saastamoinen模型 80 3.6.2.4投影函数 81 3.6.3对流层延迟对时间比对的影响 82 3.6.3.1气象参数引起的误差系数82 3.6.3.2单向时间比对 83 3.6.3.3 LASSO 84 3.6.3.4伪码与激光测距技术 84 3.7电离层延迟修正 85 3.7.1电离层延迟的一般表达式 85 3.7.2电离层延迟模型 86 3.7.2.1 Klobuchar模型 86 3.7.2.2双频改正模型 87 3.7.2.3格网电离层延迟模型 87 3.7.2.4全球电离层电子含量图 88 3.7.3电离层延迟对时间比对的影响 89 3.7.3.1单向时间比对 89 3.7.3.2 LASSO 89 3.7.3.3伪码与激光测距技术90 3.8卫星有关修正 90 3.8.1卫星天线相位中心修正 90 3.8.2卫星天线相位缠绕修正(windup) 91 3.9测站有关修正 91 3.9.1接收机相位中心修正 91 3.9.2潮汐修正 92 3.9.3多路径效应改正 93 第4章 星地时间比对方法与误差分析 97 4.1星地无线电双向法 97 4.1.1基本原理 97 4.1.2计算模型 98 4.1.2.1下行伪距归算模型 98 4.1.2.2上行伪距归算模型 99 4.1.2.3钟差计算模型 100 4.1.3精度分析 102 4.1.4试验分析102 4.1.4.1北京站试验结果 102 4.2多星轨道钟差联合解算法 104 4.2.1基本原理 104 4.2.2计算模型 104 4.2.3精度分析 105 4.2.4试验分析 105 4.3激光与伪码测距法 106 4.3.1基本原理 106 4.3.2计算模型 107 4.3.3精度分析 108 4.3.4试验分析 108 4.4激光双向法 110 4.4.1基本原理 110 4.4.2计算模型 110 4.4.3精度分析 111 4.4.4试验分析 112 第5章 站间时间比对方法与误差分析115 5.1 卫星双向时间频率传递（TWSTFT） 115 5.1.1基本原理 115 5.1.2两站配对计算模型 117 5.1.2.1地心非旋转坐标系计算模型 117 5.1.2.2 ITU-R计算模型 122 5.1.2.3 Klioner计算模型 123 5.1.2.3 Petit计算模型 124 5.1.3几种计算模型的比较 125 5.1.3.1与ITU-R模型的比较 125 5.1.3.2与Klioner模型的比较 127 5.1.3.3与Petit模型的比较 129 5.1.4多站平差计算模型130 5.1.5精度分析 133 5.1.4.1设备时延误差 134 5.1.4.2计数器测量误差 134 5.1.4.3卫星转发器时延误差 134 5.1.4.4地面站发射和接收设备时延误差 134 5.1.4.5传播路径时延误差 135 5.1.4.6卫星和地面站运动引起的误差 137 5.1.4.7理论精度分析 141 5.1.6试验分析 142 5.1.6.1 PTB、NIST和NPL之间的比对 142 5.1.6.2 PTB、NIST和VSL之间的比对 144 5.1.6.3基于北斗卫星的C波段TWSTFT试验分析146 5.2卫星共视全视法 149 5.2.1GNSS卫星共视法 150 5.2.1.1基本原理 150 5.2.1.2计算模型 151 5.2.1.3精度分析 152 5.2.1.3试验分析 152 5.2.2北斗RDSS单向共视法 153 5.2.2.1基本原理 153 5.2.2.2计算模型 155 5.2.2.3精度分析 158 5.2.2.4试验分析 158 5.2.3北斗RDSS双向共视法 159 5.2.3.1基本原理 159 5.2.3.2北斗RDSS双向定时计算模型 160 5.2.3.3北斗RDSS双向共视计算模型162 5.2.3.4精度分析 163 5.2.3.5试验分析 163 5.3GNSS卫星全视法 165 5.3.1基于伪距数据的GNSS全视法 165 5.3.2基于载波相位的GNSS全视法 165 5.4卫星双向共视法 166 5.4.1基本原理 166 5.4.2计算模型 166 5.4.3精度分析 168 5.4.4试验分析 168 第6章 区域观测的混合星座精密定轨方法 170 6.1引言 170 6.2区域观测数据特点 170 6.3混合星座多星联合精密定轨方法 170 6.4GEO单星精密定轨方法170 6.4.1 基于CC自发自收数据的定轨方法 170 6.4.2 基于CC自发自收和伪距数据的联合定轨方法 170 6.4.3基于CC自发自收和SLR数据的联合定轨方法 170 6.4.4基于伪距和载波相位数据的单星定轨方法 170 6.5短弧快速定轨方法 171 6.5.1基于多项式拟合的短弧运动学定轨 171 6.5.2基于星历拟合的短弧运动学定轨 171 6.5.3多站多星快速动力学定轨 171 6.6卫星偏航姿态变化前后的精密定轨方法 171 6.6.1卫星偏航姿态变化特点 171 6.6.2基于URE约束的单星精密定轨方法171 6.6.3基于多星多站约束的联合定轨方法 171 第7章 卫星导航数据系统差综合解算方法 173 7.1观测数据系统差来源 173 7.2观测数据系统差特性与影响分析 173 7.2.1时延温度变化特性分析 173 7.2.2时延长期稳定性分析 176 7.2.3同频通道一致性分析 178 7.2.4异频通道时延稳定性分析 180 7.3常用的系统差标定方法 181 7.4软件综合解算思路及基准准则 181 7.4.1软件综合解算思路 181 7.4.2参考基准与解算准则 181 7.5站间卫星双向时间比对数据系统差解算方法182 7.5.1自发自收数据系统差解算方法 182 7.5.1.1激光并置比对法 182 7.5.1.2联合定轨法 184 7.5.2互发互收数据系统差解算方法 186 7.5.3站间时间同步系统差检验方法 189 7.5.3.1单边闭合差方法 189 7.5.3.2两站钟差闭合差方法 191 7.5.3.3三角形闭合差方法 191 7.5.3.4试验分析 192 7.6星地时间同步数据系统差解算方法 198 7.6.1卫星AB通道一致性标定方法 198 7.6.2地面设备系统差解算方法 200 7.6.3卫星发射与接收时延系统差解算方法203 7.6.4精度评估方法 204 7.6.5星地时间同步系统差检验方法 207 7.6.5.1AB通道钟差一致性方法 207 7.6.5.2星地站间一体化三角形闭合差方法 208 7.6.5.3试验分析 209 7.7卫星和接收机频率间偏差综合解算方法 212 7.7.1GPS系统TGD和IFB定义 212 7.7.2北斗系统TGD和IFB定义 212 7.7.3TGD和IFB定位与分离方法 213 7.7.4试验与分析 215 第8章 高精度轨道与钟差预报方法 217 8.1引言 217 8.2原子钟噪声类型及特性分析218 8.3GEOIGSOMEO混合星座特性分析 218 8.4高精度卫星钟差预报方法 218 8.4.1多项式拟合方法 218 8.4.2Kalman滤波方法 220 8.4.3AR模型法 222 8.4.4状态噪声分段自适应补偿滤波方法 224 8.4.5在轨运行铷钟钟差预报试验 230 8.5高精度卫星轨道预报方法 243 第9章 时间同步约束的精密定轨方法 244 9.1引言 244 9.2北斗卫星星座特点及面临挑战 244 9.3独立时间同步钟差与多星定轨解算钟差特性分析 244 9.3.1独立时间同步钟差特性分析244 9.3.2多星定轨解算钟差的残差特性分析 244 9.3.3两种钟差结果的比较分析 244 9.4精密定轨与时间同步综合解算相关性分析 244 9.4.1方差-协方差分析方法 244 9.4.1.1附加参数的自校准能力评定 244 9.4.1.2敏感性分析 245 9.4.1.3病态性分析 245 9.4.1.4数据融合的优化分析 245 9.4.2GEO定轨协方差的简化解析模型 245 9.4.3基于实测数据的算例分析 245 9.5已知钟差支持的GEO卫星单星精密定轨方法 245 9.5.1已知卫星钟差支持的GEO卫星单星定轨方法245 9.5.2已知地面钟差支持的GEO卫星单星定轨方法 245 9.5.3卫星钟差和地面钟差支持的GEO卫星单星定轨方法 245 9.5.4实测数据试验分析 245 9.6已知钟差约束的卫星轨道机动快速恢复方法 246 9.6.1卫星机动期间的几何法定轨 246 9.6.2卫星机动恢复后的短弧动力学定轨 246 9.6.3实测数据试验分析 246 9.7基于钟差约束的多星联合定轨方法 246 9.7.1星地星间联合的多星精密定轨 246 9.7.2精密定轨解算策略 246 9.7.3实测数据试验分析 2460章 基于星间链路的卫星自主精密定轨与时间同步方法 247 10.1引言 247 10.2星间链路观测模式与数据特点 247 10.2.1基于时分体制的星间链路观测模式 247 10.2.2基于连续体制的星间链路观测模式 247 10.3基于星间链路的卫星自主双向时间比对方法 247 10.3.1基本原理 247 10.3.2计算模型 247 10.3.3精度分析 247 10.4基于星间链路的卫星自主精密定轨方法 248 10.4.1基本原理 248 10.4.2计算模型 248 10.4.3精度分析248 10.5非同时观测数据的归算模型及精度分析 248 10.5.1星间距离观测量及预处理 248 10.5.2非同时归算模型 248 10.5.3精度分析 248 10.6卫星自主守时方法 248 10.6.1相对于主钟的钟差计算 248 10.6.2综合原子时计算原理 249 10.6.3速率及权重计算 249 10.6.4取样时间和取样个数 249 10.6.5计算中的迭代过程 249 10.6.6组合钟的精度 249 10.6.7试验分析 249 10.7星地星间联合的精密定轨与时间同步方法 24910.7.1数据预处理 249 10.7.2星间数据系统差解算方法 249 10.7.3星地星间数据联合处理方法 250 10.7.4试验分析 250 1章 结束语 251 致谢 252 参考文献 253