顾及系统误差补偿和异常误差控制的iGMAS分析中心钟差综合算法

1、徐天河徐天河1,21,2 陈康慷陈康慷3 3 杨元喜杨元喜2 2 1 1 山东大学（威海）空间科学研究院山东大学（威海）空间科学研究院2 2 地理信息工程国家重点实验室地理信息工程国家重点实验室3 3 长安大学长安大学顾及系统误差补偿和异常误差控制的顾及系统误差补偿和异常误差控制的iGMAS/IGS分析中心钟差综合算法分析中心钟差综合算法20162016年年9 9月月23-2523-25日日 江苏南京江苏南京2内 容 提 要5、结论与展望、结论与展望4、算例分析算例分析1、研究背景及意义、研究背景及意义2、IGS分析中心钟差产品综合传统算法分析中心钟差产品综合传统算法3、IGS/iGMAS分析

2、中心钟差产品综合新算法分析中心钟差产品综合新算法3 由中国发起建立的由中国发起建立的iGMAS是对是对GNSS运行状况和主要系统性运行状况和主要系统性能指标进行监测和评估能指标进行监测和评估，生成并发布卫星轨道生成并发布卫星轨道、钟差钟差、电、电离层离层等高精度产品的技术平台等高精度产品的技术平台；包括；包括1个监测评估中心个监测评估中心，3个数据中心个数据中心，10+个分析中心个分析中心和和1个产品综合与服务中心个产品综合与服务中心。 IGS成立于成立于1994年年，汇聚了以汇聚了以CODE、JPL、GFZ、MIT、SIO等为等为代表代表的的十多个全球最为著名的卫星导航系统研究机十多个全球最

3、为著名的卫星导航系统研究机构构。IGS利用各家分析利用各家分析中心中心提交的产品提交的产品进行进行综合综合，供，供各类各类用用户使用户使用，为地学研究和社会应用提供支持。，为地学研究和社会应用提供支持。 iGMAS产品综合与服务中心产品综合与服务中心对分析中心提交的各类产品进行对分析中心提交的各类产品进行质量分析质量分析、精度评估精度评估、综合产品综合产品和和产品发布产品发布。产品综合和评产品综合和评估软件估软件的研制任务由的研制任务由武汉大学武汉大学和和西安测绘研究所西安测绘研究所（一期）（一期）/山山东大学东大学（二期）共同承担（二期）共同承担。-北斗重大专项北斗重大专项4 产品综合产品综

4、合的优点的优点：1）能够生成）能够生成一套一套可靠可靠性更好、性更好、精度更高精度更高的综合产品的综合产品；2）维持卫星导航系统维持卫星导航系统高精度高精度的的时空参考框架时空参考框架；3）评估评估分析中心分析中心产品精度产品精度并向其并向其输出有益反馈输出有益反馈信息用于信息用于改改进分析中心产品精度和可靠性进分析中心产品精度和可靠性。 存在的问题：存在的问题：1）IGS虽然提供了虽然提供了GPS、GLONASS综合轨道，综合轨道，但但只提供只提供GPS单系统综合钟差单系统综合钟差；2）IGS产品综合传统算法已产品综合传统算法已沿用近沿用近20年年，难以满足，难以满足GPS、GLONASS、

5、Galileo和和BDS四系统的产品综合。四系统的产品综合。 相比轨道等其他产品，钟差综合的算法更加复杂相比轨道等其他产品，钟差综合的算法更加复杂。精密定轨。精密定轨过程中有动力学信息约束，轨道产品更加光滑；卫星钟差只过程中有动力学信息约束，轨道产品更加光滑；卫星钟差只能在相对意义上确定，且受伪距观测值影响较大，钟差产品能在相对意义上确定，且受伪距观测值影响较大，钟差产品极易出现粗差、系统偏差和极易出现粗差、系统偏差和钟跳钟跳。5IGS钟差综合传统算法钟差综合传统算法：（：（1）首先对分析中心提交的钟差产品分别附首先对分析中心提交的钟差产品分别附加加轨道、测站坐标轨道、测站坐标和地心运动项改正

6、和地心运动项改正，增强产品间的一致性；（，增强产品间的一致性；（2）然后然后采用采用L1范数范数估计估计将参考基准线性校准到系统时，消除参考钟不将参考基准线性校准到系统时，消除参考钟不同引起的同引起的系统差异系统差异；最后迭代；最后迭代加权加权计算计算综合综合钟差。钟差。() /() /satsatACIGSACstastaACIGSACclkXXDYXcclkYYDYYcRRacacacacacclkclkclkoffsetdriftt 20210212nTiiiiicomiiniiiiP clkV PVclkPnPp L1范数估计仅具有稳健范数估计仅具有稳健性而性而不具备方差最小不具备方差

7、最小，适，适合求参数初值；合求参数初值；p 所有卫星所有卫星统一校准统一校准，系，系统误差统误差并没有得到有效消并没有得到有效消除除；p 虽可应用于虽可应用于GPS系统，系统，但但很难推广至多很难推广至多GNSS系系统统的钟差综合。的钟差综合。IGS钟差综合传统算法缺点钟差综合传统算法缺点：6采用采用IGS传统算法统一参考基准，不同分析中心钟差改正值间的差异传统算法统一参考基准，不同分析中心钟差改正值间的差异可以看出，参考基准统一后，不同分析中心的可以看出，参考基准统一后，不同分析中心的钟差改正值之间仍然存在明显钟差改正值之间仍然存在明显的系统偏差（线性）的系统偏差（线性），尤其是，尤其是GL

8、ONASS钟差产品钟差产品。这种。这种残余的系统误差残余的系统误差对对后续的抗差迭代计算综合钟差有后续的抗差迭代计算综合钟差有严重的影响严重的影响，必须予以消除。，必须予以消除。7() /() /satsatACIGSACstastaACIGSACclkXXXcclkYYDYYcRRacacacacacclkclkclkoffsetdriftt 000120011010()=()=0 . 6 7 4 50()0iiiiiiiiiiiiiiiiim e dpvvLm e dLpvcpvcpvkkvkppkvkvkkvksatsatsatsatclkclkoffsetdriftt几点改进：几点改进

9、：p 参考基准统一时，参数估参考基准统一时，参数估计采用计采用抗差最小二乘抗差最小二乘，由由中中位数法位数法计算初值和初始权计算初值和初始权；p 附加系统误差参数附加系统误差参数，以首，以首次钟差均值为参考，对次钟差均值为参考，对每颗每颗卫星和每个测站钟差卫星和每个测站钟差分别消分别消除残余的系统偏差；除残余的系统偏差；p 采用采用双淘汰组合法双淘汰组合法的思想，的思想，利用利用中位数中位数构造具有高崩溃构造具有高崩溃污染率的两步抗差方案。污染率的两步抗差方案。8采用新算法统一参考基准，不同分析中心钟差改正值间的差异采用新算法统一参考基准，不同分析中心钟差改正值间的差异9不同不同 iGMAS分

10、析中心原始钟差产品间的差值分析中心原始钟差产品间的差值iGMAS四系统钟差产品四系统钟差产品受污染严重且存在明显的系统误差（非线性）受污染严重且存在明显的系统误差（非线性），其，其原因不外乎：原因不外乎：（1）不同的测站跟踪网解算；（）不同的测站跟踪网解算；（2）力模型和观测模型的不完）力模型和观测模型的不完善及一些未考虑的偏差改正等影响；（善及一些未考虑的偏差改正等影响；（3）解算策略、参数约束等问题。）解算策略、参数约束等问题。10以上分析可以看出：以上分析可以看出：iGMAS分析中心四系统钟差产品存在明显的分析中心四系统钟差产品存在明显的非线性系统非线性系统误差误差。钟差综合必须顾及这种

11、非线性系统误差的影响，为此我们设计了两种。钟差综合必须顾及这种非线性系统误差的影响，为此我们设计了两种解决方案。解决方案。方案方案1：单历元校准：单历元校准选择选择某一钟差产品质量较好某一钟差产品质量较好的分析中心作为参考，的分析中心作为参考，通过估计通过估计其余分析中心其余分析中心各各历元历元钟差改正值相对于参考解钟差改正值相对于参考解之间的偏差来之间的偏差来消除参考钟不同的影响消除参考钟不同的影响，使基准，使基准统一到该参考分析中心。统一到该参考分析中心。epochepochepochacacacacclkclkclkoffset优点优点：算法简单，可算法简单，可逐历元消除系统误差逐历元消

12、除系统误差影响。影响。缺点缺点：综合产品的质量综合产品的质量受参考分析中心钟差质量受参考分析中心钟差质量的影响，系统运行初期的影响，系统运行初期分析分析中心钟差质量不稳定中心钟差质量不稳定，不宜采取该方法；综合钟差产品序列中仍存在非线性，不宜采取该方法；综合钟差产品序列中仍存在非线性系统误差，不适合最终产品的综合。系统误差，不适合最终产品的综合。11方案方案2：做差法优化参考基准：做差法优化参考基准由于同一套钟差解中，由于同一套钟差解中，各颗卫星和各个测站钟差的非线性系统误差项是一各颗卫星和各个测站钟差的非线性系统误差项是一致的致的，可选择，可选择某一高质量原子钟的钟差序列或钟组加权平均某一高

13、质量原子钟的钟差序列或钟组加权平均构造虚拟的钟构造虚拟的钟差序列作为参考，其余卫星或测站钟差与其做一次差消除共性误差，使钟差序列作为参考，其余卫星或测站钟差与其做一次差消除共性误差，使钟差解强约束到该参考钟，优化分析中心钟差解的参考基准。差解强约束到该参考钟，优化分析中心钟差解的参考基准。参考钟优选策略参考钟优选策略：可选择：可选择一组外接有高质量原子钟、观测条件较好的测站一组外接有高质量原子钟、观测条件较好的测站作为备选钟组作为备选钟组，根据当天测站的实际观测数据质量和测站钟差的稳定性选，根据当天测站的实际观测数据质量和测站钟差的稳定性选择某一测站作为择某一测站作为“一次差一次差” 的参考钟

14、。的参考钟。12采用采用“一次差一次差”处理后，不同分析中心钟差改正值间的差异处理后，不同分析中心钟差改正值间的差异12n IGS钟差综合算例分析钟差综合算例分析13数据：数据：2014.07.27-2014.08.23四周的产品，由于四周的产品，由于IGS至今未提供至今未提供GLONASS综综合钟差，此处合钟差，此处GLONASS钟差产品以新生成的综合钟差为参考。钟差产品以新生成的综合钟差为参考。14钟差产品的平均钟差产品的平均RMS 单位单位（pHs）ProductsCODEMR/EMXESAGFZGRGIACMITISCGLONASS-53.246.0 49.4-60.7- GPS49.

15、163.976.956.869.9-106.623.7Station34.832.361.146.451.6-37.825.5MIT的的GPS钟差和钟差和EMX、IAC的的GLO钟差部分天钟差部分天RMS较大的原因是由少较大的原因是由少数几颗卫星钟差质量较差造成的，数几颗卫星钟差质量较差造成的，ESA的的GLO钟差质量相对最优钟差质量相对最优。GPS和测站综合钟差与和测站综合钟差与IGS最终钟差的差异在最终钟差的差异在20ps左右，明显优于左右，明显优于各分各分析中心析中心。n IGS钟差综合算例分析钟差综合算例分析15n GPS单系统动态单系统动态PPP测试测试Products BRAZCA

16、S1LHAZNKLGOHI3SYOGTIXITRO1YELLMeanISC0N0.821.011.220.941.381.011.500.951.021.09 E0.930.913.541.391.501.081.280.920.991.39 U2.352.133.332.812.482.343.452.132.422.60ISC1N0.730.891.120.761.300.841.380.850.940.98 E0.830.783.081.261.430.981.140.800.881.24 U2.031.853.102.492.182.073.181.892.132.32IGSN0.70

17、0.891.090.741.290.791.410.830.930.96 E0.800.763.231.211.400.951.130.800.881.24 U1.941.813.042.392.132.023.151.852.122.27ISC0指采用传统指采用传统IGS算法得到的综合钟差，算法得到的综合钟差，ISC1指采用本文新算法得到的综指采用本文新算法得到的综合钟差，合钟差，IGS指从官网下载的指从官网下载的IGS最终钟差。最终钟差。（单位：（单位：cm）新算法得到的新算法得到的GPS综合钟差综合钟差ISC1用于动态用于动态PPP的定位结果的定位结果优于优于传统传统IGS算法产品算法产

18、品ISC0的结果的结果，在，在N、E、U方向分别方向分别提高了提高了10.1%、10.8%和和10.8%。尽管。尽管IGS最终钟差重校准最终钟差重校准到了到了IGST，时间尺度更优，稳定性更好，其动态，时间尺度更优，稳定性更好，其动态PPP的精的精度基本与度基本与ISC1的结果相同。的结果相同。16n GLONASS单系统动态单系统动态PPP测试测试传统传统IGS算法得到的算法得到的GLONASS综合钟差综合钟差数据完整性和钟差质量较差数据完整性和钟差质量较差，用，用于动态于动态PPP的定位结果不稳定；的定位结果不稳定；新算法得到的新算法得到的GLONASS综合钟差质量较好，动态综合钟差质量较

19、好，动态PPP的平均的平均RMS在在N、E、U方向分别是方向分别是1.20cm、1.47cm和和3.01cm，较传统，较传统IGS算法综合产品的定位结算法综合产品的定位结果果有显著提高有显著提高。Products BRAZCAS1LHAZNKLGOHI3SYOGTIXITRO1YELLMeanISC0N3.931.6710.717.261.851.832.342.011.633.69 E6.351.7818.5510.502.101.992.231.721.825.23 U11.823.8134.7618.414.654.335.413.924.1210.14ISC1N1.121.021.50

20、1.451.171.111.301.071.061.20 E1.531.142.681.671.331.191.361.111.231.47 U3.202.384.503.712.632.483.192.582.413.0117数据：数据：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的GPS钟差产品钟差产品n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析GPS综合钟差相对于综合钟差相对于IGS最终钟差最终钟差18ISC的的GPS综合钟差相对于综合钟差相对于IGS最终钟差差异的最终钟差差异的RMS基本在基本在60ps左左右右，优于其他分析中心。，优于其他分析中心。iGMAS

21、分析中心分析中心WHU的的RMS最优，在最优，在70ps左右，其次为左右，其次为xsc、igg、tlc。产品产品BACCGSCHDIGGLSNSHATACTLC WHUXSCISCRMS268264.5171831022211259664.56956GPS最终钟差与最终钟差与IGS最终产品比较的最终产品比较的RMS（单位（单位ps）n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析19数据：数据：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的GLO钟差产品钟差产品GLONASS综合钟差相对于综合钟差相对于ESA最终钟差最终钟差n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析2

22、0产品产品BACCGSCHDIGGLSNSHATACTLCWHUXSCISCRMS802723.5727165310273545137121172.5110GLONASS最终钟差与最终钟差与ESA最终产品比较的最终产品比较的RMS（单位（单位ps）ISC的的GLONASS综合钟差相对于综合钟差相对于ESA最终钟差差异的最终钟差差异的RMS基本在基本在110ps左左右右，优于其他分析中心。，优于其他分析中心。iGMAS分析中心分析中心whu的的RMS最优，在最优，在120ps左左右，其次为右，其次为tlc、igg、xsc。大多数分析中心多数天的。大多数分析中心多数天的GLONASS钟差产钟差产品

23、满足品满足0.3ns的精度要求的精度要求。n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析21数据：数据：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的GAL产品产品n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析Galileo综合钟差相对于综合钟差相对于GBM最终钟差最终钟差22n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析产品产品BACCGSCHDIGGLSNSHA TAC TLCWHUXSCISCRMS518464357764260285270216.5342742269Galileo最终钟差与最终钟差与GBM最终产品比较的最终产品比较的RMS（单位（单位ps）ISC

24、的的Galileo综合钟差相对于综合钟差相对于GBM最终钟差差异的最终钟差差异的RMS基本基本在在270ps左右，左右，相对较相对较稳定稳定且精度优于多数分析中心且精度优于多数分析中心。tlc的的RMS最优，在最优，在220ps左右，其次为左右，其次为lsn、sha；tac在在270ps左右，左右，但但这些分析中心产品这些分析中心产品精度不太稳定且缺精度不太稳定且缺少多少多数数天的天的产品。产品。23数据：数据：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的BDS产品产品n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析BDS综合钟差相对于综合钟差相对于GBM最终钟差最终钟

25、差24产品产品BACCGSCHDIGGLSNSHATACTLCWHUXSCISCRMS601.5597587766397450372432.5367410363BDS最终钟差与最终钟差与GBM最终产品比较的最终产品比较的RMS（单位（单位ps）ISC的的BDS综合钟差相对于综合钟差相对于GBM最终钟差差异的最终钟差差异的RMS基本在基本在360ps左左右，右， 相对于其他分析中心钟差的精度是最稳定的且精度最优。相对于其他分析中心钟差的精度是最稳定的且精度最优。iGMAS分析中心分析中心whu的的RMS最优，在最优，在370ps左右，其次为左右，其次为xsc；tac、lsn的的BDS卫星钟差精度

26、较好，多数在卫星钟差精度较好，多数在400ps左右，但精度不太稳定左右，但精度不太稳定且缺产品的天数较多。且缺产品的天数较多。n iGMAS钟差综合算例分析钟差综合算例分析25iGMAS产品产品BDS单系统静态单系统静态PPP测试测试 (单位：单位：cm)ProductWHUSHATLCXSCISC ENUENUENUENUENUXMIS2.24 0.29 1.85 1.12 0.65 4.06 1.83 0.73 3.45 1.48 0.69 5.99 1.04 0.34 2.57 GMSD0.95 0.41 2.42 1.75 1.35 1.92 1.69 1.21 3.84 1.01 0

27、.69 2.72 0.97 0.62 1.86 NNOR1.47 0.69 3.83 1.80 0.86 5.69 1.85 1.25 5.11 1.37 1.18 3.85 0.90 0.81 4.47 CAS11.36 1.88 5.52 1.87 1.81 5.06 1.99 2.41 3.55 1.54 2.28 4.14 1.15 2.09 4.01 MEAN1.50 0.82 3.41 1.63 1.17 4.18 1.84 1.40 3.99 1.351.21 4.181.020.97 3.23 综合产品综合产品ISC的平均外符合精度在的平均外符合精度在E、N、U方向分别为方向分

28、别为1.02cm、0.97cm和和3.23cm；其中；其中E、U方向最优，方向最优，N方向略微差于方向略微差于WHU的结果，的结果，E、N方向方向上上TLC最差；最差；U方向方向SHA和和XSC最差，为最差，为4.18cm。整体而言，整体而言，ISC综合产品综合产品BDS单系统静态单系统静态PPP的结果最优，的结果最优，WHU次之，次之，SHA和和TLC稍差；与前面钟差产品比较分析的稍差；与前面钟差产品比较分析的结果一致结果一致。26 针对针对IGS钟差产品综合传统算法的缺点钟差产品综合传统算法的缺点，提出了采用抗差最小二乘代，提出了采用抗差最小二乘代替替L1范数计算转换参数，并基于中位数构造了具有高崩溃污染率的钟范数计算