1、徐天河徐天河1,21,2 陳康慷陳康慷3 3 楊元喜楊元喜2 2 1 1 山東大學（威海）空間科學研究院山東大學（威海）空間科學研究院2 2 地理信息工程國家重點實驗室地理信息工程國家重點實驗室3 3 長安大學長安大學顧及系統(tǒng)誤差補償和異常誤差控制的顧及系統(tǒng)誤差補償和異常誤差控制的iGMAS/IGS分析中心鐘差綜合算法分析中心鐘差綜合算法20162016年年9 9月月23-2523-25日日 江蘇南京江蘇南京2內 容 提 要5、結論與展望、結論與展望4、算例分析算例分析1、研究背景及意義、研究背景及意義2、IGS分析中心鐘差產品綜合傳統(tǒng)算法分析中心鐘差產品綜合傳統(tǒng)算法3、IGS/iGMAS分析

2、中心鐘差產品綜合新算法分析中心鐘差產品綜合新算法3 由中國發(fā)起建立的由中國發(fā)起建立的iGMAS是對是對GNSS運行狀況和主要系統(tǒng)性運行狀況和主要系統(tǒng)性能指標進行監(jiān)測和評估能指標進行監(jiān)測和評估，生成并發(fā)布衛(wèi)星軌道生成并發(fā)布衛(wèi)星軌道、鐘差鐘差、電、電離層離層等高精度產品的技術平臺等高精度產品的技術平臺；包括；包括1個監(jiān)測評估中心個監(jiān)測評估中心，3個數據中心個數據中心，10+個分析中心個分析中心和和1個產品綜合與服務中心個產品綜合與服務中心。 IGS成立于成立于1994年年，匯聚了以匯聚了以CODE、JPL、GFZ、MIT、SIO等為等為代表代表的的十多個全球最為著名的衛(wèi)星導航系統(tǒng)研究機十多個全球最

3、為著名的衛(wèi)星導航系統(tǒng)研究機構構。IGS利用各家分析利用各家分析中心中心提交的產品提交的產品進行進行綜合綜合，供，供各類各類用用戶使用戶使用，為地學研究和社會應用提供支持。，為地學研究和社會應用提供支持。 iGMAS產品綜合與服務中心產品綜合與服務中心對分析中心提交的各類產品進行對分析中心提交的各類產品進行質量分析質量分析、精度評估精度評估、綜合產品綜合產品和和產品發(fā)布產品發(fā)布。產品綜合和評產品綜合和評估軟件估軟件的研制任務由的研制任務由武漢大學武漢大學和和西安測繪研究所西安測繪研究所（一期）（一期）/山山東大學東大學（二期）共同承擔（二期）共同承擔。-北斗重大專項北斗重大專項4 產品綜合產品綜

4、合的優(yōu)點的優(yōu)點：1）能夠生成）能夠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綜合產品的綜合產品；2）維持衛(wèi)星導航系統(tǒng)維持衛(wèi)星導航系統(tǒng)高精度高精度的的時空參考框架時空參考框架；3）評估評估分析中心分析中心產品精度產品精度并向其并向其輸出有益反饋輸出有益反饋信息用于信息用于改改進分析中心產品精度和可靠性進分析中心產品精度和可靠性。 存在的問題：存在的問題：1）IGS雖然提供了雖然提供了GPS、GLONASS綜合軌道，綜合軌道，但但只提供只提供GPS單系統(tǒng)綜合鐘差單系統(tǒng)綜合鐘差；2）IGS產品綜合傳統(tǒng)算法已產品綜合傳統(tǒng)算法已沿用近沿用近20年年，難以滿足，難以滿足GPS、GLONASS、

5、Galileo和和BDS四系統(tǒng)的產品綜合。四系統(tǒng)的產品綜合。 相比軌道等其他產品，鐘差綜合的算法更加復雜相比軌道等其他產品，鐘差綜合的算法更加復雜。精密定軌。精密定軌過程中有動力學信息約束，軌道產品更加光滑；衛(wèi)星鐘差只過程中有動力學信息約束，軌道產品更加光滑；衛(wèi)星鐘差只能在相對意義上確定，且受偽距觀測值影響較大，鐘差產品能在相對意義上確定，且受偽距觀測值影響較大，鐘差產品極易出現(xiàn)粗差、系統(tǒng)偏差和極易出現(xiàn)粗差、系統(tǒng)偏差和鐘跳鐘跳。5IGS鐘差綜合傳統(tǒng)算法鐘差綜合傳統(tǒng)算法：（：（1）首先對分析中心提交的鐘差產品分別附首先對分析中心提交的鐘差產品分別附加加軌道、測站坐標軌道、測站坐標和地心運動項改正

6、和地心運動項改正，增強產品間的一致性；（，增強產品間的一致性；（2）然后然后采用采用L1范數范數估計估計將參考基準線性校準到系統(tǒng)時，消除參考鐘不將參考基準線性校準到系統(tǒng)時，消除參考鐘不同引起的同引起的系統(tǒng)差異系統(tǒng)差異；最后迭代；最后迭代加權加權計算計算綜合綜合鐘差。鐘差。() /() /satsatACIGSACstastaACIGSACclkXXDYXcclkYYDYYcRRacacacacacclkclkclkoffsetdriftt 20210212nTiiiiicomiiniiiiP clkV PVclkPnPp L1范數估計僅具有穩(wěn)健范數估計僅具有穩(wěn)健性而性而不具備方差最小不具備方差

7、最小，適，適合求參數初值；合求參數初值；p 所有衛(wèi)星所有衛(wèi)星統(tǒng)一校準統(tǒng)一校準，系，系統(tǒng)誤差統(tǒng)誤差并沒有得到有效消并沒有得到有效消除除；p 雖可應用于雖可應用于GPS系統(tǒng)，系統(tǒng)，但但很難推廣至多很難推廣至多GNSS系系統(tǒng)統(tǒng)的鐘差綜合。的鐘差綜合。IGS鐘差綜合傳統(tǒng)算法缺點鐘差綜合傳統(tǒng)算法缺點：6采用采用IGS傳統(tǒng)算法統(tǒng)一參考基準，不同分析中心鐘差改正值間的差異傳統(tǒng)算法統(tǒng)一參考基準，不同分析中心鐘差改正值間的差異可以看出，參考基準統(tǒng)一后，不同分析中心的可以看出，參考基準統(tǒng)一后，不同分析中心的鐘差改正值之間仍然存在明顯鐘差改正值之間仍然存在明顯的系統(tǒng)偏差（線性）的系統(tǒng)偏差（線性），尤其是，尤其是GL

8、ONASS鐘差產品鐘差產品。這種。這種殘余的系統(tǒng)誤差殘余的系統(tǒng)誤差對對后續(xù)的抗差迭代計算綜合鐘差有后續(xù)的抗差迭代計算綜合鐘差有嚴重的影響嚴重的影響，必須予以消除。，必須予以消除。7() /() /satsatACIGSACstastaACIGSACclkXXXcclkYYDYYcRRacacacacacclkclkclkoffsetdriftt 000120011010()=()=0 . 6 7 4 50()0iiiiiiiiiiiiiiiiim e dpvvLm e dLpvcpvcpvkkvkppkvkvkkvksatsatsatsatclkclkoffsetdriftt幾點改進：幾點改進

9、：p 參考基準統(tǒng)一時，參數估參考基準統(tǒng)一時，參數估計采用計采用抗差最小二乘抗差最小二乘，由由中中位數法位數法計算初值和初始權計算初值和初始權；p 附加系統(tǒng)誤差參數附加系統(tǒng)誤差參數，以首，以首次鐘差均值為參考，對次鐘差均值為參考，對每顆每顆衛(wèi)星和每個測站鐘差衛(wèi)星和每個測站鐘差分別消分別消除殘余的系統(tǒng)偏差；除殘余的系統(tǒng)偏差；p 采用采用雙淘汰組合法雙淘汰組合法的思想，的思想，利用利用中位數中位數構造具有高崩潰構造具有高崩潰污染率的兩步抗差方案。污染率的兩步抗差方案。8采用新算法統(tǒng)一參考基準，不同分析中心鐘差改正值間的差異采用新算法統(tǒng)一參考基準，不同分析中心鐘差改正值間的差異9不同不同 iGMAS分

10、析中心原始鐘差產品間的差值分析中心原始鐘差產品間的差值iGMAS四系統(tǒng)鐘差產品四系統(tǒng)鐘差產品受污染嚴重且存在明顯的系統(tǒng)誤差（非線性）受污染嚴重且存在明顯的系統(tǒng)誤差（非線性），其，其原因不外乎：原因不外乎：（1）不同的測站跟蹤網解算；（）不同的測站跟蹤網解算；（2）力模型和觀測模型的不完）力模型和觀測模型的不完善及一些未考慮的偏差改正等影響；（善及一些未考慮的偏差改正等影響；（3）解算策略、參數約束等問題。）解算策略、參數約束等問題。10以上分析可以看出：以上分析可以看出：iGMAS分析中心四系統(tǒng)鐘差產品存在明顯的分析中心四系統(tǒng)鐘差產品存在明顯的非線性系統(tǒng)非線性系統(tǒng)誤差誤差。鐘差綜合必須顧及這種

11、非線性系統(tǒng)誤差的影響，為此我們設計了兩種。鐘差綜合必須顧及這種非線性系統(tǒng)誤差的影響，為此我們設計了兩種解決方案。解決方案。方案方案1：單歷元校準：單歷元校準選擇選擇某一鐘差產品質量較好某一鐘差產品質量較好的分析中心作為參考，的分析中心作為參考，通過估計通過估計其余分析中心其余分析中心各各歷元歷元鐘差改正值相對于參考解鐘差改正值相對于參考解之間的偏差來之間的偏差來消除參考鐘不同的影響消除參考鐘不同的影響，使基準，使基準統(tǒng)一到該參考分析中心。統(tǒng)一到該參考分析中心。epochepochepochacacacacclkclkclkoffset優(yōu)點優(yōu)點：算法簡單，可算法簡單，可逐歷元消除系統(tǒng)誤差逐歷元消

12、除系統(tǒng)誤差影響。影響。缺點缺點：綜合產品的質量綜合產品的質量受參考分析中心鐘差質量受參考分析中心鐘差質量的影響，系統(tǒng)運行初期的影響，系統(tǒng)運行初期分析分析中心鐘差質量不穩(wěn)定中心鐘差質量不穩(wěn)定，不宜采取該方法；綜合鐘差產品序列中仍存在非線性，不宜采取該方法；綜合鐘差產品序列中仍存在非線性系統(tǒng)誤差，不適合最終產品的綜合。系統(tǒng)誤差，不適合最終產品的綜合。11方案方案2：做差法優(yōu)化參考基準：做差法優(yōu)化參考基準由于同一套鐘差解中，由于同一套鐘差解中，各顆衛(wèi)星和各個測站鐘差的非線性系統(tǒng)誤差項是一各顆衛(wèi)星和各個測站鐘差的非線性系統(tǒng)誤差項是一致的致的，可選擇，可選擇某一高質量原子鐘的鐘差序列或鐘組加權平均某一高

13、質量原子鐘的鐘差序列或鐘組加權平均構造虛擬的鐘構造虛擬的鐘差序列作為參考，其余衛(wèi)星或測站鐘差與其做一次差消除共性誤差，使鐘差序列作為參考，其余衛(wèi)星或測站鐘差與其做一次差消除共性誤差，使鐘差解強約束到該參考鐘，優(yōu)化分析中心鐘差解的參考基準。差解強約束到該參考鐘，優(yōu)化分析中心鐘差解的參考基準。參考鐘優(yōu)選策略參考鐘優(yōu)選策略：可選擇：可選擇一組外接有高質量原子鐘、觀測條件較好的測站一組外接有高質量原子鐘、觀測條件較好的測站作為備選鐘組作為備選鐘組，根據當天測站的實際觀測數據質量和測站鐘差的穩(wěn)定性選，根據當天測站的實際觀測數據質量和測站鐘差的穩(wěn)定性選擇某一測站作為擇某一測站作為“一次差一次差” 的參考鐘

14、。的參考鐘。12采用采用“一次差一次差”處理后，不同分析中心鐘差改正值間的差異處理后，不同分析中心鐘差改正值間的差異12n IGS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析13數據：數據：2014.07.27-2014.08.23四周的產品，由于四周的產品，由于IGS至今未提供至今未提供GLONASS綜綜合鐘差，此處合鐘差，此處GLONASS鐘差產品以新生成的綜合鐘差為參考。鐘差產品以新生成的綜合鐘差為參考。14鐘差產品的平均鐘差產品的平均RMS 單位單位（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鐘差和鐘差和EMX、IAC的的GLO鐘差部分天鐘差部分天RMS較大的原因是由少較大的原因是由少數幾顆衛(wèi)星鐘差質量較差造成的，數幾顆衛(wèi)星鐘差質量較差造成的，ESA的的GLO鐘差質量相對最優(yōu)鐘差質量相對最優(yōu)。GPS和測站綜合鐘差與和測站綜合鐘差與IGS最終鐘差的差異在最終鐘差的差異在20ps左右，明顯優(yōu)于左右，明顯優(yōu)于各分各分析中心析中心。n IGS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析15n GPS單系統(tǒng)動態(tài)單系統(tǒng)動態(tài)PPP測試測試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指采用傳統(tǒng)指采用傳統(tǒng)IGS算法得到的綜合鐘差，算法得到的綜合鐘差，ISC1指采用本文新算法得到的綜指采用本文新算法得到的綜合鐘差，合鐘差，IGS指從官網下載的指從官網下載的IGS最終鐘差。最終鐘差。（單位：（單位：cm）新算法得到的新算法得到的GPS綜合鐘差綜合鐘差ISC1用于動態(tài)用于動態(tài)PPP的定位結果的定位結果優(yōu)于優(yōu)于傳統(tǒng)傳統(tǒng)IGS算法產品算法產

18、品ISC0的結果的結果，在，在N、E、U方向分別方向分別提高了提高了10.1%、10.8%和和10.8%。盡管。盡管IGS最終鐘差重校準最終鐘差重校準到了到了IGST，時間尺度更優(yōu)，穩(wěn)定性更好，其動態(tài)，時間尺度更優(yōu)，穩(wěn)定性更好，其動態(tài)PPP的精的精度基本與度基本與ISC1的結果相同。的結果相同。16n GLONASS單系統(tǒng)動態(tài)單系統(tǒng)動態(tài)PPP測試測試傳統(tǒng)傳統(tǒng)IGS算法得到的算法得到的GLONASS綜合鐘差綜合鐘差數據完整性和鐘差質量較差數據完整性和鐘差質量較差，用，用于動態(tài)于動態(tài)PPP的定位結果不穩(wěn)定；的定位結果不穩(wěn)定；新算法得到的新算法得到的GLONASS綜合鐘差質量較好，動態(tài)綜合鐘差質量較

19、好，動態(tài)PPP的平均的平均RMS在在N、E、U方向分別是方向分別是1.20cm、1.47cm和和3.01cm，較傳統(tǒng)，較傳統(tǒng)IGS算法綜合產品的定位結算法綜合產品的定位結果果有顯著提高有顯著提高。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數據：數據：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的GPS鐘差產品鐘差產品n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析GPS綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于IGS最終鐘差最終鐘差18ISC的的GPS綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于IGS最終鐘差差異的最終鐘差差異的RMS基本在基本在60ps左左右右，優(yōu)于其他分析中心。，優(yōu)于其他分析中心。iGMAS

21、分析中心分析中心WHU的的RMS最優(yōu)，在最優(yōu)，在70ps左右，其次為左右，其次為xsc、igg、tlc。產品產品BACCGSCHDIGGLSNSHATACTLC WHUXSCISCRMS268264.5171831022211259664.56956GPS最終鐘差與最終鐘差與IGS最終產品比較的最終產品比較的RMS（單位（單位ps）n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析19數據：數據：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的GLO鐘差產品鐘差產品GLONASS綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于ESA最終鐘差最終鐘差n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析2

22、0產品產品BACCGSCHDIGGLSNSHATACTLCWHUXSCISCRMS802723.5727165310273545137121172.5110GLONASS最終鐘差與最終鐘差與ESA最終產品比較的最終產品比較的RMS（單位（單位ps）ISC的的GLONASS綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于ESA最終鐘差差異的最終鐘差差異的RMS基本在基本在110ps左左右右，優(yōu)于其他分析中心。，優(yōu)于其他分析中心。iGMAS分析中心分析中心whu的的RMS最優(yōu)，在最優(yōu)，在120ps左左右，其次為右，其次為tlc、igg、xsc。大多數分析中心多數天的。大多數分析中心多數天的GLONASS鐘差產鐘差產品

23、滿足品滿足0.3ns的精度要求的精度要求。n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析21數據：數據：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的GAL產品產品n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析Galileo綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于GBM最終鐘差最終鐘差22n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析產品產品BACCGSCHDIGGLSNSHA TAC TLCWHUXSCISCRMS518464357764260285270216.5342742269Galileo最終鐘差與最終鐘差與GBM最終產品比較的最終產品比較的RMS（單位（單位ps）ISC

24、的的Galileo綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于GBM最終鐘差差異的最終鐘差差異的RMS基本基本在在270ps左右，左右，相對較相對較穩(wěn)定穩(wěn)定且精度優(yōu)于多數分析中心且精度優(yōu)于多數分析中心。tlc的的RMS最優(yōu)，在最優(yōu)，在220ps左右，其次為左右，其次為lsn、sha；tac在在270ps左右，左右，但但這些分析中心產品這些分析中心產品精度不太穩(wěn)定且缺精度不太穩(wěn)定且缺少多少多數數天的天的產品。產品。23數據：數據：2014.10-2015.10 iGMAS分析中心一年的分析中心一年的BDS產品產品n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析BDS綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于GBM最終鐘差最終鐘

25、差24產品產品BACCGSCHDIGGLSNSHATACTLCWHUXSCISCRMS601.5597587766397450372432.5367410363BDS最終鐘差與最終鐘差與GBM最終產品比較的最終產品比較的RMS（單位（單位ps）ISC的的BDS綜合鐘差相對于綜合鐘差相對于GBM最終鐘差差異的最終鐘差差異的RMS基本在基本在360ps左左右，右， 相對于其他分析中心鐘差的精度是最穩(wěn)定的且精度最優(yōu)。相對于其他分析中心鐘差的精度是最穩(wěn)定的且精度最優(yōu)。iGMAS分析中心分析中心whu的的RMS最優(yōu)，在最優(yōu)，在370ps左右，其次為左右，其次為xsc；tac、lsn的的BDS衛(wèi)星鐘差精度

26、較好，多數在衛(wèi)星鐘差精度較好，多數在400ps左右，但精度不太穩(wěn)定左右，但精度不太穩(wěn)定且缺產品的天數較多。且缺產品的天數較多。n iGMAS鐘差綜合算例分析鐘差綜合算例分析25iGMAS產品產品BDS單系統(tǒng)靜態(tài)單系統(tǒng)靜態(tài)PPP測試測試 (單位：單位：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 綜合產品綜合產品ISC的平均外符合精度在的平均外符合精度在E、N、U方向分別為方向分

28、別為1.02cm、0.97cm和和3.23cm；其中；其中E、U方向最優(yōu)，方向最優(yōu)，N方向略微差于方向略微差于WHU的結果，的結果，E、N方向方向上上TLC最差；最差；U方向方向SHA和和XSC最差，為最差，為4.18cm。整體而言，整體而言，ISC綜合產品綜合產品BDS單系統(tǒng)靜態(tài)單系統(tǒng)靜態(tài)PPP的結果最優(yōu)，的結果最優(yōu)，WHU次之，次之，SHA和和TLC稍差；與前面鐘差產品比較分析的稍差；與前面鐘差產品比較分析的結果一致結果一致。26 針對針對IGS鐘差產品綜合傳統(tǒng)算法的缺點鐘差產品綜合傳統(tǒng)算法的缺點，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范數計算轉換參數，并基于中位數構造了具有高崩潰污染率的鐘范數計算