一种基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法

本发明涉及大地测量学与卫星导航定位，具体提供一种基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法。

背景技术：

1、全球导航卫星系统gnss具备全球覆盖、高采样率等优势，是监测地心运动的重要技术手段。和导航卫星相比，低轨卫星绕地运行快，轨道高度更低，对地心更加敏感。随着星载gnss技术的不断发展与成熟，星载gnss技术与低轨卫星观测结合已成为地心运动估计的重要方向。研究表明，地心参数与钟差、对流层延迟等参数之间的强相关性是造成gnss估计地心运动质量不高的主要原因之一。而现有低轨卫星地心运动估计主要基于gnss跟踪数据，将卫星钟差当作白噪声过程进行参数估计，在客观上忽略了卫星钟差在历元间的相关性。此外，由于卫星轨道与卫星钟差是同时估计，卫星钟差将不可避免地受到轨道误差的影响。理论上，引入合理的钟差模型对卫星钟差进行约束，有利于提高卫星轨道和卫星钟差的估计精度，同时改善地心运动的精度和可靠性。

2、现有技术存在以下问题：参数强相关性导致地心运动参数估计精度较低：1.地心运动参数与卫星钟差存在强相关性，尤其对地心z分量影响显著。传统方法中，低轨卫星gnss精密定轨时通常将卫星钟差视为白噪声过程进行历元级独立估计，忽略了钟差在历元间的物理相关性，进一步加剧了地心运动参数与钟差的耦合，导致地心运动估计精度偏低。2.卫星钟差与轨道误差耦合：卫星钟差与轨道参数需同步估计，轨道误差（如太阳辐射压建模误差）会通过观测方程传递至钟差估计结果，导致卫星钟差产品中存在与卫星轨道周期相关的周期性误差。该类误差会进一步污染地心运动时间序列，严重偏离真实地心运动。3.低轨卫星优势未充分发挥：低轨卫星因轨道高度低，对地心运动的敏感度显著高于中高轨gnss卫星，且联合多颗不同轨道构型的低轨卫星可增强观测几何多样性。但现有低轨卫星地心运动估计方法中，未针对低轨卫星钟差特性构建专用约束模型，且未有效结合多低轨卫星的几何优势解耦地心运动与轨道、钟差参数，导致低轨卫星的地心运动探测潜力未被完全释放。

3、因此，急需一种基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有低轨卫星地心运动估计中，钟差按白噪声处理导致参数耦合严重、钟差受轨道误差污染、低轨卫星优势未充分发挥等问题，提出了本发明，以提供解决或部分解决上述问题。

2、本发明提供一种基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法，包括：s1、基于收集的相关数据通过简化动力学精密定轨方法解算低轨卫星精密轨道和原始钟差，对所述原始钟差进行异常值剔除，得到有效钟差序列；所述数据至少包括：低轨卫星的星载 gnss 双频伪距、载波相位观测数据及gnss导航卫星的精密星历与钟差产品、低轨卫星先验轨道、低轨卫星太阳辐射压先验模型参数、地球自转参数；s2、基于所述有效钟差序列，计算拟合多项式项后的钟差随机项，构建随机项的钟差随机模型，所述多项式项为含可切换阶数的时间多项式，所述随机项为表征钟差随机特性的过程噪声项，所述钟差随机模型用于描述低轨卫星星载接收机钟差随历元的变化规律；对所述有效钟差序列拟合所述多项式项，得到钟差残差；基于所述钟差残差计算变异函数，进而确定所述随机项的过程噪声；s3、将所述钟差随机模型作为约束，融入包含低轨卫星动力学方程、观测方程的参数估计模型，联合解算地心运动参数与钟差模型参数；s4、结合单颗或多颗低轨卫星的观测数据及所述钟差随机模型，进行统一解算，得到地心运动参数的时间序列。

3、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，所述钟差模型的表达式为：,其中，clk(t)为历元t的低轨卫星钟差；a0为参考时刻的钟差，a1为频率偏移，a2为频率漂移；β为可选模型系数；为钟差随机项。

4、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，对于线性模型β=0，对于二次多项式模型β=1。

5、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，所述钟差随机项的过程噪声通过变异函数估计得到：,该噪声用于后续参数估计的随机模型约束。

6、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，所述变异函数的计算方式为：对预处理后的钟差时间序列拟合多项式模型得到钟差残差，基于稳健方法计算所述残差的变异函数，公式为：,其中，为历元间隔（与观测采样间隔一致）；为满足的历元对集合；为集合元素个数，变差函数反映了钟差随机项在不同时间间隔下的变化特性。

7、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，在地心运动估计过程中，所述多项式项的参数a0、a1和a2在整个处理弧段内作为常量参数估计，所述钟差随机项作为随机过程参数在每个估计历元进行估计。

8、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，所述异常值剔除的方式包括：采用中值绝对偏差法检测并剔除钟差异常值，结合视觉检查方法移除钟跳数据。

9、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，在步骤s3之后还包括解算优化步骤：采用单站模糊度固定技术将载波相位模糊度固定为整数。

10、在上述基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的一个技术方案中，步骤s3中，所述参数估计模型为最小二乘法模型或卡尔曼滤波器模型。

11、本发明所提供的一种基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法的有益效果为：1.显著提升地心运动估计精度：通过对低星接收机钟差进行建模并施加合理的随机约束，有效利用了钟差在历元间的先验统计特性，避免了将其简单视为白噪声所带来的信息损失。这种方法能显著降低地心运动参数，特别是z分量的形式误差。

12、2.削弱参数间相关性：钟差模型的引入改变了参数估计的结构，有效降低了接收机钟差与地心运动参数（尤其是z分量）以及与其他力模型参数（如srp经验参数）之间的强相关性。这减少了力模型误差等系统误差通过参数相关对地心运动估计的污染。

13、3.抑制虚假信号：由于削弱了与轨道周期相关的钟差误差，本发明能有效抑制地心运动时间序列中出现的与卫星轨道周期（如卫星交点年周期）相关的虚假信号，使地心运动信号，特别是年、半年周期信号，更加清晰可靠。

14、4.增强解的可靠性：结合单站模糊度固定和多星联合解算，本发明能进一步提高地心运动估计的整数解成功率和解的强度，输出结果与slr等独立技术的结果具有更好的一致性。

15、5.通用性强：该方法适用于各类搭载高精度振荡器（如uso、铷钟等）的低轨卫星，如重力测量卫星（grace、grace-fo）、海洋测高卫星（sentinel-3、jason）、以及未来大规模低轨星座，为利用多源低轨卫星数据高精度监测地心运动提供了核心技术。

1.一种基于星载接收机钟差随机模型约束的地心运动估计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钟差模型的表达式为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对于线性模型β=0，对于二次多项式模型β=1。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述钟差随机项的过程噪声通过变异函数估计得到：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述变异函数的计算方式为：对预处理后的钟差时间序列拟合多项式模型得到钟差残差，基于稳健方法计算所述残差的变异函数，公式为：

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在地心运动估计过程中，所述多项式项的参数a0、a1和a2在整个处理弧段内作为常量参数估计，所述钟差随机项作为随机过程参数在每个估计历元进行估计。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述异常值剔除的方式包括：采用中值绝对偏差法检测并剔除钟差异常值，结合视觉检查方法移除钟跳数据。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤s3之后还包括解算优化步骤：采用单站模糊度固定技术将载波相位模糊度固定为整数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中，所述参数估计模型为最小二乘法模型或卡尔曼滤波器模型。