并址站归心基线优化方法及其对ITRF实现的影响研究

The International Earth Reference Framework (ITRF) is the highest accuracy reference frame in the world. Local tie vector, a major constraint of the observation technology in the ITRF, has become the main factor for improving the accuracy of ITRF. Methods of step by step solution and coordinate transformation in the topocentric or the independent coordinate system are difficult to meet ITRF requirement for accuracy of the local tie vector. Based on different types of measurements, this project establishes a rigorous adjustment model for different types of measurements in ITRF to eliminate the inconsistency of coordinate reference, systematic error and accuracy difference among different types of measurements; The ITRF coordinates of the local tie vector are taken as unknown parameters, and the constraints between the local tie vector, the two-axis deviation and other unknown parameters are constructed, and the whole solution of the local tie vector in ITRF is realized, and the methods of step-by-step solution and coordinate transformation solution are optimized. The project studies the impact of GNSS data processing strategies and various constraints on the local tie vectors, reveals the main factors (new local tie vectors, the distribution of global co-locations sites, the accuracy of the local tie vector, specific local tie vectors) on the impacts and characteristics of ITRF. It provides a theoretical basis and scientific basis for achieving a more accurate local tie vector and ITRF.

国际地球参考框架ITRF是全球最高精度的参考框架。其中并址站归心基线作为联系ITRF中各观测技术的主要约束条件，已成为实现ITRF精度提高的主要因素。现有在站心坐标系和独立坐标系中分步解算和构建坐标转换方法难以满足ITRF对归心基线精度的需求。本项目基于多类观测数据，在ITRF中建立多类观测数据进行整体处理的严密平差模型，以消除多类观测数据之间坐标基准不统一、系统性误差、精度差异等影响；提出将归心基线的ITRF坐标作为未知参数，构建归心基线、两轴偏差等未知参数之间的多种约束条件，实现归心基线在ITRF中的整体解算，优化分步解算方法和坐标转换方法；研究GNSS数据处理策略和多种约束条件对归心基线的影响程度，揭示主要因素（新的归心基线、并址站分布、归心基线精度和特定的归心基线）对ITRF实现的影响规律和特征。可为实现更高精度的归心基线和ITRF提供理论基础和科学依据。

ITRF中并址站归心基线解算、GNSS观测数据质量评估、GNSS信号可用性评估、完好性监测等成为实现ITRF精度提高的主要因素。针对已有的理论、方法难以满足高精度ITRF建立的需求，本项目紧紧围绕这些关键研究方向与内容，构建了归心基线、两轴偏差等未知参数之间的多种约束条件，实现归心基线在ITRF中的整体解算；研究了GNSS数据处理策略和多种约束条件对归心基线的影响程度，得出归心基线引入能够显著提高ITRF解算质量；基于2018年和2019年的BDS-2和BDS-3广播星历和精密星历数据，全面比较和分析了星历误差、轨道误差和空间信号测距精度SISRE，得出BDS-3的轨道误差基本优于1.0 m；采用2020年至2021年的BDS广播星历数据，对BDS中的GEO、IGSO和MEO三类卫星进行了可用性和连续性评估。得出三类卫星可用性和连续性总体达到系统设计的指标要求；为了解决大旋转角三维坐标转换，只建立旋转矩阵中9个元素之间的约束条件，提出了附有约束条件的大旋转角三维坐标转换方法,该方法适用于任何角度旋转的空间直角坐标转换；开展了水平保护方法、最大水平精度因子法、近似径向误差保护方法三种RAIM可用性评估方法的数学模型及其特点，评估出在中国境内BDS的RAIM可用性高于GPS；提出了RAIM可用性评估的极大值方法（MM）。结果表明，MM耗时较少、理论严密、数学模型简单、易于进行程序设计，是另一种RAIM可用性评估方法；利用观测噪声构建的二次型矩阵特征，提出多故障RAIM的可用性评估的概况模型，该模型适用于单卫星、双卫星和多卫星故障的情况；顾及卫星信号硬件延迟（TGD）和北斗系统之间的系统偏差（ISB）时，推导了ARAIM的数学模型和VPL的计算公式。当考虑TGD和ISB的组合影响时，利用多假设解分离（MHSS）对ARAIM可用性的评估明显优于不考虑TGD与ISB组合影响或其单独考虑TGD或ISB时；进行了RAIM中基于单星故障的最小二乘残差法（WLS）和加权奇偶矢量法（WPV）这两种方法的数学模型和等价性证明，给出了其监测统计量。本项目三年的研究成果可为实现更高精度的ITRF及GNSS完好性监测、可用性评估提供理论基础和科学依据。

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