PANDA軟件在高頻數(shù)據(jù) P PP動(dòng)態(tài)定位中的應(yīng)用研究＊

陳克杰 方榮新 李 敏 祝會(huì)忠

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079)

PANDA軟件在高頻數(shù)據(jù) P PP動(dòng)態(tài)定位中的應(yīng)用研究＊

陳克杰 方榮新 李 敏 祝會(huì)忠

(武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,武漢 430079)

結(jié)合具體算例分析了 PANDA的定軌、鐘差計(jì)算精度,并利用 PANDA計(jì)算的軌道、鐘差產(chǎn)品,對汶川地震期間的高頻 GPS觀測數(shù)據(jù)實(shí)施動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位。結(jié)果表明,PANDA應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位中具有實(shí)時(shí)性強(qiáng),定位精度高等優(yōu)勢。

PANDA軟件;高頻 GPS;動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位;鐘差;實(shí)時(shí)性

1 引言

GPS精密單點(diǎn)定位 (Precise Point Positioning, PPP)采用單臺接收機(jī)獨(dú)立作業(yè),由于作業(yè)方式靈活,無需基準(zhǔn)站,被廣泛運(yùn)用于大地測量和地球動(dòng)力學(xué)研究。從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的角度,PPP可分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位,其中動(dòng)態(tài)定位模式可獲取測站的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)。隨著 GPS觀測精度和處理方法的不斷改進(jìn)和提高,高頻(1 Hz)和超高頻(20～50 Hz)GPS接收機(jī)的相繼出現(xiàn),高頻動(dòng)態(tài) PPP成為監(jiān)測瞬時(shí)地殼運(yùn)動(dòng)的有效手段之一[1-3]。

PPP需要采用精密軌道和鐘差產(chǎn)品,為了便于終端用戶研究,目前 IGS組織通過 Internet發(fā)布精密星歷、鐘差產(chǎn)品,主要分為 3種類型：超快速產(chǎn)品、快速產(chǎn)品、最終產(chǎn)品。它們的精度、時(shí)延、更新率、采樣間隔如表 1所示[4](本信息更新至 2011年 3月)。

由表 1可知,各種產(chǎn)品的軌道均達(dá)到 cm級精度,能夠滿足 cm級精密單點(diǎn)定位精度需求。但鐘差產(chǎn)品精度差別較大[5],如超快速產(chǎn)品的外推部分約為 3 ns,等效距離誤差約 0.9 m,對位置估值帶來的誤差影響較大。快速產(chǎn)品雖和最終產(chǎn)品精度相當(dāng),但分布的鐘差是 5分鐘采樣間隔。對于高頻GPS精密定位而言,觀測時(shí)刻的衛(wèi)星星歷和鐘差均需內(nèi)插得到,由于衛(wèi)星軌道變化平緩,一般采用拉格朗日多項(xiàng)式插值公式等方法即可內(nèi)插出觀測瞬間衛(wèi)星的精確位置,而衛(wèi)星鐘差存在短周期或不規(guī)則變化,其變化具有隨機(jī)性,若用 5分鐘采樣間隔的鐘差通過內(nèi)插用于高頻精密單點(diǎn)定位,很難滿足 cm級的定位精度要求。

除了 IGS提供的精密星歷、鐘差產(chǎn)品外,也可利用全球分布的 IGS觀測站數(shù)據(jù),自行對 GPS衛(wèi)星進(jìn)行定軌、獲取鐘差。目前較為著名的定軌軟件有BERNESE、EPOS、GAM IT、GIPSY等。武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合處理軟件(PANDA)在衛(wèi)星精密定軌、PPP等方面達(dá)到了國際著名軟件的同等水平[6,7],可應(yīng)用于衛(wèi)星精密定軌和動(dòng)態(tài)定位研究。

表1 IGS提供的軌道和鐘差產(chǎn)品信息Tab.1 Orbit and satellite clock information provided by IGS

PANDA軟件采用非差處理模式,數(shù)據(jù)編輯采取與Blewitt[8]一致的單站數(shù)據(jù)自動(dòng)方法,盡可能探測與修復(fù)周跳并剔除異常值。對未修復(fù)的周跳引入新的模糊度參數(shù),對未完全探測出的小周跳與粗差,在殘差編輯模塊的質(zhì)量控制中進(jìn)行處理。

PANDA軟件具備處理包括 GPS、SLR、KBR、衛(wèi)星姿態(tài)與加速度計(jì)等多種類型觀測數(shù)據(jù)的能力,這些數(shù)據(jù)可以單獨(dú)或聯(lián)合用來估計(jì)地面站坐標(biāo)、天頂延遲、GPS衛(wèi)星精密軌道與鐘差、低軌衛(wèi)星精密軌道、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等。

各類衛(wèi)星的定軌精度可以達(dá)到 cm級、地面跟蹤網(wǎng)的相對定位可達(dá)mm級。該軟件不僅可以應(yīng)用于我國一系列衛(wèi)星計(jì)劃,同時(shí)可以作為科研平臺,應(yīng)用于大地測量學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)

2008年 5月 12日 (年積日第 133天),汶川發(fā)生8.0級地震。GPS觀測站 XANY距震中約 570 km,其采樣率為 1 Hz,考慮到該站受地震的影響較大,為了捕捉到該點(diǎn)的同震形變,對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位。為驗(yàn)證 PANDA軟件在高頻動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位中的應(yīng)用價(jià)值,精密星歷和鐘差產(chǎn)品分別采用 IGS提供的最終產(chǎn)品、快速產(chǎn)品以及使用 PANDA軟件定軌得到的軌道、鐘差產(chǎn)品。本文選取全球均勻分布的 77個(gè) IGS站(圖 1)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌, IGS站的 GPS數(shù)據(jù)采樣間隔為 30 s。

圖1 IGS站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of IGS stations

2.2 定軌結(jié)果及精度分析

基于 IGS基準(zhǔn)站提供的 GPS觀測數(shù)據(jù),利用PANDA軟件的定軌模塊,對年積日 131～137的連續(xù) 7天數(shù)據(jù)進(jìn)行定軌,衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品間隔為 30 s,由于 1號衛(wèi)星因故停止服務(wù),該衛(wèi)星不參與計(jì)算。為了評價(jià)軌道和鐘差精度,將結(jié)果與 IGS提供的最終產(chǎn)品進(jìn)行比較。對于鐘差而言,由于二者基準(zhǔn)鐘選擇不同導(dǎo)致兩套鐘差之間存在系統(tǒng)性偏差,但是這種系統(tǒng)性偏差在定位中被模糊度和接收機(jī)鐘差吸收,不影響最終定位結(jié)果,本文以 2號衛(wèi)星作為基準(zhǔn)鐘。軌道和鐘差的RMS值按

計(jì)算。式中,Δi為第 i個(gè)歷元衛(wèi)星坐標(biāo) (鐘差)之差,為其平均值,n為歷元數(shù)。

表2給出了 31顆衛(wèi)星每天定軌的切向、法向、徑向以及三維的 RMS值的均值,表 3則給出了鐘差RMS值的均值。結(jié)果表明,與 IGS精密產(chǎn)品相比, PANDA軟件定軌精度穩(wěn)定、可靠,算例中,衛(wèi)星三維坐標(biāo)互差在 4 cm以內(nèi),鐘差在 0.13 ns左右。

2.3 動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果

利用 PANDA軟件的 PPP模塊,對XANY站進(jìn)行動(dòng)態(tài) PPP處理。鑒于比較定位結(jié)果的考慮,軌道和鐘差分別使用 IGS最終和快速產(chǎn)品以及 PANDA定軌產(chǎn)品,其中PANDA得到的產(chǎn)品以“WHU”作為前綴標(biāo)識。為便于提取同震形變,僅截取地震前后30分鐘的結(jié)果進(jìn)行比對。

表2 PANDA定軌結(jié)果與 IGS精密軌道互差 RM S均值(單位:cm)Tab.2 M ean RM S of differences between the orbit determ i nation results by PANDA and precise orbit provided by IGS(un it:cm)

表3 PANDA鐘差結(jié)果與 IGS精密鐘差互差 RM S均值Tab.3 M ean RM S of differences between satellite clock error results by PANDA and precise satellite clock error by IGS

圖2 利用 IGS最終軌道、30 s鐘差產(chǎn)品動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果Fig.2 Results of kinematic PPP by using the IGS final products of orbit and satellite clock error with 30 s interval

圖2～4給出了使用 IGS最終產(chǎn)品、快速產(chǎn)品以及WHU產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果。由圖 2～4可知,XANY站在地震前后水平方向上發(fā)生了明顯的位移,E方向達(dá) 22 cm左右,N方向達(dá) 30 cm左右。其中,使用 IGS最終產(chǎn)品得到的位移序列最為平滑,而 IGS快速產(chǎn)品由于只能提供 300 s鐘差,進(jìn)行高頻精密單點(diǎn)定位時(shí)鐘差內(nèi)插不準(zhǔn)確,導(dǎo)致定位精度很差,無法準(zhǔn)確反映同震形變信息,這也限制了IGS快速產(chǎn)品在高頻動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位中的應(yīng)用。使用WHU產(chǎn)品則能較好地提取形變信息,與 IGS最終產(chǎn)品高度吻合。IGS最終產(chǎn)品需要延遲 12～17天,而PANDA軟件定軌獲取WHU產(chǎn)品僅延遲7～8小時(shí),其時(shí)效性優(yōu)勢非常明顯。

圖3 利用WHU軌道、30 s鐘差產(chǎn)品動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果Fig.3 Results of kinematic PPP using the WHU products of orbit and satellite clock error of 30 s interval

圖4 利用 IGS快速星歷、300 s鐘差產(chǎn)品動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位結(jié)果Fig.4 Results of kinematic PPP by using the IGS rapid products of orbit and satellite clock errorwith 300 s interval

3 結(jié)語

1)PANDA軟件具有衛(wèi)星精密定軌、鐘差計(jì)算、精密單點(diǎn)定位等功能,且定軌和計(jì)算鐘差精度穩(wěn)定、可靠,其產(chǎn)品可進(jìn)一步應(yīng)用于精密單點(diǎn)定位,與 IGS最終產(chǎn)品相比,具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。在高頻動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位中其優(yōu)勢更加明顯,特別在地震瞬時(shí)獲取地殼形變方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

2)用 PANDA軟件生成的定軌產(chǎn)品,其鐘差采樣間隔為 30s,而對于高頻 GPS數(shù)據(jù) PPP處理而言,鐘差采樣率越高,其動(dòng)態(tài)定位精度也會(huì)隨之提高。因此,后續(xù)的研究將利用 PANDA軟件生成的更高采樣率的鐘差產(chǎn)品 (如 1 s采樣的鐘差),應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位。

1 孟國杰,等.GPS高頻數(shù)據(jù)處理方法及其在地震學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].國際地震動(dòng)態(tài),2007,343(7)：26-31. (Meng Guojie,et al.Data processing methods of high rate GPS and Its application to seis mology[J].Recent Developments inWorld Seismology,2007,43(7)：26-31)

2 方榮新,施闖,辜聲峰.基于 PPP動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的同震地表形變分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào) (信息科學(xué)版),2009,34 (11)：1 340-1 343.(Fang Rongxin,Shi Chuang and Gu Shengfeng.Precise point positioningwith high-rate GPS data applied to seismic displacements analysis[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2009,34 (11)：1 340-1 343)

3 方榮新.高采樣率 GPS數(shù)據(jù)非差精密處理方法及其在地震學(xué)中的應(yīng)用研究[D].武漢大學(xué),2010.(Fang Rongxin. High-rate GPS data non-difference precise processing and its application to seis mology[D].Wuhan University,2010)

4 IGS Products[DB/OL].http：//igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.ht ml.

5 馮義楷,等.GPS精密衛(wèi)星鐘差的計(jì)算模型研究[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2010,(2)：109-112.(Feng Yikai, et al.Study on calculation mode of precise GPS satellite clock error[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010, (2)：109-112)

6 M Ge,et al.Resolution of GPS carrier-phase ambiguities in Precise Point Positioning(PPP)with daily observations[J]. J Geod.,2008,82：389-399.

7 趙齊樂,等.用 PANDA對 GPS和 CHAMP衛(wèi)星精密定軌[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2005,(2)：113-117.(Zhao Qile,et al.Precise orbit determination of GPS and CHAMP satelliteswith PANDA software[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(2)：113-117)

8 Blewitt G.An automatic editing algorithm for GPS data[J]. Geophysical Research Letters,1990,17(3)：199-202.

RESEARCH ON APPL ICATI ON OF PANDA SOFTWARE TO HIGH FREQUENCY KINEMATIC PREC ISE PO INT POSITI ONING

Chen Kejie,Fang Rongxin,LiMin and Zhu Huizhong
(GNSS Research Center of W uhan University,W uhan 430079)

The precision of orbit determination and clock error computation of PANDA(Position And Navigation Data Analysis)is verified through experi ments.The high frequency GPS observation data during Wenchuan earthquake is processed by kinematic precise point positioning with the PANDA products of orbit and clock error. The results indicate that the advantages of using PANDA for high frequency kinematic precise point positioning are good in real time and of high accuracy.

PANDA software;high rate GPS;kinematic precise point positioning;clock error;real time

1671-5942(2011)04-0132-04

2011-03-16

國家自然科學(xué)基金(40904007);國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863)重點(diǎn)項(xiàng)目(2007AA120603)

陳克杰,男,1988年生,碩士研究生,主要從事 GPS數(shù)據(jù)處理與 GPS地震學(xué)研究.E-mail：chen@whu.edu.cn

P227

A