低軌衛星星載GPS數據分析

楊 霞，李建成

（武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079）

一、引 言

隨著GPS技術的開發和利用，星載GPS已成為當今低軌衛星發展的一項重要技術，CHAMP、GRACE等低軌衛星上都搭載了GPS接收機。Yunck等科學家提出了一種基于GPS觀測值的非動力（non-dynamic）軌道確定方法，又稱幾何法定軌［1］。隨著精密GPS衛星軌道及精密衛星鐘改正參數解算精度的提高，利用精密星歷（IGS）所提供的事后精密衛星軌道、精密衛星鐘改正信息和星載GPS雙頻觀測值對低軌衛星進行定軌已逐漸成為研究的熱點問題之一。對星載GPS觀測數據及星歷的正確分析是低軌衛星軌道確定的一個必要條件。本文分析了CHAMP、GRACE衛星星載GPS觀測數據的特點，計算了可視GPS衛星數目，并分析了精密星歷（IGS）、快速星歷（IGR）、超快速星歷（IGU）的特點及其切比雪夫擬合結果。

二、星載GPS觀測數據分析

GPS觀測值包括地面觀測值和星載觀測值，RINEX（receiver independent exchange）是目前國際通用的GPS數據交換格式，CHAMP、GRACE兩種低軌衛星用于事后處理的觀測數據文件分別采用2.10、2.20版本的RINEX格式。地面和星載GPS觀測數據如圖1、圖2所示。

圖1 地面GPS觀測數據示例

圖2 GRACE星載GPS觀測數據示例

1.星載GPS觀測數據特點

結合產品用戶手冊［2-4］，將星載GPS觀測數據與常規地面雙頻P碼數據對比，可以得出星載GPS觀測數據具有以下特點:

1）GRACE星載GPS觀測文件命名方式為:PRDID_YYYY-MM-DD_S_RL.EXT，依次對應產品標識項、年、月、日、GRACE衛星標識符、數據產品版本號、文件擴展名。如 GA-OG-1B-GPSDAT+JPLGPS1B_2010-09-01_A_01.dat，表示 2010年 9月 1日GRACE A的01版本、二進制格式的星載GPS觀測數據。而地面GPS觀測文件命名方式為:ssssdddn.yyt，依次對應4位測站名、觀測時間的3位年積日、測站觀測當天測段序列號、2位表示的年及文件種類。如dlft0010.08d，表示dlft站2008年第001個年積日的壓縮RINEX格式，測段號為1。JPL給出的GRACE Level1B星載GPS觀測數據（*.dat）是二進制格式的，需利用GPS1X2RNX軟件轉換為RINEX格式（*.rnx）；常規地面GPS觀測數據給出的是壓縮RINEX格式（*.YYd），需利用CRX2RNX軟件轉換為標準RINEX格式（*.YYo）；GFZ給出的CHAMP星載GPS觀測數據是RINEX格式，無需進行轉換，如CH-OG-1-SST+2010_244_00_R.9.rnx。

2）目前，CHAMP、GRACE衛星只搭載了 GPS接收機，因而只有GPS觀測值；而地面站除GPS觀測數據外，還有GLONASS數據，如圖1所示。其中，GPS衛星用G表示，GLONASS衛星用R表示，若還包含Galileo衛星，則用E表示。

3）星載GPS觀測值與常規地面GPS觀測值一樣具有（L1 L2 C1 P1 P2 S1 S2）7個觀測值類型，但這里L1指的是CA通道上的載波相位觀測值。此外，還多了（LP1 SA）兩個觀測值類型，LP1指L1上的相位觀測值，SA指CA通道的信噪比（signal to noise ratio，SNR）。對于常規地面觀測值，原始信號強度sn_raw的單位是dBHz，RINEX信號強度標識sn_rnx為0～9，它們的轉換關系是sn_rnx=min（max（int（sn_raw/6），1），9）。對于星載GPS觀測值，原始信號強度的單位是V/V（Volts/Volts），RINEX信號強度標識sn_rnx為0～9，二者之間的對應關系為

4）CHAMP星載GPS觀測數據中沒有失鎖標識符（loss of lock indicator，LLI）和反欺騙（antispoofing，AS）標識，也沒有信號強度標識。GRACE星載GPS觀測數據有LLI標識和信號強度標識。

5）CHAMP星載GPS觀測數據和GRACE Level 1 B星載GPS觀測數據采樣率為10 s，常規地面GPS觀測數據則有30 s采樣率、10 s采樣率及1 s采樣率。

2.星載GPS衛星可視性分析

地面上利用GPS定位必須至少觀測4顆GPS衛星［5］，低軌衛星上利用GPS定軌也必須滿足這一條件。文中選取10 s采樣率的實際觀測數據，計算了一天時間內的衛星可視性狀況。

圖3是2010年9月1日全天可視衛星數目變化，歷元間隔10 s。

圖3 24 h星載GPS可視衛星數目變化

由圖3可以看出，星載GPS可視衛星數目范圍集中在4到10顆，且大多數時間可以保證至少6顆衛星可視，這完全可以滿足GPS定位的需要。筆者也對其他日期的數據進行了計算，結果類似。由圖3還可以看出，GRACE A觀測的GPS衛星數目最多，GRACE B次之，CHAMP最少。此外，GRACE B出現了可視GPS衛星只有一顆的歷元，這一時刻可以采用軌道擬合或自主定軌的方式進行彌補。

三、星載GPS精密星歷分析

目前IGS中心（ftp:∥igs.ensg.ign.fr）向全球用戶提供3種星歷類型:精密星歷（IGS）、快速星歷（IGR）、超快速星歷（IGU），其相關信息見表 1［6］。幾何法定軌依賴于高精度的GPS衛星軌道和鐘差，有了這兩個參數，這一方法將變得非常簡單、可靠。IGS超快速產品的開發和精度進一步提高，可用于低軌衛星實時或近實時定軌，極大地滿足了諸如衛星導航和近實時大氣監測等任務的需要［7-8］。

表1 IGS提供的GPS衛星星歷和鐘差產品（2009年更新）

IGS精密星歷用SP3格式給出了15 min等間隔點上的衛星位置和衛星鐘差，衛星軌道屬于ITRF參考框架。軌道精度由高到低依次為IGS星歷、IGR星歷、IGU星歷；實時性則恰好相反［9］。而星載GPS觀測數據的采樣間隔為10 s，因而要通過插值的方式將精密星歷進行處理。研究表明，采用10階切比雪夫擬合的方法可以獲取精度較高的IGS精密星歷［10］。文中采用10階切比雪夫擬合的方法對2010年9月1日全天的IGR、IGU星歷進行了擬合，并與IGS最終星歷進行比較，結果如圖4～圖7所示，其中歷元間隔15 min。

圖4 IGR精密星歷擬合結果

圖5 IGU預報星歷擬合結果

圖6 IGU精密星歷擬合結果

圖7 重組的IGU精密星歷擬合結果

由圖4可以看出，10階切比雪夫擬合后的IGR星歷 x、y、z 3個方向與 IGS最終星歷的殘差在2.5 cm以內，且大部分時間擬合殘差小于1.5 cm，全天的擬合殘差隨機震蕩，x、y、z 3個方向精度沒有明顯差異。

IGU星歷每天發布4次，間隔6 h，每個星歷文件軌道弧長48 h，前24 h是基于跟蹤站的觀測值計算得到的精密星歷，而后24 h星歷則是外推預報得到的預推星歷，預報星歷帶有標識符“P”，如圖8所示。同一時段可以利用的IGU星歷不是唯一的，因而應用起來更靈活，可以根據需要在實時性與精度之間選擇。

圖8 超快速星歷

首先利用2010年9月1日前一天發布的最早預報星歷進行擬合，結果如圖5所示。IGU預報星歷擬合殘差在50 cm以內，這超過了廣播星歷的100 cm［6］的精度，可以利用其對基線進行解算，初步獲得點坐標。此外，擬合預報星歷在前6 h精度較高，但隨著時間的推移誤差呈增大趨勢，特別是最后6 h急劇增大，這也體現了預報星歷時刻越遠精度越差的特性。

再利用2010年9月1日03:00:00發布的IGU星歷中前24 h的精密星歷進行擬合，結果如圖6所示。IGU精密星歷擬合殘差在6 cm以內，前6 h擬合精度最高，不超過1 cm，隨著時間的推移擬合殘差呈增大趨勢，這也與星歷本身的精度變化一致。

然后利用2010年9月1日發布的4個IGU星歷文件中的前6 h進行組合，得到2010年9月1日全天的精密星歷，對其進行擬合，結果如圖7所示。組合IGU精密星歷擬合殘差在1.5 cm以內，且大多數時間不超過1 cm。此外，在文件組合歷元殘差發生跳變，說明利用一天發布的這4個IGU星歷對精度不斷進行修正，從而避免了圖6中出現的殘差增大趨勢。

圖5～圖7的切比雪夫擬合結果顯示，IGU星歷x、y、z 3個方向與IGS最終星歷的殘差均在厘米級，且與星歷本身精度變化相符，這也從另一個方面說明了擬合方法的有效性。實際應用中，當對星歷精度要求不是特別嚴格，希望獲得實時結果，或者暫時不能獲得IGS最終星歷時，可以利用IGU星歷代替最終星歷，以滿足低軌衛星定軌的需要。

四、結束語

星載GPS觀測數據及GPS星歷質量直接決定了利用星載GPS進行定軌的精度。本文研究表明，星載GPS實際可視衛星數目大部分時間超過4顆，能夠滿足定位需要；IGS中心發布的IGR、IGU星歷經過10階切比雪夫擬合后精度保持在厘米級；最終星歷精度最高，但時延較長，而超快速星歷可實時獲得，且擬合后精度可以滿足低軌衛星實時軌道確定的要求。在實際應用中，可以根據具體需要選擇IGS、IGR或者IGU星歷。本文只是針對觀測數據和星歷本身進行分析，沒有具體應用到定位定軌中，如何更好地應用這些數據進行低軌衛星定軌是下一步需要研究的重點。

［1］ THOMAS Y P，WILLIAM M G，THDENTON C L.GPS-based Satellite Tracking System for Precise Positioning［J］.IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing，1985，GE-23（4）:450-457.

［2］ GURTNER W.RINEX:The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10 ［EB/OL］.2007-12-10［2011-10-10］. ftp:∥ ftp.unibe.ch/aiub/rinex/rinex210.txt.

［3］ K?HLER W.RINEX Format Observable Extensions for CHAMP SST Data［EB/OL］.2001-06-26［2011-11-18］.http:∥op.gfz-potsdam.de/champ/docs_CHAMP/CHRINEX-EXT.html.

［4］ CASE K，KRUIZINGA G，WU S C.GRACE Level 1B Data Product User Handbook ［EB/OL］.2010-03-24［2011-11-18］.http:∥isdc.gfz-potsdam.de/grace.

［5］ 黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球導航衛星系統原理與應用［M］.北京:測繪出版社，2007:95-96.

［6］ IGS Products［EB/OL］.2009-07-18［2011-10-08］.http:∥igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html.

［7］ 易重海，陳永奇，朱建軍，等.一種基于IGS超快星歷的區域性實時精密單點定位方法［J］.測繪學報，2011，40（2）:226-231.

［8］ 吳江飛.星載GPS衛星定軌中若干問題的研究［D］.上海:中國科學院上海天文臺，2006:2-3.

［9］ 程新民.IGS超快速星歷精密軌道精度分析［J］.山西建筑，2007，33（19）:357-358.

［10］ 楊霞，黨亞民，成英燕，等.GNSS多衛星系統數據預處理方法研究［J］.大地測量與地球動力學，2009，29（1）:101-105.