精密鐘差天跳變影響及消除方法研究

郭向欣，李 敏

（武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，武漢 430079）

1 引言

精密單點定位是采用單臺雙頻全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）接收機的觀測數據，并利用后處理的高精度衛星星歷和鐘差產品進行定位［1］。與差分定位比較，精密單點定位有不需要引入基準站坐標、可直接反映測站點位移信息、保留所有觀測值信息等諸多優勢。目前，隨著GNSS接收機采樣率的不斷提高和定位技術的不斷進步，GNSS精密單點定位精度已達毫米級［2］，它逐漸廣泛應用于地震形變監測等領域［3－4］。

通常，精密單點定位需要的高精度衛星星歷和鐘差產品是由全球衛星導航系統國際服務協會（international global navigation satellite system service，IGS）組織發布的，其鐘差產品的時間序列在天與天的交接處存在納秒級的天跳變現象［5］，這會導致測站定位結果產生厘米級的天跳變影響。天跳變現象發生在零點時刻，在研究過程中往往被忽略，這不利于分析同震地表形變，對確定地震發生時刻也會造成錯誤判斷。

目前，國內外學者對IGS精密鐘差產品天跳變現象的研究并不多。文獻 ［6］增長了鐘差解算的弧段，即利用多天觀測數據聯合解算來獲得連續的精密鐘差產品，同時采用模糊度疊加的方法減小天與天之間數據的獨立性。文獻 ［7］發現多路徑效應對天跳變影響并不顯著，從偽距噪聲角度，消除硬件延遲變化、電纜連接器反射和一些非幾何因素的近場影響，從而消除了衛星鐘差的天跳變，保證了時間傳遞的連續性。文獻 ［8］提出連續實時載波相位時頻傳遞方法，此方法基于參數先驗信息的貝葉斯估計法，利用單差觀測值解算可以得到連續的鐘差序列。這些方法均可有效的消除天跳變現象，但是算法復雜、數據量大、效率較低。本文針對IGS精密鐘差產品的天跳變現象產生原因，提出了采取基于連續觀測數據定軌解算衛星鐘差進行動態精密單點定位的方法。

2 IGS精密鐘差天跳變影響

2.1 天跳變對精密單點定位的影響

2013－04 －20四川省雅安市蘆山縣發生7.0級地震，地震后中國地震局根據IGS快速軌道文件，迅速發布了地震發生時刻為T 00：02：48的結果［9］。本文根據武漢大學自主研發的PANDA軟件，其定位精度可以達到毫米級［10］，基于 “中國大陸構造環境監測網絡”（簡稱 “陸態網絡”）基準站1 Hz采樣率的觀測數據，采用IGS提供的精密衛星星歷和采樣間隔為30s的鐘差產品，進行GNSS動態精密單點定位，以分析蘆山地震附近四川小金（SCXJ）基準站的同震地表形變。對該站2013－04－19—20的連續觀測值進行動態定位解算，定位結果如圖1所示。

圖1 SCXJ站根據IGS產品計算E、N、U方向的運動曲線圖

從圖1可以看出，在連續解算2013－04－19—20 2d的定位結果中，E、N、U方向于2013－04－20 T 00：00：00（UTC時間，地震發生前3min）均發生明顯偏移，其中E方向偏移3cm，N方向偏移1cm，U方向偏移6cm。通過與地震局發布的地震時刻比對，發現主震不是該時刻，因而這樣的跳變對地震同震形變的分析帶來干擾。分析表明，該跳動時刻正好位于T 00：00：00，產生的原因應由IGS精密鐘差產品在天與天交接時刻的不連續性（天跳變現象）引起，從而會影響GNSS動態精密單點定位解算的精度和準確性，對定位的影響達到厘米級，嚴重干擾對基準站同震地表形變的分析，乃至對地震發生時刻和位置產生錯誤的判斷。

2.2 天跳變現象

由于采樣間隔為30s的IGS鐘差產品間隔較大，不利于對IGS精密鐘差產品的連續性進行分析，所以本文對鐘差解算策略相同的采樣間隔為5s的歐洲定軌中心（center for orbit determination in Europe，CODE）鐘差產品進行分析。由SCXJ站2013－04－20T00：00：00的觀測值數據可得，此時刻共觀測到8顆衛星，觀測衛星在2013－04－20T00：00：00前后1min的鐘差序列圖如圖2所示。

從圖2可以看出，觀測到的全部衛星的鐘差在T 00：00：00時刻均有顯著的跳動。這種IGS精密鐘差的時間序列在天與天交接處出現跳變的現象，稱為 “天跳變”現象。鐘差產品的天跳變現象，不僅會影響高精度的定位結果分析，還對利用GNSS精密單點定位進行高精度時間傳遞和時間同步服務等多個領域造成不可忽視的影響［10］。

3 IGS精密鐘差天跳變消除方法

3.1 天跳變生成原因

IGS精密鐘差產品生成天跳變的現象主要有兩個原因［5］，其一：IGS的衛星星歷、精密鐘差等產品的解算策略是按天提供并且以單天為弧段進行計算，每天的初始條件、大氣誤差影響、多路徑誤差影響等不盡相同，這導致接收機鐘差吸收了其他誤差源造成的系統誤差，而衛星鐘差為相對量，導致相鄰兩天的接收機鐘差存在跳變，進而直接導致IGS精密鐘差產品出現天跳變現象。其次，計算初始鐘差的GNSS偽距的觀測精度（噪聲）也是主要原因。偽距噪聲不是一個單純的白噪聲過程，它還受到多路徑效應影響以及各種各樣的儀器誤差影響，這些誤差也會被接收機鐘差吸收，從而產生天跳變現象。

3.2 天跳變消除方法

分析表明，天跳變的原因主要由于鐘差計算分弧段計算引起，因此本文采取IGS跟蹤站原始觀測數據計算重新估計衛星鐘差將可從根本上消除該影響。利用PANDA軟件，根據全球均勻分布的80個IGS跟蹤站數據，采用包含零點時刻的連續的觀測值文件，進行鐘差解算，得到包含零點時刻的連續衛星星歷和連續鐘差產品。在鐘差估計過程中，衛星軌道固定為IGS精密軌道，由于軌道動力學平滑特性，其天跳變基本可以忽略，衛星鐘差的解算策略［11］如表1所示。

圖2 觀測衛星的鐘差時間序列圖

3.3 算例分析

基于 PANDA 軟件采用2013－04－19T18：00：00—04－20T00：06：00 的12h連續觀測值數據，根據上述方法進行高精度鐘差確定，得到采樣間隔為30s的精密衛星鐘差文件。采用自行解算得到的精密鐘差文件，對SCXJ基準站2013－04－19—20的連續觀測值進行動態定位解算，并與根據IGS鐘差產品解算的定位結果進行對比，定位結果如圖3所示。

從圖3可以看出，根據連續觀測數據精密定軌解算的衛星鐘差文件解算的定位結果，E、N、U方向于2013－04－20T00：00：00沒有發生明顯偏移。與根據IGS鐘差產品解算的定位結果相比較，利用重新估計衛星鐘差所得的序列表明，動態定位序列連續變化。但由于該地震在SCXJ站的同震形變?。?2］，直接從定位序列難以看出，為進一步分析地震發生前后的測站同震地表形變，將定位結果做一次差，測站根據IGS鐘差和定軌解算鐘差計算E、N、U方向的前后歷元位置差時序變化如圖4所示。

表1 衛星鐘差解算策略

圖3 SCXJ站根據IGS鐘差和定軌解算鐘差計算E、N、U方向的運動曲線圖

從圖4可以看出，根據定軌解算鐘差計算測站前后歷元位置差序列，在T 00：00：00沒有發生跳變，并且可以有效探測地震對測站造成的形變，避免鐘差天跳變現象對分析同震地表形變的干擾。根據IGS鐘差產品解算的測站前后歷元位置差序列，在T 00：00：00U方向有顯著跳變，但是在E、N方向僅有微弱跳變，這是由于計算過程中觀測數據是1s采樣間隔，而衛星鐘差是30s采樣間隔，動態歷元解算過程將鐘差插值，故而跳變不明顯。綜上所述，利用連續觀測數據精密鐘差確定獲取的衛星鐘差產品進行動態精密單點定位，可有效避免IGS精密鐘差產品天跳變現象的影響，同時其定位結果是準確和有效的。

圖4 SCXJ站前后歷元位置差時序圖

4 結束語

本文對IGS精密鐘差產品的天跳變現象進行了分析，由于鐘差序列在天與天交接時刻可以達到納米級的跳變，這對高精度的精密單點定位以及高精度的時間傳遞和時間同步服務影響非常顯著，是不可忽略的。與此同時，針對IGS精密鐘差天跳變生成的主要原因，提出根據連續觀測數據估計精密鐘差產品的方法?；赑ANDA軟件，采用改進的歷元間差分精密鐘差估計方法解算得到連續的精密鐘差，并且采用此鐘差對SCXJ基準站觀測值進行動態單歷元解算，結果表明此方法可以有效的避免IGS精密鐘差產品天跳變影響，從而保證分析基準站同震地表形變的精度，準確性與連續性。

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