采用超快星歷中實測鐘差進行精密單點定位精度分析

李夫鵬,張超

(信息工程大學導航與空天目標工程學院,鄭州 450052)

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采用超快星歷中實測鐘差進行精密單點定位精度分析

李夫鵬,張超

(信息工程大學導航與空天目標工程學院,鄭州 450052)

摘要：超快星歷是國際GNSS服務(IGS)發布的一種精密星歷文件。它不僅含有精度不低于5 cm的衛星軌道數據,而且包含了24 h的實測鐘差數據以及24 h的預報鐘差數據,其中實測鐘差數據的精度約為0.15 ns.實驗結果表明:若采用超快星歷中實測鐘差進行精密單點定位,當觀測數據觀測時段為1 h時,定位誤差小于0.96 m;當采用2 h觀測數據時,定位精度優于0.18 m;若觀測數據時間長度增加到4 h,能進行不低于8 cm的精密單點定位。

關鍵詞：精密單點定位;超快星歷;鐘差;插值

0引言

GPS精密單點定位技術(PPP)是指在高精度衛星鐘差和衛星星歷等IGS產品的支持下,對單個測站的非差偽距或載波相位觀測值進行處理,獲得厘米級甚至毫米級定位結果的一種GPS定位技術[1]。精密衛星星歷和衛星鐘差是由IGS提供的高精度事后產品。這些產品雖然精度較高,但是用戶并不能實時獲取這些數據文件。精度最高的精密星歷和精密鐘差文件每12天至14天才更新一次;精度較高的快速星歷和快速鐘差文件每2天更新一次;雖然IGS提供了更新時間間隔為6 h的超快星歷文件,但是這種星歷中包含的鐘差數據采樣間隔為15 min,用于精密單點定位時一般需要做插值處理[2-4]。

超快星歷是由全球8個IGS數據處理中心綜合加權得到的一種精密星歷,更新的時間延遲是3個小時。目前超快星歷中實測衛星軌道數據的精度約為3 cm,預推軌道數據精度約為5 cm;超快星歷中含有48 h的鐘差數據,其中前24 h為實測數據,后24 h為外推數據。超快星歷中鐘差的實測部分精度能夠達到0.15 ns,而預報部分精度為3 ns[5-8].本文嘗試提取超快星歷中的衛星鐘差數據的實測部分,并對15 min采樣間隔的鐘差數據進行插值,然后，將插值結果做成標準格式鐘差數據文件用于精密單點定位,最后分析了其定位精度。

1鐘差內插

1.1數據處理流程

超快星歷中衛星鐘差數據的采樣間隔是15 min,而精密單點定位軟件使用的鐘差數據的采樣間隔一般為5 min.首先將15 min采樣間隔的鐘差數據線性插值為5 min時間間隔的數據;將插值后的鐘差數據做成軟件能夠識別的標準格式數據文件;采用生成的鐘差文件以及超快星歷文件進行精密單點定位解算。基本的數據處理流程如圖1所示。

圖1　數據處理流程

資助項目： 國家自然科學基金(批準號：41174025,41174026)

聯系人： 李夫鵬 E-mail: 415179945@qq.com

1.2內插的基本原理

(1)

它具有以下性質:

1) φj(t)可以分段表示,在每個小區間(ti,ti+1)上是線性函數;

2) φj(ti)=f(ti)(i=0,1,2,…,n);

利用該函數將超快星歷中n組15min時間間隔插值成3n組5min時間間隔的鐘差數據,這是線性插值方法的基本原理。

2精密單點定位結果分析

2.1實驗數據

選擇我國境內2個IGS站點(BJFS、WUHN)以及韓國2個IGS永久跟蹤站(SUWN、DAEJ)共4個站點2015年5月20日的GPS原始觀測數據進行實驗。站點觀測數據采樣間隔為15 s,觀測時間為24 h.下載IGS當天發布的超快星歷文件igu18453-18.sp3并對其進行鐘差提取、鐘差內插,將插值結果做成標準格式鐘差文件用于精密單點定位解算。

實驗采用瑞士伯爾尼大學研發的Bernese軟件進行精密單點定位解算,將4個站點GPS周第1 845周的周坐標作為已知坐標,同實驗結果進行比對,確定實驗結果的精度。

為研究原始數據觀測時間長度對解算精度的影響,實驗采用預處理軟件在4個站點的原始數據中截取1 h、2 h、4 h時長的實驗數據,分別進行靜態精密單點定位解算。

2.2一小時數據解算結果

分別在BJFS、WUHN、SUWN、DAEJ四個測站原始觀測數據中截取16個時段的觀測數據,每個時段觀測時間長度為1 h,提取igu18453-18.sp3中的實測鐘差數據并對其進行插值,生成標準格式預報鐘差文件。該鐘差文件中2015年5月20日18時之前的鐘差數據均為實測鐘差。采用生成的實測鐘差文件分別對四個測站1 h的實驗數據進行精密單點定位解算。將解算結果同BJFS、WUHN、SUWN、DAEJ四個站點GPS周第1 845周的周坐標對比,X、Y、Z方向的實際解算誤差由圖2所示。

圖2　各站點1 h數據定位誤差 (a) BJFS; (b) DAEJ; (c) SUWN; (d) WUHN

由圖2可知,若采用超快星歷中實測鐘差進行精密單點定位,當觀測時間為1 h時,定位誤差小于0.96 m,且93.8%的數據定位誤差在0.5 m以內。因此,超快星歷中的實測鐘差可以對1 h時長的GPS觀測數據進行分米級的精密單點定位。

2.3兩小時數據解算結果

圖3　各站點2 h數據定位誤差(a) BJFS; (b) DAEJ; (c) SUWN; (d) WUHN

分別在BJFS、WUHN、SUWN、DAEJ四個測站原始觀測數據中截取8個時段的觀測數據,每個時段觀測時間長度為2 h,提取igu18453-18.sp3中的實測鐘差數據并對其進行線性插值,生成標準格式預報鐘差文件,采用生成的實測鐘差文件分別對四個測站2 h的實驗數據進行精密單點定位解算。將解算結果同BJFS、WUHN、SUWN、DAEJ四個站點GPS周第1 845周的周坐標對比,X、Y、Z方向的實際解算誤差由圖3所示。由圖3可知,若采用超快星歷中實測鐘差進行精密單點定位,當使用2 h觀測數據時,各方向分量精度優于0.18 m,定位精度高于0.1 m的數據數量為總數的87.5%.因此,超快星歷中的實測鐘差可以對2 h時長的GPS觀測數據進行不低于0.18 m的精密單點定位。

2.4四小時數據解算結果

分別在BJFS、WUHN、SUWN、DAEJ四個測站原始觀測數據中截取4個時段的觀測數據,每個時段觀測時間長度為4 h.采用實測鐘差文件分別對四個測站4 h的實驗數據進行精密單點定位解算,將解算結果同BJFS、WUHN、SUWN、DAEJ四個站點GPS周第1 845周的周坐標對比,X、Y、Z方向的實際解算誤差以及測站的RMS值如表1所示。

表1　4 h觀測數據定位誤差

續表

通過表1可以看出,當GPS原始觀測數據觀測時間長度達到4 h時,采用超快星歷中實測鐘差進行精密單點定位的RMS值均小于8 cm,其中75%的數據定位精度優于5 cm.可以得出結論:超快星歷中的實測鐘差可以對4 h時長的GPS觀測數據進行厘米級的精密單點定位。

3結束語

本文提取了超快星歷中的實測鐘差并對鐘差數據進行了插值,將插值結果做成軟件能夠識別的標準格式鐘差文件,使用生成的實時鐘差文件以及實時獲取的超快星歷文件進行了精密單點定位解算。實驗分別采用了不同時間長度的觀測數據來測試觀測時間對定位精度的影響。結果表明,若采用超快星歷中的實測鐘差進行精密單點定位,當使用1 h觀測數據進行定位時,據定位精度能夠達到分米級;當使用2 h觀測數據時,精密單點定位精度提高到0.18 m;當原始數據觀測時間長度為達到4 h以上時,可以進行厘米級的精密單點定位。

參考文獻

[1]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.

[2]洪櫻,歐吉坤,彭碧波.GPS衛星精密星歷和鐘差三種內插方法的比較[J].武漢大學學報·信息科學版，2006,32(6):516-518.

[3]劉朋姣,基于IGU星歷的實時衛星鐘差加密方法研究[J].全球定位系統,2010(6):35.

[4]韓保民,歐吉坤.基于GPS非差觀測值進行精密單點定位研究[J].武漢大學學報·信息科學版，2003,28(4):409-422.

[5]江楠,徐天河,許艷. 一種無需精密鐘差的實時精密單點定位方法[J].中南大學學報·自然科學版,2013,44(11):4521-4525.

[6]聶建亮,楊元喜,吳富梅.一種基于改進粒子濾波的動態精密單點定位算法[J].測繪學報,2010,39 (4):338-343.

[7]張小紅,劉經南. 基于精密單點定位技術的航空測量應用實踐[J].武漢大學學報·信息科學版,2006,31(1):19-22.

[8]易重海,朱建軍,陳永奇,等.顧及衛星鐘差插值誤差的GPS精密單點定位觀測值隨機模型[J]. 武漢大學學報·信息科學版,2010,35(10):1165-1168.

李夫鵬(1990-),男,山東曲阜人,碩士生,主要從事GNSS精密數據處理及應用研究。

張超(1972-),男,吉林白城人,教授,主要從事空間大地測量研究。

Analyzing Precise Point Positioning Precision by Using the

Measured Clock Difference in Ultrafast Ephemeris

LI Fupeng,ZHANG Chao

(CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,Universityof

InformationEngineering,Zhengzhou450052,China)

Abstract:Ultrafast ephemeris is a precision ephemeris file International GNSS Service (Internati onal GNSS service, IGS) provided. It not only contains the satellite orbital data accuracy no less th an as 5 cm, and contains measurement clock difference data at 24 h and forecast clock difference data at 24 h, in which the accuracy of the measured data clock difference of about 0.15 ns. A large number of experimental results show that if Precise Point Positioning using the measured clock dif ference in ultrafast ephemeris, when the length of observation data is 1 h, it can decimeter level po sitioning. When using 2 h observational data, excellent positioning accuracy to 0.2 m. If the data observation time length add to 4 h, you can centimeter precise point positioning.

Key words:Precise Point Positioning; ultrafast ephemeris; clock error; interpolate

作者簡介

收稿日期：2015-06-12

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0064-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.05.013