IGS軌道產品比較與分析

丁方

(同濟大學測繪與地理信息學院,上海 200092)

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IGS軌道產品比較與分析

丁方

(同濟大學測繪與地理信息學院,上海 200092)

摘要：針對IGS不同分析中心衛星軌道產品之間的差異,利用IGS提供的最終精密星歷和不同分析中心的精密星歷,采用七參數轉換模型計算坐標轉換參數,消除產品間的系統性偏差,比較分析了不同產品的隨機性誤差。在此基礎上,使用同一分析中心的衛星軌道和鐘差產品,將IGS最終精密星歷和鐘差的精密單點定位(PPP)解作為參考值,比較了不同分析中心衛星軌道和鐘差產品PPP解的點位誤差。算例表明,雖然不同分析中心的衛星軌道和鐘差產品存在差異,但是在采用同一分析中心的產品進行精密單點定位時,其定位結果的點位誤差均小于1 cm,表明了同一分析中心的軌道和鐘差產品具有一致性和自洽性。因此,用戶可以配套的使用IGS不同分析中心的衛星軌道和鐘差產品來代替IGS提供的最終產品,以得到高精度的定位結果。

關鍵詞：軌道產品;七參數轉換模型;隨機誤差;點位誤差

0引言

高精度的衛星軌道是實現精密單點定位的關鍵。在精密單點定位中,采用高精度衛星軌道、鐘差和單站觀測數據就可以實現厘米級甚至毫米級定位精度[1]。IGS的七個分析中心(CODE、NRCan、GFZ、ESA、NGS、JPL、SIO)利用全球的GNSS觀測數據,分別進行對應的數據處理與分析,并將處理結果發送給數據處理中心,然后綜合分析中心將七個分析中心的結果取加權平均值,得到最終的IGS產品(其中包括衛星軌道產品和衛星鐘差產品)[2]。

目前IGS所提供的精密星歷的精度已優于5 cm,衛星鐘差改正數誤差約為0.2～0.3 ns[3-4].由于不同分析中心所解算的鐘差結果相對于不同的參考鐘,由此引入了因參考基準不同的誤差,不同分析中心估計的衛星鐘差的RMS的一致性[4]大約為0.1～0.2 ns或3～6 cm[5].此外,由于不同分析中心所采用的參考站分布、數據的不同以及所考慮的誤差改正模型及所解算的參數并不完全一致,使得解算得到的GNSS衛星軌道產品存在系統性的偏差。因此消除不同分析中心的衛星軌道產品的系統性差異,分析不同衛星軌道產品的隨機性誤差,研究不同分析中心提供的衛星軌道和鐘差產品的定位精度,才能更好地使用這些產品,指導用戶實現高精度定位。

1數學模型

由于各個分析中心計算所得到的衛星軌道的參考框架不一致,首先要統一它們的參考框架。在七參數轉換模型中,公共點之間的關系表示為[6]

(1)

聯系人： 丁方 E-mail: 1335458@tongji.edu.cn

(2)

對式(2)不做近似處理,在構成誤差方程進行平差解算時,對式(1)在參數近似值處泰勒展開進行線性化

(3)

將每次計算出的參數改正值(δx0δy0δz0δμδαδβδγ)T加上上次計算時的參數近似值(x0y0z0μ0α0β0γ0)的和,作為本次參數近似值代入,第一次解算的近似值都設定為0,根據間接平差原理,

X=(δx0δy0δz0δμδαδβδγ)T

=(ATPA)-1(ATPl).

(4)

權陣P為單位陣,可以不斷迭代解出新的參數改正值,直到解算出的δx0,δy0,δz0,δμ都小于10-5而且δα,δβ,δγ都小于10-7為止。

2數據分析

本文采用了IGS分析中心2014年7月1日至7月31日31天的精密星歷與該時間段IGS最終的精密星歷,分別計算每天不同分析中心衛星軌道與IGS最終衛星軌道的轉換參數,將IGS最終衛星軌道作為參考值,消除了衛星軌道的系統性誤差,研究了衛星軌道的隨機性誤差,在此基礎上分析了不同分析中心對應軌道、鐘差產品的一致性和自洽性。

2.1軌道比較

從圖1可知,不同分析中心衛星軌道存在著一定的差異,其誤差小于5cm;在經過坐標轉換其后,衛星軌道的差異整體上有所減小,但仍然還存在著一定的系統性誤差。例如SIO衛星軌道坐標轉換前的平均RMS為3.134cm,轉換后的平均RMS為2.753cm.從圖2可知,在經過坐標轉換后的衛星軌道殘差除ESA外均表現出良好的隨機性,它反映了產品之間的隨機性誤差,而ESA則還存在著一個明顯的系統性誤差。對于本文所采用的數據,系統性的誤差在一定程度上影響了衛星軌道的精度,在定位時需要考慮它的影響。

圖1　不同分析中心衛星軌道轉換前后RMS

圖2　不同分析中心衛星軌道坐標轉換的殘差

2.2PPP結果比較與分析

衛星軌道和鐘差的精度都影響著精密單點定位的精度[2],因此本文采用2014年7月24日WTZR站的觀測數據,使用同一分析中心的軌道和鐘差產品進行精密單點定位,將IGS的定位結果作為參考值,計算其它分析中心的點位誤差,其結果如表1所示。

表1　WTZR站采用同一分析中心的軌道和鐘差產品的PPP結果

表1中,使用同一分析中心的衛星軌道和鐘差產品進行精密單點定位時,其定位結果與IGS最終衛星軌道和鐘差產品的定位結果的點位誤差均小于1 cm;除CODE外,其余均在2～3 mm,達到了精密單點定位的精度,這反映了不同分析中心的產品具有一致性和自洽性。實際中,在用戶進行精密單點定位時,由于IGS最終的軌道和鐘差產品是七個分析中心的結果取加權平均值,其發布時間晚于這七個分析中心的產品發布時間,在一定情況下完全可以使用七個中心的衛星軌道和鐘差產品來代替,也可以得到高精度的定位結果。

3結束語

本文研究了IGS不同分析中心衛星軌道產品存在參考框架的差異以及不同分析中心衛星軌道和鐘差產品的定位精度、自洽性。采用七參數模型,計算轉換參數,統一不同分析中心的衛星軌道的參考框架,比較了轉換前后的RMS,得出參考框架的差異影響了衛星軌道的精度。在此基礎上分析了不同分析中心的衛星軌道和鐘差產品的定位精度。本文算例表明,雖然不同分析中心的衛星軌道和鐘差產品存在差異,但當采用同一分析中心的產品進行精密單點定位時,其定位結果的點位誤差均小于1 cm,表明了同一分析中心的軌道和鐘差產品具有一致性和自洽性。在IGS最終衛星軌道和鐘差產品未發布前,用戶可以使用其他七個分析中心提供的衛星軌道和鐘差產品,同樣可以得到高精度的定位結果。

參考文獻

[1] VAN BREE R J P, TIBERIUS C, HAUSCHILD A. Real time satellite clocks in single-frequency precise point positioning[C]//IONGNSS-2009, Savannah, Sept, 2009: 22-25.

[2] GAO Yang, CHEN Kongzhe. Performance analysis of precise point positioning using real-time orbit and clock products[J]. Journal of Global Positioning System, 2004, 3(1):95-100.

[3] 劉經南,葉世榕.GPS非差精密單點定位技術探討[J].武漢大學學報·信息科學版,2002,27(3):234-240.

[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):409-412.

[5] GAO Yang, JAMES F M. Single-point GPS positioning accuracy using precise GPS data[J]. The Australian Surveyor,1997,42(4):185-192.

[6] 潘國榮,周躍寅.兩種坐標系轉換計算方法的比較[J].大地測量與地球動力學,2011,31(3):58-62.

丁方(1991-),男,本科，主要研究方向為GNSS數據處理。

Comparison and Analysis of IGS Precise Orbit Products

DING Fang

(CollegeofSurveyingandmapping,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:According to the different reference frame of satellite orbit products of IGS analysis centers, using final precise ephemeris and precise ephemeris respectively provided by IGS and its analysis centers, we adopt seven parameters transformation model to calculate the coordinate transformation parameters. Through seven parameters transformation, reference frames are unified. On this basis, using the same precise ephemeris and clock error products, taking precise point positioning (PPP) results of IGS final products as the reference, we analyze the positional error of different analysis centers’ products. Results show that, although there are some differences between the seven analysis centers, their positional errors are less than 1 cm. So products of the same analysis centers have consistency and self-consistency. Therefore, in certain cases users can take the products of the same analysis center to replace IGS final products. In this way, high precision positioning results can also be obtained.

Key words:Orbit products; seven parameters transformation model; random error; positional error

作者簡介

收稿日期：2015-06-23

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2015)06-0079-04

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.06.017