IGS實(shí)時服務(wù)的車載動態(tài)偽距差分定位精度分析

王高靖，史俊波，李宗華，郭際明，彭明軍，高　山

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢市國土資源和規(guī)劃局，湖北 武漢 430014；

3. 武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014)

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IGS實(shí)時服務(wù)的車載動態(tài)偽距差分定位精度分析

王高靖1，史俊波1，李宗華2，郭際明1，彭明軍3，高山3

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 武漢市國土資源和規(guī)劃局，湖北 武漢 430014；

3. 武漢市國土資源和規(guī)劃信息中心，湖北 武漢 430014)

Accuracy Analysis of GPS Code-based Vehicle Positioning Based on IGS Real-time Service

WANG Gaojing,SHI Junbo,LI Zonghua,GUO Jiming,PENG Mingjun,GAO Shan

摘要：IGS于2013年4月正式發(fā)布針對GPS/GLONASS廣播星歷的實(shí)時改正數(shù)產(chǎn)品，進(jìn)一步擴(kuò)展了實(shí)時精密定位的應(yīng)用領(lǐng)域。目前對IGS實(shí)時改正數(shù)的研究主要集中在精密單點(diǎn)定位、GPS氣象等方面，還沒有動態(tài)差分定位方面的研究。本文首先分析了IGS實(shí)時軌道和時鐘改正數(shù)的精度，然后對其用于車載動態(tài)偽距差分定位的精度進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，IGS實(shí)時軌道精度可以達(dá)到5 cm，時鐘精度在0.5 ns以內(nèi)；使用IGS實(shí)時服務(wù)的車載動態(tài)偽距差分定位平面精度可以達(dá)到亞米級，高程精度優(yōu)于1.5 m。

關(guān)鍵詞：IGS實(shí)時服務(wù)；軌道精度；時鐘精度；車載動態(tài)偽距差分定位

自1994年以來，IGS為全球GNSS用戶提供精密衛(wèi)星軌道、時鐘產(chǎn)品。但I(xiàn)GS精密產(chǎn)品有一定的時延，其中，最終星歷需要13 d，快速星歷需要7 d，這限制了一些高精度(近)實(shí)時的應(yīng)用[1-3]。2013年4月1日，IGS實(shí)時服務(wù)(real-time service,RTS)正式提供針對GPS/GLONASS廣播星歷(衛(wèi)星軌道和時鐘誤差)的改正數(shù)據(jù)。IGS官方聲明(http:∥rts.igs.org/)和已有研究表明，IGS實(shí)時改正數(shù)的軌道精度為4～8 cm，鐘差精度為0.2～0.8 ns[4-5]。

目前對于IGS RTS的研究集中在精密單點(diǎn)定位和GPS氣象方面，研究結(jié)果表明，實(shí)時改正數(shù)可以滿足精密單點(diǎn)定位的精度要求[6]，也可以滿足水汽監(jiān)測應(yīng)用的需求[7]。但是，目前還沒有動態(tài)差分定位方面的研究。因此，研究IGS實(shí)時改正數(shù)在車載動態(tài)差分定位應(yīng)用(如交通測速和車載導(dǎo)航)中的定位性能，具有很好的實(shí)用價值。本文首先以IGS最終星歷為參考，分析了實(shí)時軌道和鐘差改正數(shù)的精度，然后對IGS實(shí)時改正數(shù)用于車載動態(tài)偽距差分定位的定位精度進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用IGS實(shí)時改正產(chǎn)品的車載偽距差分可以達(dá)到平面亞米級和高程優(yōu)于1.5 m的精度。

一、IGS實(shí)時軌道和鐘差改正數(shù)

1. 軌道改正數(shù)

IGS實(shí)時改正數(shù)的軌道改正數(shù)是對衛(wèi)星軌道在星固系下徑向、切向和法向的改正值(下文中的dR、dA、dC)[8]，而用戶所需的衛(wèi)星位置是在地固系中的坐標(biāo)。因此需要先將改正數(shù)從星固系轉(zhuǎn)換至地固系，然后對廣播星歷計算出的地固系坐標(biāo)進(jìn)行改正。

首先，由衛(wèi)星位置和速度計算出衛(wèi)星相對地心在切向、法向和徑向上的單位向量eA、eC、eR

(1)

式中，Vsat和Xsat分別表示衛(wèi)星在WGS-84地固坐標(biāo)系中的瞬時速度和坐標(biāo)。

然后，將星固坐標(biāo)系的分量投影到WGS-84坐標(biāo)系中

(2)

式中，dx、dy、dz分別表示dR、dA、dC在X、Y、Z方向上的投影值；eR、eA、eC為單位正交向量。

最后，使用式(2)中得到的衛(wèi)星軌道在地固系下的改正數(shù)dX對廣播軌道進(jìn)行改正，即可獲得實(shí)時衛(wèi)星精密軌道坐標(biāo)

Xsat=XBRDC-dX

(3)

式中，XBRDC為使用廣播星歷計算的衛(wèi)星位置[9]；Xsat為最終得到的精密軌道。

2. 鐘差改正數(shù)

實(shí)時鐘差改正公式如下

Tsat=TBRDC+Δt/c

(4)

式中，TBRDC為廣播星歷算出的鐘差；Δt為實(shí)時產(chǎn)品中對廣播星歷鐘差的改正數(shù)；c為光速；Tsat為修正后的實(shí)時精密衛(wèi)星鐘差。

二、算例與分析

1. 動態(tài)數(shù)據(jù)采集

本算例采用司南K505接收設(shè)備進(jìn)行車載動態(tài)數(shù)據(jù)采集，沿著南寧市雙擁路、青山路、鳳嶺南路，經(jīng)過龍崗大橋、五象大道和五象大橋，最后返回起點(diǎn)，共分為3個時段，如圖1所示。實(shí)線為第1個時段，從市區(qū)到郊區(qū)；寬虛線為第2個時段，主要在郊區(qū)；短虛線為第3個時段，從郊區(qū)回市區(qū)。

圖1　數(shù)據(jù)采集路線

2. 衛(wèi)星軌道和鐘差精度

由于IGS有多個分析中心，每個分析中心都可以提供實(shí)時產(chǎn)品，本文在研究中選擇衛(wèi)星鐘差改正數(shù)最穩(wěn)定的分析中心(CNES)發(fā)布的產(chǎn)品，在下文簡稱為CNT。以IGS最終星歷為參考，分析各個時段中可視衛(wèi)星的軌道和鐘差精度。計算公式為

(5)

式中，Ri表示每個歷元數(shù)值與真值之差；n表示觀測時段的歷元數(shù)。

圖2顯示了3個時段中所有可視衛(wèi)星的軌道和鐘差RMS，每張圖代表1個時段，柱狀圖表達(dá)軌道信息，折線圖表達(dá)鐘差信息。3個時段的軌道RMS基本相同，RMS最大值不超過8 cm，大部分衛(wèi)星的軌道RMS均小于5 cm。在分析鐘差精度時，采取二次差法[10-13]。從圖中可以看出，3個時段的衛(wèi)星鐘差在0～1.3 ns內(nèi)波動，大部分衛(wèi)星的時鐘RMS在1 ns之內(nèi)，平均鐘差RMS在0.5 ns以內(nèi)。

圖2　軌道/時鐘誤差

3. 實(shí)時改正數(shù)用于車載偽距差分定位

以商用軟件GrafNav的載波相位固定解作為真值，分析車載偽距差分定位精度。圖3顯示了第1時段的可用衛(wèi)星數(shù)、位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)、平面誤差和高程誤差。從第1時段看，可視衛(wèi)星數(shù)并不穩(wěn)定，因?yàn)榈?時段時汽車由城內(nèi)開往城外，周圍建筑物較多。隨著汽車開出城市，可用衛(wèi)星數(shù)大于6顆，PDOP值小于2，平面和高程定位誤差變小。總體上，平面RMS為0.638 m，高程為1.243 m。

表1給出了3個時段偽距差分定位的平均可用衛(wèi)星數(shù)、平均PDOP、平面和高程定位精度。第2時段中，平均可用衛(wèi)星數(shù)明顯增多，且PDOP值小于2。這是由于該時段位于郊區(qū)，觀測環(huán)境好。該時段精度最高，平面為0.608 m，高程為1.019 m。第3時段是從郊區(qū)開回市區(qū)，觀測環(huán)境變差，平均可用衛(wèi)星數(shù)減少，且PDOP值大于2。該時段精度最差，平面為0.768 m，高程為1.301 m。

三、結(jié)束語

本文首先以IGS最終星歷為基準(zhǔn)，對3個測段中可視衛(wèi)星的實(shí)時軌道和時鐘改正數(shù)的精度進(jìn)行了分析：實(shí)時軌道精度在5 cm以內(nèi)，時鐘精度在0.5 ns以內(nèi)。其次對實(shí)時改正數(shù)用于車載偽距差分定位的精度進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，使用實(shí)時改正數(shù)進(jìn)行車載動態(tài)偽距差分定位，可以達(dá)到平面亞米級和高程優(yōu)于1.5 m的定位精度。

本文研究僅限在5～7 km的短基線。對于短基線，星歷誤差可以通過差分削弱對定位結(jié)果的影響。但已有研究表明，隨著基線長度的增加，星歷精度對差分定位精度的影響越來越大。因此，今后的工作將會研究實(shí)時改正數(shù)用于長基線動態(tài)差分定位的精度性能。

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中圖分類號：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0072-03

作者簡介：王高靖(1991—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)镚NSS實(shí)時定位。E-mail: jbshi@sgg.whu.edu.cn

基金項(xiàng)目：數(shù)字城市聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2014SL02)

收稿日期：2015-03-11

引文格式： 王高靖，史俊波，李宗華,等. IGS實(shí)時服務(wù)的車載動態(tài)偽距差分定位精度分析[J].測繪通報，2016(2)：72-74.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0052.