高 旺 高成發(fā) 潘樹國 王勝利 夏 炎
(1東南大學(xué)交通學(xué)院,南京 210096)(2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)
基于區(qū)域參考站網(wǎng)絡(luò)的精密衛(wèi)星鐘差估計(jì)及其在實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位中的應(yīng)用
高 旺1高成發(fā)1潘樹國2王勝利2夏 炎1
(1東南大學(xué)交通學(xué)院,南京 210096)
(2東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)
摘 要:基于區(qū)域GNSS網(wǎng)絡(luò),提出了一種基于IGU實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)星歷和星間差分技術(shù)的GPS衛(wèi)星鐘差實(shí)時(shí)估計(jì)新方法,并對其精度及精度主要影響因素進(jìn)行了分析.在此基礎(chǔ)上,利用IGU實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)星歷和實(shí)時(shí)估計(jì)的鐘差產(chǎn)品對鐘差估計(jì)區(qū)域站(重慶GNSS站)及跨區(qū)域站(江蘇CORS站)進(jìn)行了實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位解算實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,估計(jì)得到的相對鐘差產(chǎn)品與IGS最終鐘差產(chǎn)品的平均RMS值可達(dá)0.08 ns,衛(wèi)星可視高度角是影響鐘差估計(jì)精度的主要因素.對重慶GNSS站及距重慶約1 200 km的江蘇CORS站進(jìn)行PPP解算,平均收斂時(shí)間分別達(dá)到11.5和14.1 min;靜態(tài)PPP定位時(shí),N/E/U三個(gè)方向的定位精度在1 h內(nèi)均可達(dá)到厘米級.
關(guān)鍵詞:區(qū)域參考站;鐘差估計(jì);高度角;實(shí)時(shí)PPP
衛(wèi)星實(shí)時(shí)精密鐘差以及軌道是制約實(shí)時(shí)精密 單點(diǎn)定位的重要因素,實(shí)時(shí)衛(wèi)星精密軌道可以從IGS超快速軌道上獲得,其預(yù)報(bào)軌道的徑向精度與IGS最終軌道的精度相當(dāng)[1],基本可以滿足實(shí)時(shí)PPP的厘米級定位需求.由于GPS衛(wèi)星所攜帶的銣鐘和銫鐘易受鐘噪聲和頻移的影響,致使其變化的復(fù)雜性難以進(jìn)行模型化并做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào),因此,其對應(yīng)的預(yù)報(bào)鐘差產(chǎn)品精度較低,僅為3 ns左右[2],等效距離誤差為0.9 m,顯然無法用于厘米級實(shí)時(shí)PPP應(yīng)用需求.為了解決這一問題,IGS從2013年4月1日起正式發(fā)布實(shí)時(shí)服務(wù),主要提供實(shí)時(shí)的精密軌道和鐘差改正信息,各分析中心提供的鐘差改正標(biāo)稱精度為 0.2 ~0.8 ns[3-4].但是,目前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的獲取存在諸多不穩(wěn)定的情況,如對數(shù)據(jù)源及網(wǎng)絡(luò)狀況的依賴性太大,數(shù)據(jù)流本身時(shí)常存在數(shù)據(jù)中斷或部分改正信息不完整的現(xiàn)象[5].因此,滿足精度需求且具有穩(wěn)定性保障的鐘差數(shù)據(jù)供給成為實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位中的關(guān)鍵問題.
實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差估計(jì)通常是基于全球或者某一較大區(qū)域的GPS觀測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的.文獻(xiàn)[6-8]利用全球分布的IGS跟蹤站實(shí)現(xiàn)了高采樣率的實(shí)時(shí)鐘差估計(jì),鐘差產(chǎn)品的精度基本高于0.2 ns,但是估計(jì)系統(tǒng)依然依賴IGS實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)流的供給,故具有一定的不確定性.近年來,我國許多省市都相繼建立了區(qū)域性的 CORS系統(tǒng),這為基于區(qū)域GNSS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)鐘差估計(jì)提供了良好的平臺.文獻(xiàn)[9]基于區(qū)域參考站采用非差方法實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星鐘差的實(shí)時(shí)估計(jì),精度達(dá)到0.2 ns左右,但是非差方法由于模糊度參數(shù)的存在收斂時(shí)間較慢,且待估參數(shù)會隨著參考站數(shù)目的增加而成倍增加,從而影響估計(jì)的效率;文獻(xiàn)[10-11]采用星間和歷元間組合差分方法進(jìn)行衛(wèi)星鐘差估計(jì),消除了模糊度參數(shù),估計(jì)的歷元間鐘差精度高于0.2 ns,但計(jì)算過程對于對流層的處理僅采用模型改正,忽略了其隨時(shí)間變化的特性,對于大氣濕度變化劇烈的情況,鐘差估計(jì)精度可能會受到影響.此外,目前基于區(qū)域參考站估計(jì)的衛(wèi)星鐘差的應(yīng)用大多是針對鐘差估計(jì)區(qū)域的測試,缺少進(jìn)一步大范圍的實(shí)驗(yàn).
基于上述分析,本文采用星間差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法,提出了一種基于IGU預(yù)報(bào)星歷和區(qū)域參考站網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差估計(jì)新方法,并將估計(jì)得出的鐘差與IGS最終鐘差產(chǎn)品進(jìn)行了比較.然后,對影響鐘差估計(jì)精度的主要影響因素進(jìn)行了分析.最后,使用估計(jì)的鐘差產(chǎn)品進(jìn)行了鐘差估計(jì)區(qū)域和估計(jì)區(qū)域外遠(yuǎn)距離的PPP解算實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證鐘差產(chǎn)品的應(yīng)用效果.
區(qū)域CORS站具有站點(diǎn)坐標(biāo)精確已知、連續(xù)運(yùn)行、觀測值質(zhì)量高、觀測數(shù)據(jù)獲取方便等優(yōu)點(diǎn),這為衛(wèi)星鐘差的估計(jì)提供了良好的數(shù)據(jù)保證.基于雙頻載波的消電離層星間差分鐘差估計(jì)模型為
式中,s,r分別為非參考星和參考星編號;δts,r為星間差分的鐘差值;ρs,r,Ns,rIF,Ts,r,Ls,rIF分別為星間差分的站星距、消電離層組合模糊度(以距離為單位)、對流層延遲以及無電離層載波觀測值;ε(φIF)s,r為其他誤差項(xiàng),包括潮汐改正、相位纏繞等以及其他未被模型化的誤差.利用式(1)進(jìn)行鐘差計(jì)算時(shí)未知參數(shù)包括每顆衛(wèi)星的星間差分鐘差和模糊度值以及觀測站天頂對流層延遲值,參數(shù)較多,短時(shí)間內(nèi)參數(shù)之間難以有效分離,主要因素在于衛(wèi)星鐘差參數(shù)和模糊度參數(shù)之間相關(guān)性太大.本文對(1)進(jìn)行如下改進(jìn):
即將衛(wèi)星鐘差和模糊度作為一個(gè)整體的待估參數(shù),這樣每顆衛(wèi)星估計(jì)出來的鐘差就包含各自的模糊度項(xiàng),在衛(wèi)星信號不發(fā)生失鎖或不發(fā)生周跳的情況下,這個(gè)模糊度值為一個(gè)系統(tǒng)性的恒值.在用戶站使用估計(jì)出的鐘差產(chǎn)品時(shí),這個(gè)系統(tǒng)性的恒值將會被用戶站的模糊度浮點(diǎn)解吸收,從而不會影響定位的結(jié)果.該方法與歷元間差分相比,兩者均能消除模糊度參數(shù),但是前者每個(gè)觀測方程中只有一個(gè)天頂對流層延遲項(xiàng),在濾波計(jì)算中能更好地顧及對流層濕延遲的變化.而在歷元間差分中,由于每個(gè)觀測方程中都具有2個(gè)歷元的對流層濕延遲項(xiàng),若直接采用模型改正,精度得不到保證,且忽略了一天中對流層濕延遲可能的變化,這在大氣濕度劇烈變化的天氣下顯然是不準(zhǔn)確的;若采用參數(shù)估計(jì),則除了需要顧及不同時(shí)間觀測方程濕延遲變化,還需考慮每個(gè)歷元間差分方程內(nèi)2個(gè)對流層濕延遲的不同,從而影響濾波計(jì)算的精度和效率.
采用式(2)所示的模型進(jìn)行鐘差估計(jì)時(shí)可采用單站和多站2種方式.采用多站估計(jì)時(shí),不同測站的對流層延遲系數(shù)近似相等,導(dǎo)致不同測站的對流層濕分量參數(shù)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性,從而給解算系統(tǒng)造成一定的病態(tài)性.因此,本文采用單站估計(jì)的方法,每個(gè)參考站獨(dú)立解算衛(wèi)星鐘差,然后多個(gè)參考站基于衛(wèi)星可視高度角進(jìn)行加權(quán)計(jì)算,從而得到最終的鐘差,具體的計(jì)算公式為
式中,p為歷元號;m為測站編號;k為權(quán)值;E為衛(wèi)星高度角;N為測站數(shù)量;Δtsp,m為參考站 m 計(jì)算得出的衛(wèi)星鐘差;Δtsp為加權(quán)后的鐘差.
本文采用2010年11月10日重慶GNSS參考站網(wǎng)絡(luò)8個(gè)參考站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,站點(diǎn)分布如圖1所示,數(shù)據(jù)采樣間隔為30 s,截止高度角設(shè)置為5°.采用卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)估計(jì),其中的衛(wèi)星鐘差設(shè)置為白噪聲過程;天頂對流層濕延遲歷元間變化視為隨機(jī)游走,過程噪聲設(shè)置為2 cm/h,其他相關(guān)的誤差處理參見文獻(xiàn)[12]中的處理方法.
圖1 實(shí)驗(yàn)所用的重慶GNSS站點(diǎn)分布
鐘差計(jì)算完成后,采用二次差方法與IGS最終鐘差產(chǎn)品進(jìn)行比較,比較策略參照文獻(xiàn)[12]的方法:對估計(jì)的鐘差數(shù)據(jù)與IGS鐘差數(shù)據(jù)分別進(jìn)行單差處理,即在每個(gè)歷元內(nèi)選擇1顆衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星,其余衛(wèi)星的鐘差與參考衛(wèi)星的鐘差進(jìn)行一次差處理,消除由于基準(zhǔn)鐘不同對鐘差產(chǎn)生的影響;然后將經(jīng)過一次差處理的實(shí)時(shí)鐘差數(shù)據(jù)與IGS鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行二次差處理,并采用下式計(jì)算RMS值:式中,tRMS為估計(jì)得到的鐘差RMS值;Δi為節(jié)點(diǎn)處的二次差處理結(jié)果;ˉΔ為二次差的均值(減掉均值是為了消去由參考站模糊度參數(shù)引起的系統(tǒng)誤差);n為比較節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù).分24個(gè)時(shí)段(1 h/時(shí)段)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由于篇幅限制,本文僅給出6個(gè)時(shí)段每顆衛(wèi)星的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見圖2).對每個(gè)時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星的鐘差RMS平均值tRMS,r進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果見圖3.
圖2 6個(gè)時(shí)段tRMS統(tǒng)計(jì)
圖3 24 小時(shí)衛(wèi)星 tRMS,r統(tǒng)計(jì)
從圖2中可以看出,6個(gè)時(shí)段內(nèi)每顆衛(wèi)星的tRMS基本都在 0.3 ns以內(nèi),多數(shù)在 0.2 ns甚至 0.1 ns以內(nèi).從圖3中可以看出,每個(gè)時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星tRMS,r均在0.2 ns以內(nèi),24小時(shí)總平均值達(dá)到0.08 ns,考慮到IGS提供的最終鐘差產(chǎn)品也存在著約0.075 ns的誤差,可以認(rèn)為本文估計(jì)的衛(wèi)星鐘差已具有較高的精度,可用于實(shí)時(shí)PPP中.
從圖2中可以看出,部分時(shí)段內(nèi)不同衛(wèi)星之間的鐘差估計(jì)精度存在較大的差異.如11∶00—12∶00時(shí)段中的G21衛(wèi)星與其他衛(wèi)星RMS值差異較大,15∶00—16∶00 及 19∶00—20∶00 時(shí)段中也都存在這一現(xiàn)象.此外,從圖3中也能看出,不同時(shí)段之間的tRMS存在著明顯的差異.對 11∶00—12∶00,15∶00—16∶00 及 19∶00—20∶00 三個(gè)時(shí)段中每顆衛(wèi)星的高度角(多個(gè)基站的平均值)時(shí)間序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(由于同一時(shí)刻每顆非參考衛(wèi)星對應(yīng)的參考衛(wèi)星相同,因此僅對非參考衛(wèi)星進(jìn)行統(tǒng)計(jì)),結(jié)果如圖4所示.對24個(gè)時(shí)段內(nèi)的所有衛(wèi)星的高度角進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖5所示.
圖4 3個(gè)時(shí)段的衛(wèi)星高度角
圖5 24 h內(nèi)平均衛(wèi)星高度角統(tǒng)計(jì)
結(jié)合圖2和圖4中對應(yīng)時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星的鐘差估計(jì)精度和對流層情況可以發(fā)現(xiàn),兩者存在明顯的相關(guān)性.例如,對于11∶00—12∶00時(shí)段中的 G21衛(wèi)星,鐘差精度最低,對應(yīng)的高度角也最低;對于15∶00—16∶00時(shí)段中的 G25衛(wèi)星、19∶00—20∶00 中的G25、G22等衛(wèi)星,鐘差估計(jì)精度均較低,對應(yīng)的高度角也較低,基本都在30°以下.而對于高度角較高的衛(wèi)星,如11∶00—12∶00時(shí)段中的 G25和G19衛(wèi)星、11∶00—12∶00時(shí)段中的 G25和 G19衛(wèi)星、15∶00—16∶00時(shí)段中的 G21和 G22衛(wèi)星以及19∶00—20∶00時(shí)段中的 G14和 G30衛(wèi)星,其可視高度角均在30°甚至40°以上,對應(yīng)的鐘差估計(jì)精度RMS值均在0.1 ns以內(nèi).從圖3和圖5中也能看出類似的規(guī)律,如時(shí)段號為3,8,9,10,24時(shí)的鐘差精度較高,對應(yīng)的衛(wèi)星平均高度角均能在35°以上;而時(shí)段號為7,16,17,20,21 時(shí)的鐘差精度較低,對應(yīng)的衛(wèi)星平均高度角基本在35°以下.結(jié)合式(2)所示的模型進(jìn)行分析,低高度角衛(wèi)星對應(yīng)的天頂對流層延遲投影系數(shù)計(jì)算精度較低,導(dǎo)致對流層干分量的模型計(jì)算誤差以及濕分量的估計(jì)誤差很大程度上被對應(yīng)衛(wèi)星的鐘差參數(shù)所吸收,因此可以判斷衛(wèi)星高度角是影響本文模型鐘差估計(jì)精度的主要因素.基于這一結(jié)論,若能結(jié)合使用更大范圍分布的區(qū)域參考站,鐘差估計(jì)的精度將會進(jìn)一步提高.此外,流動站用戶在使用鐘差產(chǎn)品時(shí)也需顧及鐘差估計(jì)時(shí)不同衛(wèi)星的高度角差異,從而建立更合理的觀測值隨機(jī)模型以提高實(shí)時(shí)PPP計(jì)算效果.
為了驗(yàn)證本文方法估計(jì)的鐘差產(chǎn)品在實(shí)時(shí)PPP中的應(yīng)用性能,基于IGU實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)星歷對鐘差估計(jì)區(qū)域(重慶GNSS站)和估計(jì)區(qū)域外(江蘇CORS站)的各4個(gè)分布開闊的參考站進(jìn)行事后模擬PPP解算實(shí)驗(yàn).重慶GNSS網(wǎng)中站點(diǎn)分布如圖1所示,江蘇CORS站點(diǎn)的分布如圖6所示.所用數(shù)據(jù)為2010年11月10日2個(gè)區(qū)域中采樣間隔為30 s的觀測數(shù)據(jù).采用星間差分模型和卡爾曼濾波參數(shù)估計(jì)方法,各項(xiàng)誤差的處理與上述鐘差估計(jì)中的處理方法相同(PPP計(jì)算不是本文的重點(diǎn),故解算模型不再詳細(xì)給出,可參考文獻(xiàn)[12]).由于篇幅限制,本文僅給出其中 1 h(23∶00—24∶00)內(nèi)的PPP計(jì)算結(jié)果.重慶GNSS網(wǎng)絡(luò)中4個(gè)站點(diǎn)的解算結(jié)果如圖7所示,江蘇CORS中4個(gè)站點(diǎn)的解算結(jié)果如圖8所示.
從圖7中可以看出,對鐘差估計(jì)區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)PPP解算,1 h內(nèi)N/E/U三個(gè)方向上的定位精度均可收斂至厘米級,平均誤差分別可到達(dá)0.17,-0.48,0.86 cm,中誤差分別為 0.49,2.53,1.96 cm,平均收斂時(shí)間為 11.5 min(收斂判斷的條件是N和E方向定位誤差收斂至10 cm之內(nèi),且其后不再超過10 cm).對鐘差估計(jì)區(qū)域外約1 200 km的4個(gè)江蘇CORS站進(jìn)行靜態(tài)PPP解算,N/E/U三個(gè)方向上1 h解算結(jié)果的平均誤差分別為-0.74,1.44,5.35 cm,中誤差分別為1.02,3.75,5.75cm,平均收斂時(shí)間為14.1min.可見無論是鐘差估計(jì)區(qū)域還是估計(jì)區(qū)域外1 200 km的區(qū)域,使用估計(jì)出的鐘差進(jìn)行PPP定位1 h后便可實(shí)現(xiàn)厘米級定位,且收斂時(shí)間小于15 min.對比圖7和圖8也可以看出,鐘差估計(jì)區(qū)域的PPP定位無論是收斂精度還是收斂效率均好于區(qū)域外的定位,特別是在高程方向上的解算效果,估計(jì)區(qū)域的結(jié)果明顯優(yōu)于區(qū)域外.這可能是因?yàn)榛趨^(qū)域參考站估計(jì)的鐘差包含了區(qū)域內(nèi)其他觀測誤差(如對流層殘余誤差等),它們在區(qū)域內(nèi)定位時(shí)起到了除鐘差外的區(qū)域增強(qiáng)作用,而隨著觀測站與鐘差估計(jì)區(qū)域距離的增長,增強(qiáng)信息的空間相關(guān)性變小,因此鐘差估計(jì)區(qū)域的PPP定位效果好于估計(jì)區(qū)域外的定位效果.
圖7 重慶GNSS網(wǎng)站點(diǎn)PPP解算結(jié)果
圖8 江蘇CORS站點(diǎn)PPP解算結(jié)果
1)本文提出的新的鐘差估計(jì)方法無需考慮模糊度參數(shù)的影響,采用單個(gè)基站獨(dú)立解算衛(wèi)星鐘差,然后基于高度角因素加權(quán)得出最終的實(shí)時(shí)鐘差產(chǎn)品,這樣的估計(jì)策略有利于減輕鐘差估計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)算負(fù)荷.估計(jì)得到的相對鐘差產(chǎn)品與IGS最終鐘差產(chǎn)品的平均RMS值可達(dá)0.08 ns
2)衛(wèi)星可視高度角是影響鐘差估計(jì)精度的主要因素.低高度角衛(wèi)星的投影系數(shù)計(jì)算精度較低,導(dǎo)致干延遲投影以及濕延遲估計(jì)精度較低,殘余對流層誤差主要被對應(yīng)的衛(wèi)星鐘差吸收,因此精度較低.若能結(jié)合使用更大范圍分布的區(qū)域參考站,鐘差估計(jì)的精度將會進(jìn)一步提高.
3)對鐘差估計(jì)區(qū)域(重慶GNSS站)以及估計(jì)區(qū)域外約1 200 km處(江蘇CORS站)各4個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行PPP驗(yàn)證試驗(yàn),平均收斂時(shí)間分別達(dá)到11.5和14.1 min,靜態(tài)PPP定位時(shí)N/E/U三個(gè)方向的定位精度在1 h內(nèi)均可以達(dá)到厘米級.這為基于區(qū)域參考站網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)鐘差估計(jì)以及區(qū)域增強(qiáng)實(shí)時(shí)PPP的進(jìn)一步應(yīng)用(如網(wǎng)絡(luò)RTK無法覆蓋的陸地區(qū)域以及海洋應(yīng)用等)提供了理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).
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Precise clock estimation of satellites based on regional reference stations and its application on real-time PPP
Gao Wang1Gao Chengfa1Pan Shuguo2Wang Shengli2Xia Yan1
(1School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)
(2School of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)
Abstract:Based on regional GNSS(global navigation satellite system)network,a new clock estimation method by using real-time IGU(international GNSS service ultra-rapid)predicted ephemeris and satellite-difference strategy was proposed.The clock estimation accuracy and the corresponding factors were analyzed.On this basis,the clock-inversion regional stations(GNSS stations in Chongqing)and the inter-region stations(CORS(continuous operational reference system)stations in Jiangsu)were tested by PPP(precise point positioning)experiments with the IGU ephemeris and the real-time estimated clock.The experimental results show that the average RMS(root mean square)between the relative clock estimated by the new method and the IGS(international GNSS service)final clock product is 0.08 ns.The visible satellite elevation is the main factor influencing the clock-estimated accuracy.As for the GNSS stations in Chongqing and the CORS stations in Jiangsu which is about 1 200 km away from Chongqing,the average convergence times of PPP were 11.5 and 14.1 min,respectively.During static PPP,all the positioning accuracies in north/east/up(N/E/U)direction from 1 h observation can reach centimeter-level.
Key words:regional reference stations;clock estimation;elevation;real-time precise point positioning(PPP)
中圖分類號:P228.1
A
1001-0505(2013)S2-0400-06
doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2013.S2.039
收稿日期:2013-08-20.
高旺(1989—),男,碩士生;高成發(fā)(聯(lián)系人),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,gaochfa@163.com.
基金項(xiàng)目:“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2012BAJ23B01).
引文格式:高旺,高成發(fā),潘樹國,等.基于區(qū)域參考站網(wǎng)絡(luò)的精密衛(wèi)星鐘差估計(jì)及其在實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位中的應(yīng)用[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,43(S2):400-405.[doi:10.3969/j.issn.1001-0505.2013.S2.039]