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(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）接收機的觀測數(shù)據(jù)，并利用后處理的高精度衛(wèi)星星歷和鐘差產(chǎn)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(zhǔn)站坐標(biāo)、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(yōu)勢。目前，隨著GNSS接收機采樣率的不斷提高和定位技術(shù)的不斷進步，GNSS精密單點定位精度已達(dá)毫米級［2］，它逐漸廣泛應(yīng)用于地震形變監(jiān)測等領(lǐng)域［3－4］。

通常，精密單點定位需要的高精度衛(wèi)星星歷和鐘差產(chǎn)品是由全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際服務(wù)協(xié)會（international global navigation satellite system service，IGS）組織發(fā)布的，其鐘差產(chǎn)品的時間序列在天與天的交接處存在納秒級的天跳變現(xiàn)象［5］，這會導(dǎo)致測站定位結(jié)果產(chǎn)生厘米級的天跳變影響。天跳變現(xiàn)象發(fā)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(fā)生時刻也會造成錯誤判斷。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對IGS精密鐘差產(chǎn)品天跳變現(xiàn)象的研究并不多。文獻(xiàn) ［6］增長了鐘差解算的弧段，即利用多天觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合解算來獲得連續(xù)的精密鐘差產(chǎn)品，同時采用模糊度疊加的方法減小天與天之間數(shù)據(jù)的獨立性。文獻(xiàn) ［7］發(fā)現(xiàn)多路徑效應(yīng)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(wèi)星鐘差的天跳變，保證了時間傳遞的連續(xù)性。文獻(xiàn) ［8］提出連續(xù)實時載波相位時頻傳遞方法，此方法基于參數(shù)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(xù)的鐘差序列。這些方法均可有效的消除天跳變現(xiàn)象，但是算法復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大、效率較低。本文針對IGS精密鐘差產(chǎn)品的天跳變現(xiàn)象產(chǎn)生原因，提出了采取基于連續(xù)觀測數(shù)據(jù)定軌解算衛(wèi)星鐘差進行動態(tài)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(fā)生7.0級地震，地震后中國地震局根據(jù)IGS快速軌道文件，迅速發(fā)布了地震發(fā)生時刻為T 00：02：48的結(jié)果［9］。本文根據(jù)武漢大學(xué)自主研發(fā)的PANDA軟件，其定位精度可以達(dá)到毫米級［10］，基于 “中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”（簡稱 “陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）基準(zhǔn)站1 Hz采樣率的觀測數(shù)據(jù)，采用IGS提供的精密衛(wèi)星星歷和采樣間隔為30s的鐘差產(chǎn)品，進行GNSS動態(tài)精密單點定位，以分析蘆山地震附近四川小金（SCXJ）基準(zhǔn)站的同震地表形變。對該站2013－04－19—20的連續(xù)觀測值進行動態(tài)定位解算，定位結(jié)果如圖1所示。

圖1 SCXJ站根據(jù)IGS產(chǎn)品計算E、N、U方向的運動曲線圖

從圖1可以看出，在連續(xù)解算2013－04－19—20 2d的定位結(jié)果中，E、N、U方向于2013－04－20 T 00：00：00（UTC時間，地震發(fā)生前3min）均發(fā)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(fā)布的地震時刻比對，發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的原因應(yīng)由IGS精密鐘差產(chǎn)品在天與天交接時刻的不連續(xù)性（天跳變現(xiàn)象）引起，從而會影響GNSS動態(tài)精密單點定位解算的精度和準(zhǔn)確性，對定位的影響達(dá)到厘米級，嚴(yán)重干擾對基準(zhǔn)站同震地表形變的分析，乃至對地震發(fā)生時刻和位置產(chǎn)生錯誤的判斷。

2.2 天跳變現(xiàn)象

由于采樣間隔為30s的IGS鐘差產(chǎn)品間隔較大，不利于對IGS精密鐘差產(chǎn)品的連續(xù)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(chǎn)品進行分析。由SCXJ站2013－04－20T00：00：00的觀測值數(shù)據(jù)可得，此時刻共觀測到8顆衛(wèi)星，觀測衛(wèi)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(wèi)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(xiàn)跳變的現(xiàn)象，稱為 “天跳變”現(xiàn)象。鐘差產(chǎn)品的天跳變現(xiàn)象，不僅會影響高精度的定位結(jié)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(wù)等多個領(lǐng)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(chǎn)品生成天跳變的現(xiàn)象主要有兩個原因［5］，其一：IGS的衛(wèi)星星歷、精密鐘差等產(chǎn)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(dǎo)致接收機鐘差吸收了其他誤差源造成的系統(tǒng)誤差，而衛(wèi)星鐘差為相對量，導(dǎo)致相鄰兩天的接收機鐘差存在跳變，進而直接導(dǎo)致IGS精密鐘差產(chǎn)品出現(xiàn)天跳變現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生天跳變現(xiàn)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(shù)據(jù)計算重新估計衛(wèi)星鐘差將可從根本上消除該影響。利用PANDA軟件，根據(jù)全球均勻分布的80個IGS跟蹤站數(shù)據(jù)，采用包含零點時刻的連續(xù)的觀測值文件，進行鐘差解算，得到包含零點時刻的連續(xù)衛(wèi)星星歷和連續(xù)鐘差產(chǎn)品。在鐘差估計過程中，衛(wèi)星軌道固定為IGS精密軌道，由于軌道動力學(xué)平滑特性，其天跳變基本可以忽略，衛(wèi)星鐘差的解算策略［11］如表1所示。

圖2 觀測衛(wèi)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(xù)觀測值數(shù)據(jù)，根據(jù)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(wèi)星鐘差文件。采用自行解算得到的精密鐘差文件，對SCXJ基準(zhǔn)站2013－04－19—20的連續(xù)觀測值進行動態(tài)定位解算，并與根據(jù)IGS鐘差產(chǎn)品解算的定位結(jié)果進行對比，定位結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，根據(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)精密定軌解算的衛(wèi)星鐘差文件解算的定位結(jié)果，E、N、U方向于2013－04－20T00：00：00沒有發(fā)生明顯偏移。與根據(jù)IGS鐘差產(chǎn)品解算的定位結(jié)果相比較，利用重新估計衛(wèi)星鐘差所得的序列表明，動態(tài)定位序列連續(xù)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(fā)生前后的測站同震地表形變，將定位結(jié)果做一次差，測站根據(jù)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(wèi)星鐘差解算策略

圖3 SCXJ站根據(jù)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(jù)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(fā)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(xiàn)象對分析同震地表形變的干擾。根據(jù)IGS鐘差產(chǎn)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(shù)據(jù)是1s采樣間隔，而衛(wèi)星鐘差是30s采樣間隔，動態(tài)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(xù)觀測數(shù)據(jù)精密鐘差確定獲取的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品進行動態(tài)精密單點定位，可有效避免IGS精密鐘差產(chǎn)品天跳變現(xiàn)象的影響，同時其定位結(jié)果是準(zhǔn)確和有效的。

圖4 SCXJ站前后歷元位置差時序圖

4 結(jié)束語

本文對IGS精密鐘差產(chǎn)品的天跳變現(xiàn)象進行了分析，由于鐘差序列在天與天交接時刻可以達(dá)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(wù)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(jù)連續(xù)觀測數(shù)據(jù)估計精密鐘差產(chǎn)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(xù)的精密鐘差，并且采用此鐘差對SCXJ基準(zhǔn)站觀測值進行動態(tài)單歷元解算，結(jié)果表明此方法可以有效的避免IGS精密鐘差產(chǎn)品天跳變影響，從而保證分析基準(zhǔn)站同震地表形變的精度，準(zhǔn)確性與連續(xù)性。

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