多模GNSS非差精密定軌快速數(shù)據(jù)處理方法

黨金濤 郭東曉 李建文 張錦軍

1 信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標工程學(xué)院，鄭州市科學(xué)大道62號，450001

2 92493部隊，葫蘆島市，125000

為了將數(shù)據(jù)處理能力由單一的GPS拓展到GLONASS甚至多系統(tǒng)，IGS于2003年成立MGEX（multi－GNSS experiment）工作組，并已取得許多成果［1－2］。為在全球范圍內(nèi)開展GNSS開放服務(wù)的監(jiān)測評估，我國正在積極建設(shè)國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（international GNSS monitoring and assessment system，iGMAS）。其主要任務(wù)包括建立多重覆蓋的全球分布的跟蹤站，進行數(shù)據(jù)接收、存儲與分析，并向外發(fā)布GNSS 多系統(tǒng)的共享數(shù)據(jù)與產(chǎn)品［3］。其中，GNSS 多系統(tǒng)精密軌道產(chǎn)品是其核心產(chǎn)品之一。

iGMAS分析中心所采用的觀測數(shù)據(jù)來自IGS、MGEX 和iGMAS跟蹤站，軌道和鐘差產(chǎn)品包括GPS、GLONASS、BDS和Galileo 4個系統(tǒng)。同時，4系統(tǒng)超快速軌道產(chǎn)品的時延要求為2h，而IGS發(fā)布的超快速軌道產(chǎn)品時延要求為3h，并只解算GPS 和GLONASS 兩個系統(tǒng)。隨著IGS、MGEX 和iGMAS全球跟蹤站的迅速增加，針對超大觀測網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)，研究一種多模GNSS快速數(shù)據(jù)處理方法，是導(dǎo)航衛(wèi)星精密定軌中值得關(guān)注的問題。

1 定軌策略及方法

1.1 力學(xué)模型與觀測模型

根據(jù)經(jīng)驗，選取合理的力學(xué)模型。對于GPS／GLONASS／Galileo衛(wèi)星，采用相同的力學(xué)模型。針對北斗IGSO 衛(wèi)星姿態(tài)轉(zhuǎn)換期間定軌精度降低的問題，每6h校正ECOM 模型中Y和B方向常數(shù)項，可提高北斗IGSO 衛(wèi)星在姿態(tài)轉(zhuǎn)換期間的定軌精度［4］。對于BDS／Galileo，初始軌道采用由廣播星歷計算的軌道位置。對于GPS／GLONASS，初始軌道采用IGS發(fā)布的超快速軌道產(chǎn)品的預(yù)報部分，可以減少參數(shù)估計的迭代次數(shù)，提高計算效率。

聯(lián)合使用消電離層組合偽距和相位非差觀測量，并對偽距進行相位平滑。全面考慮各種觀測量改正項，建立完善的觀測模型，并與IERS 2003規(guī)范一致。對于未能精確模型化的誤差因素，則通過參數(shù)估計吸收［5］。表1為采用的力學(xué)模型和觀測模型。

1.2 參數(shù)預(yù)消除與恢復(fù)

IGS、MGEX 和iGMAS 超大觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時，計算任務(wù)繁重，耗時過長的問題異常突出。逐歷元組建觀測方程時，大量的鐘差參數(shù)、對流層參數(shù)、模糊度參數(shù)以及偽隨機脈沖加速度參數(shù)不斷增加，使法方程的維數(shù)急劇增大。在數(shù)據(jù)處理過程中，涉及到矩陣的運算往往耗時較長，尤其是矩陣求逆的過程［6］。

考慮到歷元參數(shù)（鐘差參數(shù)）和分段估計的參數(shù)（對流層參數(shù)、模糊度參數(shù)和偽隨機脈沖加速度參數(shù)）只與部分時段的觀測數(shù)據(jù)相關(guān)，因此在相應(yīng)的觀測歷元或者弧段結(jié)束后，可以將其從法方程中消減掉，從而提高計算效率。

對于鐘差參數(shù)、對流層參數(shù)和模糊度參數(shù)的預(yù)消除和回代按照以下方法處理［7］。設(shè)有法方程：

將式（2）第一行加上第二行，得：

對于偽隨機脈沖加速度參數(shù)，利用軌道參數(shù)在子區(qū)間Ii－1與Ii之間的遞推關(guān)系進行參數(shù)預(yù)消除［8］。

表1 力學(xué)模型與觀測模型Tab.1 Dynamic models and observation models

1.3 分網(wǎng)定軌策略及流程

目前，IGS全球跟蹤站已達460個，其中具有GPS／GLONASS雙模數(shù)據(jù)的測站有260 個左右［9］。MGEX布設(shè)的測站有90個左右，具有GPS／GLONASS／BDS／Galileo多模觀測數(shù)據(jù)，但尚未形成全球均勻分布的觀測網(wǎng)。iGMAS布設(shè)的多模跟蹤站也在逐漸增加。IGS、MGEX 和iGMAS的測站分布如圖1所示［10］，其中，圓圈代表IGS測站，正方形代表MGEX 測站，三角形代表iGMAS測站。

圖1 IGS、MGEX 和iGMAS測站分布圖Fig.1 The station distribution of IGS，MGEX and iGMAS

定軌過程中，由于大量參數(shù)需要解算，更多的觀測量和更好的觀測幾何分布可以提高定軌的精度。目前，MGEX 和iGMAS測站數(shù)有限，幾何分布不夠均勻，且部分測站數(shù)據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定，直接用來解算BDS／Galileo的軌道和鐘差，不利于達到更高的定軌精度。IGS、MGEX 和iGMAS 超大觀測網(wǎng)可為GPS精密定軌提供充足的觀測數(shù)據(jù)。同時，考慮到GPS精密定軌力學(xué)模型與觀測模型已經(jīng)相當成熟和完善［11］，首先進行GPS 精密定軌，盡快獲取高精度的GPS軌道和鐘差，并將解算出的公共參數(shù)（包括測站坐標、測站鐘差、對流層和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)）引入到其他3個系統(tǒng)的定軌中。整個數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

進行BDS／Galileo精密定軌時，需要首先利用上步解算得到的GPS軌道和鐘差，進行精密單點定位，以獲得MGEX 和iGMAS 測站的坐標、鐘差和對流層延遲。需要說明的是，數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)一的時空系統(tǒng)：時間系統(tǒng)采用GPST，坐標系統(tǒng)采用IGS08。

為保證子網(wǎng)解算的穩(wěn)定性，分配的每個子網(wǎng)都是均勻分布的。如果某個子網(wǎng)解算失敗，只進行其他子網(wǎng)法方程疊加，以避免觀測網(wǎng)分布不均造成定軌精度降低。進行GLONASS／BDS／Galileo精密定軌時，由于測站數(shù)相對較少，將觀測網(wǎng)分成兩個子網(wǎng)。

2 算例分析

實驗采用100個IGS、MGEX 和iGMAS 測站的觀測數(shù)據(jù)來解算超快速軌道產(chǎn)品，時域為2014－07－20～07－26。為驗證分網(wǎng)定軌策略的效果，設(shè)計兩種方案進行對比分析。方案一：采用不分網(wǎng)解算方式，GPS／GLONASS軌道采取整體解算，其他策略與圖2中的數(shù)據(jù)處理策略相同；方案二：采用圖2中的分網(wǎng)定軌策略。需要說明的是，采用的100個測站是在數(shù)據(jù)預(yù)處理后，兼顧數(shù)據(jù)質(zhì)量和測站分布、自動選取的測站最優(yōu)集合。

兩種方案GPS／GLONASS／BDS／Galileo各系統(tǒng)定軌一周的耗時情況如圖3所示。從圖3可看出，方案一的整個數(shù)據(jù)處理耗時約為115min，其中，GPS／GLONASS 定軌耗時約為80 min，BDS／Galileo定軌耗時約為35min。方案二的整個數(shù)據(jù)處理耗時約為63 min，其中，GPS定軌耗時約為37 min，BDS／Galileo 定軌耗時約為25 min，GLONASS 定軌耗時約為18 min。整個數(shù)據(jù)處理耗時縮短50min左右，可為定軌弧段內(nèi)最后1h的觀測數(shù)據(jù)下載預(yù)留出更多的時間，保證在解算前獲得完整的觀測數(shù)據(jù)。

兩種方案GPS／GLONASS／BDS／Galileo各系統(tǒng)一周的超快速軌道（觀測部分）的精度如圖4～6 所示。GPS和GLONASS軌道精度評定以IGS發(fā)布的最終軌道產(chǎn)品作為參考，BDS／Galileo以GFZ、TUM 發(fā)布的軌道產(chǎn)品作為參考。

從圖4可以看出，方案二較方案一GPS定軌精度略有提高，兩種方案GLONASS定軌精度基本相當。從圖5、圖6可以看出，方案二較方案一BDS／Galileo定軌精度有較大提高：MEO／IGSO定軌精度提高約2～3cm，GEO 定軌精度提高10 cm 左右。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Flow chart of data processing

圖3 數(shù)據(jù)處理耗時統(tǒng)計Fig.3 The statistics of data processing time－consumption

圖4 GPS和GLONASS所有衛(wèi)星軌道RMSFig.4 The RMS of all satellites orbits of GPS and GLONASS

圖5 Galileo所有衛(wèi)星軌道RMSFig.5 The RMS of all satellites orbits of Galileo

圖6 BDS所有衛(wèi)星軌道RMSFig.6 The RMS of all satellites orbits of BDS

3 結(jié) 語

針對IGS、MGEX 和iGMAS 跟蹤站組成的超大觀測網(wǎng)，提出一種多模GNSS非差精密定軌快速數(shù)據(jù)處理方法，并結(jié)合一周的實測數(shù)據(jù)，設(shè)計了兩種實驗方案。結(jié)果表明，采用改進的數(shù)據(jù)處理策略，超快速軌道解算的數(shù)據(jù)處理耗時縮短50 min左右，可為觀測數(shù)據(jù)準備和下載預(yù)留出充足的時間，全天的觀測數(shù)據(jù)能夠全部參與軌道解算，提高了定軌精度。其中，BDS／Galileo 的定軌精度提高較為明顯，MEO／IGSO 軌道精度提高2～3cm 左右，GE 軌道精度提高10cm左右。

致謝：感謝全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）信息工程大學(xué)分析中心對本文工作的幫助和支持！

［1］Montenbruck O，Steigenberger P，Khachikyan R，et al.IGSMGEX：Preparing the Ground for Multi－Constellation GNSS Science［C］.4th International Colloquium Scientific and Fundamental Aspects of the Galileo Programme，ESA，2013

［2］李敏.多模GNSS 融合精密定軌理論及其應(yīng)用研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2011（Li Min.Research on Real－Time Precise GPS Orbit and Clock Offset Determination［D］.Wuhan：Wuhan University，2011）

［3］焦文海，丁群，李建文，等.GNSS 開放服務(wù)的監(jiān)測評估［J］.中國科學(xué)：物理學(xué)，力學(xué)，天文學(xué)，2011，41（5）：521－527（Jiao Wenhai，Ding Qun，Li Jianwen，et al.Monitoring and Assessment of GNSS Open Services［J］.Sci Sin Phys Mech Astron，2011，41（5）：521－527）

［4］Guo J，Zhao Q L，Geng T，et al.Precise Orbit Determination for COMPASS IGSO Satellites during Yaw Maneuvers［C］.China Satellite Navigation Conference（CSNC）2013，2013

［5］施闖，趙齊樂，樓益棟，等.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)綜合分析處理軟件PANDA 及研究進展［J］.航天器工程，2009（4）：64－70（Shi Chuang，Zhao Qile，Lou Yidong，et al.PANDA：Comprehensive Processing Software for Satellite Navigation Systems and Its Research Progress［J］.Spacecraft Engineering，2009（4）：64－70）

［6］蔡華.GNSS 大網(wǎng)實時數(shù)據(jù)快速解算方法應(yīng)用研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2010（Cai Hua.App1ication Research of Method of Large GNSS Network Realtime Data Rapid Solution［D］.Wuhan：Wuhan University，2010）

［7］姚宜斌.GPS精密定位定軌后處理算法與實現(xiàn)［D］.武漢：武漢大學(xué)，2004（Yao Yibin.Research on the Algorithm and Realization of Post－Processing for GPS Precise Positioning and Orbit Determination［D］.Wuhan：Wuhan University，2004）

［8］田英國，郝金明，劉偉平，等.星載GNSS低軌衛(wèi)星精密定軌快速解算方法［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2014，34（1）：157－160（Tian Yingguo，Hao Jinming，Liu Weiping，et al.A Rapid Solution Method on Precise Orbit Determination of LEOs Using GNSS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2014，34（1）：157－160）

［9］IGS.International GNSS Service［EB／OL］.http：／／igscb.jpl.n－asa.gov，2011

［10］焦文海.iGMAS（全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)）新進展［C］.第四屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會，武漢，2013（Jiao Wenhai.iGMAS（International GNSS Monitoring and Assessment System）New Progress［C］.CSNC2013，Wuhan，2013）

［11］孫保琪.基于三頻數(shù)據(jù)的Compass衛(wèi)星精密定軌［D］.武漢：中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，2010（Sun Baoqi.Precise Orbit Determination of Compass Satellites Based on Triple－Frequency Data［D］.Wuhan：Institute of Geodesy and Geophysics，CAS，2010）