基于CNES產(chǎn)品的GPS實時精密單點定位性能分析*

白若冰，張永奇，閆俊義，蘇麗娜，翟宏光，胡 楠

(陜西省地震局，陜西 西安 710068)

GPS定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地震監(jiān)測領(lǐng)域[1]。高精度、實時性的測站三維坐標對地震監(jiān)測及震時預(yù)警具有重要意義[2]。GPS單點定位技術(shù)采用偽距觀測量基于衛(wèi)星廣播星歷進行定位解算，可實時獲得測站坐標，然而由于偽距觀測及廣播星歷精度限制，單點定位最多只能達到米級定位精度[3]。GPS精密單點定位技術(shù)(PPP)采用載波相位觀測量基于IGS事后精密星歷完成定位解算，可實現(xiàn)厘米級的測站定位精度，然而高精度的最終精密星歷需要事后10 d以上的延遲才能獲取，因此傳統(tǒng)PPP時效性的缺乏嚴重限制了其應(yīng)用價值[4]。隨著觀測、定軌與通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度實時精密軌道、鐘差產(chǎn)品的生成與播發(fā)服務(wù)逐漸成熟，使得新一代PPP技術(shù)同時具備時效性與高精度雙重屬性[5]。本文基于CNES數(shù)據(jù)分析中心提供的實時精密軌道、鐘差產(chǎn)品利用幾個我國境內(nèi)的IGS測站數(shù)據(jù)進行GPS精密單點定位解算，對現(xiàn)階段實時精密單點定位的精度展開分析，并且與單點定位及基于IGS最終星歷的精密單點定位結(jié)果進行了橫向比較。

1 GPS實時精密星歷的獲取

GPS實時PPP得以成功實施的首要前提是高精度軌道、鐘差產(chǎn)品的實時獲取。為了實現(xiàn)高精度的GPS實時PPP應(yīng)用，IGS從2002年開始成立了相應(yīng)的工作組，并在2007年開始了實時試點項目(RTPP)。從2013年開始，IGS嘗試開始通過RTCM和NTRIP模式向用戶提供GPS的實時軌道、鐘差改正產(chǎn)品。截止目前已有德國聯(lián)邦制圖和大地測量辦公室(BKG)、法國國家空間研究中心(CNES)、歐洲航天局(ESA)等多個分析中心向用戶提供實時精密軌道、鐘差產(chǎn)品[6]。同時CNES還是第一個同時向GPS、北斗、GLONASS和伽利略四種導(dǎo)航系統(tǒng)都提供實時服務(wù)(RTS)的機構(gòu)。

目前，大多數(shù)的實時GPS精密軌道、鐘差產(chǎn)品都采用SSR格式。狀態(tài)空間表示(State Space Representation，縮寫SSR)是一種記錄衛(wèi)星軌道、鐘差改正參數(shù)的格式。在SSR改正格式中，不同誤差源(衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層延遲、對流層延遲等)被分別建模和分發(fā)。采用這種SSR格式播發(fā)改正信息的好處是針對所有用戶只需播發(fā)同一改正數(shù)據(jù)流，因此可適用于大基數(shù)用戶群的應(yīng)用需求[7]。

2 實時精密星歷的恢復(fù)算法

來自CNES分析中心的實時數(shù)據(jù)流提供相對GPS廣播星歷的軌道及鐘差改正參數(shù)。按照一定的改正算法可推算出高精度的實時軌道位置及鐘差參數(shù)，這一過程稱為“實時精密軌道、鐘差的恢復(fù)”。

恢復(fù)算法可概述如下：首先，實時精密軌道改正產(chǎn)品提供星固坐標系下徑向、沿軌和切軌三個方向上的改正參數(shù)。由于在GPS定位解算中基于地固坐標系進行，因此需要先將基于星固系下的軌道改正轉(zhuǎn)換成相應(yīng)地固系下的改正?；谲壍栏恼齾?shù)的高精度實時衛(wèi)星三維坐標恢復(fù)算法可表示為[8-9]：

(1)

(2)

3 數(shù)據(jù)來源

為了評估現(xiàn)階段CNES產(chǎn)品用于GPS實時PPP的定位解算性能。從相應(yīng)網(wǎng)站下載了需要的星歷數(shù)據(jù)及觀測文件。其中，從IGS網(wǎng)站下載了我國境內(nèi)BJFS、SHAO、WUH2、CHAN四個測站2019年3月1日00:00:00～24:00:00一天24 h的GPS觀測文件，采樣間隔30 s。對于CNES的實時星歷產(chǎn)品，其SSR改正信息實時數(shù)據(jù)流為CLK93，在完成相應(yīng)信息注冊后可免費獲取。如圖1所示為CNES相應(yīng)數(shù)據(jù)來源網(wǎng)站頁面。

圖1 CNES相應(yīng)數(shù)據(jù)來源網(wǎng)站頁面

由于地域與設(shè)備等條件限制，本文在進行實時PPP數(shù)據(jù)處理時采用了“準實時”的實驗方式。即實時通過網(wǎng)絡(luò)獲取并記錄了2019年3月1日00:00:00～24:00:00的星歷改正數(shù)據(jù)流，事后用該星歷產(chǎn)品對四個測站相應(yīng)時段內(nèi)的GPS觀測數(shù)據(jù)進行動態(tài)模式下的PPP解算，準實時地對其定位性能進行評估。同時，為了與基于廣播星歷及偽距觀測數(shù)據(jù)的GPS單點定位和基于IGS最終星歷產(chǎn)品的GPS精密單點定位結(jié)果進行橫向比較，也在IGS網(wǎng)站上下載了相應(yīng)時段內(nèi)的GPS廣播星歷及最終精密星歷文件。

4 解算精度分析

為了對現(xiàn)階段實時精密單點定位的精度展開分析，并且與單點定位及基于IGS最終星歷的精密單點定位結(jié)果進行橫向比較，文章共設(shè)置了三種定位解算方案。表1所示為三種不同定位解算方案的詳細設(shè)置。

表1 三種定位解算方案設(shè)置

分別采用方案1-3對四個測站的GPS觀測文件進行了定位解算并與相應(yīng)的真實測站坐標比較進行精度評定。如圖2所示為BJFS測站三種不同GPS定位解算方案下南北、東西和高程方向上解算坐標與真實坐標偏差的時間序列結(jié)果圖。方案1(單點定位)南北、東西和高程方向上偏差均方根(Root mean squre)統(tǒng)計分別為0.85, 1.01和2.68 m；方案2(實時PPP)南北、東西和高程方向上偏差均方根(Root mean squre)統(tǒng)計分別為0.17, 0.13和0.35 m；方案3(IGS最終PPP)南北、東西和高程方向上偏差均方根(Root mean squre)統(tǒng)計分別為0.03, 0.05和0.09 m。其他測站各種解算方案結(jié)果統(tǒng)計表1所示。

圖2 BJFS測站三種不同解算方案下各個方向上定位結(jié)果與真實坐標偏差的時間序列

表2 各測站不同方案定位結(jié)果統(tǒng)計/m

觀察表2可知：現(xiàn)階段，基于CNES產(chǎn)品動態(tài)解算模式下的實時PPP可達到分米級定位精度，雖然尚不及基于IGS最終產(chǎn)品PPP厘米級的定位精度，但遠優(yōu)于GPS單點定位米級的定位精度。

5 結(jié) 論

GPS精密單點定位技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力，長期以來由于高精度的精密星歷獲取存在嚴重的滯后性，因此極大地限制了PPP應(yīng)用的時效性。隨著實時高精度定軌技術(shù)的逐漸成熟，GPS實時PPP應(yīng)用日漸普及。本文分析了當前實時精密星歷產(chǎn)品應(yīng)用于精密單點定位的解算精度。結(jié)果表明基于實時產(chǎn)品的精密定位結(jié)果與基于最終產(chǎn)品的定位精度尚有差距，但已經(jīng)初步提供了分米級的實時高精度定位服務(wù)。