徐 黎,袁運斌
(1.中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院,武漢 430077;2.中國科學(xué)院大學(xué) 地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049)
精密單點定位(precise point positioning, PPP)技術(shù)嚴(yán)重依賴高精度的后處理衛(wèi)星軌道和鐘差信息[1-3]。目前,高精度衛(wèi)星軌道和鐘差信息主要以事后文件的形式對外發(fā)布,存在一定時延,同時國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)服務(wù)組織(International GNSS Service, IGS)發(fā)布的超快速產(chǎn)品,分為觀測部分和預(yù)報部分。觀測部分時延為3~9 h。預(yù)報部分時效性能達(dá)到實時要求,但由于相應(yīng)時段的超快速預(yù)報鐘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation, STD)值約為1.5 ns,其精度通常不能滿足實時PPP 的要求,從而大大限制了PPP 的實時應(yīng)用。
為滿足日益增長的實時高精度定位及應(yīng)用需求,IGS 于2002 年成立了實時工作組,致力于高精度實時 GNSS 相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的制定,并于 2007 年啟動了實時實驗計劃,2013 年4 月正式推出實時服務(wù),基于國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會( Radio Technical Commission for Maritime Services,RTCM)協(xié)議和通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行RTCM 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膮f(xié)議(networked transport of RTCM via internet protocol, NTRIP)對外提供全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)和格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GLONASS)雙系統(tǒng)的軌道鐘差改正數(shù),并將隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system, BDS)的不斷發(fā)展與完善,逐步提供多系統(tǒng)的實時軌道和鐘差產(chǎn)品。目前,國際上已有包括德國聯(lián)邦制圖與大地測量局(Bundesamt für Kartographie und Geod?sie, BKG)、歐洲航天局(European Space Agency, ESA)、法國國家太空研究中心(Centre National d’ Etudes Spatiales, CNES)、武漢 大學(xué)(Wuhan University, WHU)等多家機(jī)構(gòu),提供GPS單系統(tǒng)或GPS/GLONASS 雙系統(tǒng)的實時軌道和鐘差產(chǎn)品,其中CNES 率先于2015 年11 月開始提供4 系統(tǒng)實時軌道和鐘差改正數(shù)。在國內(nèi),隨著國際 GNSS 監(jiān)測評估系統(tǒng)(international GNSS monitoring and assessment system, iGMAS)的不斷發(fā)展,各分析中心也致力于研究多系統(tǒng)實時產(chǎn)品。
實時軌道和鐘差產(chǎn)品的質(zhì)量,直接影響了實時PPP 定位結(jié)果精度。目前已有的實時軌道和鐘差產(chǎn)品,主要是對GPS 單系統(tǒng)的評估,對多系統(tǒng)產(chǎn)品的評估還不全面及細(xì)致[4-7]。同時,實時GNSS 軌道與鐘差產(chǎn)品的計算質(zhì)量,也隨著實時GNSS 數(shù)據(jù)的不斷豐富和各分析中心的計算方法的改進(jìn)而不斷提高,實時GNSS 軌道與鐘差產(chǎn)品整體性能的提升表現(xiàn)出較強(qiáng)的時效性。
本文闡述和給出狀態(tài)空間表達(dá)(state space representation, SSR)軌道、鐘差產(chǎn)品從獲取到恢復(fù)精密軌道鐘差的方法,研究、分析了多個國際IGS分析中心近期BDS、GPS、GLONASS 和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system,Galileo)4 大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的實時軌道鐘差產(chǎn)品精度與穩(wěn)定性,并進(jìn)行實時PPP 仿動態(tài)測試。
目前,最廣泛使用的實時數(shù)據(jù)和產(chǎn)品獲取軟件為BKG 提供的開源軟件布恩茨(BNC)[8],但僅支持RTCM 標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)解碼,不能完全支持我國iGMAS 等相關(guān)組織、應(yīng)用或研究團(tuán)隊根據(jù)自身需求提出的實時數(shù)據(jù)流標(biāo)準(zhǔn)。為此,筆者所在團(tuán)隊研制了1 套實時數(shù)據(jù)與產(chǎn)品獲取軟件——伊格格恩·特里普(IGGNtrip),該軟件同時支持RTCM標(biāo)準(zhǔn)和我國iGMAS 標(biāo)準(zhǔn),支持多地址和多掛載點4 系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)和產(chǎn)品解碼,提供基于共享內(nèi)存和格姆夫航天與防務(wù)公司(GMV Aerospace and Defense, GMV)的數(shù)據(jù)共享機(jī)制[9]。本文中所有實時數(shù)據(jù)與產(chǎn)品獲取均采用IGGNTRIP 軟件。
RTCM SC104 系列標(biāo)準(zhǔn)從3.1 版本開始支持SSR信息,用戶接收到的實時軌道鐘差實質(zhì)上是1 組相對于廣播星歷的改正參數(shù)[10]。故在實時PPP 中,首先需將接收到的SSR 改正信息恢復(fù)成精密軌道和鐘差。
在RTCM 標(biāo)準(zhǔn)中,SSR 軌道改正數(shù)為地固系下衛(wèi)星位置和速度在徑向(radial)、切向(alongtrack)和法向(cross-track)相對于廣播星歷計算結(jié)果的改正量,即為
式中:IODE 表示數(shù)據(jù)齡期;δ Or、 δOa、 δOc分別表示SSR 信息0t 參考時刻衛(wèi)星位置在徑向、切向和法向的改正數(shù),單位為 m;分別表示SSR 信息 t0參考時刻衛(wèi)星位置在徑向、切向和法向改正數(shù)的變化率,單位為 m/s; C0、 C1、 C2分別表示SSR 精密鐘差信息播發(fā)的參考時刻0t 的2 次多項式擬合系數(shù)。
1)t 時刻的軌道改正δO 的計算公式為
2)衛(wèi)星徑向、切向和法向在地固系下的單位向 量 er、 ea、 ec計 算 式 為
式中:r、v 分別為由廣播星歷計算出的衛(wèi)星t 時刻在地固系下的位置和速度向量。
3)將軌道改正由軌道平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地固坐標(biāo)系,得到SSR 改正后的精密軌道坐標(biāo),計算式為
式中:[ XbYbZb]T為利用廣播星歷計算得到的t時刻衛(wèi)星坐標(biāo);[ X Y Z ]T為經(jīng)過SSR 改正后t時刻衛(wèi)星地心直角坐標(biāo)。
需要說明的是,不同系統(tǒng)廣播星歷計算得到的衛(wèi)星坐標(biāo)在不同的坐標(biāo)參考框架下,經(jīng)過SSR 改正后,不同系統(tǒng)衛(wèi)星坐標(biāo)將統(tǒng)一到實時分析中心提供的多系統(tǒng)精密軌道所采用的國際地球參考框架(international terrestrial reference frame, ITRF)下。SSR 產(chǎn)品有 2 種參考點:衛(wèi)星天線相位中心(antenna phase center, APC)和衛(wèi)星質(zhì)心。若采用SSR 產(chǎn)品參考中心為APC,則需要考慮天線相位改正,得到衛(wèi)星在ITRF 下的質(zhì)心坐標(biāo)。
SSR 精密鐘差信息也為相對于廣播星歷計算結(jié)果的改正量,不同的是它播發(fā)的是2 次多項式擬合系數(shù),則t 時刻精密鐘差計算式為
式中:d tb為廣播星歷計算出的鐘差;d tp為SSR 改正后的精密鐘差;c 為光在真空中的傳播速度。經(jīng)過SSR 改正得到的精密鐘差包含相對論效應(yīng),在實時PPP 中,應(yīng)根據(jù)不同系統(tǒng)對應(yīng)的接口控制文件提供的方法,消除相對論效應(yīng)的影響。
SSR 改正信息和廣播星歷都以不同的時間間隔更新,它們成功匹配是正確恢復(fù)精密軌道鐘差信息的關(guān)鍵。目前 RTCM 標(biāo)準(zhǔn)中采用數(shù)據(jù)零期(issue of data ephemeris, IODE)參數(shù)來實現(xiàn)SSR信息與廣播星歷的匹配。GPS 和Galileo 廣播星歷中均定義有 IODE 參數(shù),可直接使用;對于GLONASS,目前RTCM 標(biāo)準(zhǔn)中采用廣播星歷中的鐘差參考時間(time of clock, TOC)參數(shù)生成對應(yīng)IODE 參數(shù),計算公式為
式中:INT()為取整函數(shù);FMOD(,)為取余函數(shù);TOC 為廣播星歷對應(yīng)TOC 的星期內(nèi)秒;IODER為SSR 信息中的GLONASS IODE 參數(shù)。
對于BDS,目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),在CNES 和iGMAS 分析中心播發(fā)的BDS SSR 信息中,采用廣播星歷中3 個衛(wèi)星鐘差參數(shù)和15 個星歷參數(shù)生成1 個24 位的循環(huán)冗余校驗碼(cyclic redundancy check, CRC)來作為IODE[11]。
基于上節(jié)給出的多系統(tǒng)SSR 信息恢復(fù)實時精密軌道、鐘差的方法,選取了BKG 的CLK11、WHU 的CLK16、加拿大自然資源部(Natural Resources Canada,NRCan)的CLK22、ESA 的CLK51、徑向(R)、切向(A)及法向(C)的CLK80、CNES 的CLK93 和IGS 的IGS03 產(chǎn)品,評估了多GNSS 實時軌道和鐘差的精度,其中所有產(chǎn)品都支持GPS,CLK11、CLK80、CLK93 和IGS03 還支持GLONASS,CLK93 還同時支持Galileo 和BDS,相關(guān)產(chǎn)品信息如表1 所示。
表1 實時SSR 產(chǎn)品信息 單位:s
評估時間段為2019 年年積日第305—334 天,共30 d。評估中,GPS 選擇IGS 最終產(chǎn)品作為參考產(chǎn)品,GLONASS 選用ESA 的最終產(chǎn)品,BDS和 Galileo 則選擇德國地學(xué)中心(Deutsches Geo Forschungs Zentrum, GFZ)的多系統(tǒng)最終產(chǎn)品。在軌道比較中,統(tǒng)計了實時軌道與參考軌道在徑向、切向和法向差異的均方根誤差(root mean square,RMS)值。鐘差比較則采用統(tǒng)計基準(zhǔn)統(tǒng)一后的實時鐘差和參考鐘差差異的RMS 和STD 值,RMS 反映了鐘差與偽距的符合程度,STD 則反映了鐘差的實際解算精度,會對相位數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生重要影響。另外,為了避免選取某顆參考星作為基準(zhǔn)導(dǎo)致其精度信息缺失,本節(jié)中采用所有衛(wèi)星重心基準(zhǔn),計算公式為
式中:i、 j分別為歷元號和衛(wèi)星號;n 和s 分別為歷元和衛(wèi)星數(shù);分別為實時和事后參考鐘差;Δ ti為重心基準(zhǔn)下2 套鐘差產(chǎn)品之間的基準(zhǔn)差異;RMSj、 S TDj分別為對應(yīng)衛(wèi)星鐘差RMS和STD 統(tǒng)計指標(biāo)。
圖1 和圖2 分別給出了7 家分析中心GPS實時軌道和鐘差與 IGS 最終產(chǎn)品差異的統(tǒng)計情況。表2 給出了各家分析中心所有衛(wèi)星精度統(tǒng)計指標(biāo)的平均水平??梢钥闯?,在統(tǒng)計時間內(nèi),各家實時軌道精度均在徑向最優(yōu),法向次之,切向最差,其中絕大數(shù)衛(wèi)星徑向精度優(yōu)于 3 cm。CLK16 在徑向的精度最優(yōu),平均值為1.55 cm;在法向、切向和1D RMS 上,CLK51 精度最優(yōu),達(dá)到2.50、3.70 和2.83 cm,CLK11 最差為3.42、5.43和3.74 cm。G10 和G27 衛(wèi)星軌道精度較差,可能和衛(wèi)星機(jī)動有關(guān)。另外,GPS 的BLOCKIIR-A、BLOKII-B、BLOKIIR-M、BLOKIIF 衛(wèi)星實時軌道精度相差不大。
鐘差方面,CLK16、CLK51、CLK80 和CLk93產(chǎn)品精度較高,STD 值在0.15 ns 左右,其中CLK93精度最高,STD 值為0.12 ns,CLK16 次之,STD為0.13 ns;CLK11 和IGS03 精度較差,分別為0.48 和0.31 ns。各家鐘差RMS 差異比較明顯,CLK22 最大,為1.98 ns,CLK11 次之,為1.50 ns;CLK51、CLK80 和CLK93 的RMS 值均在1 ns 以內(nèi),其中CLK93 的RMS 值最小,為0.34 ns。鐘差RMS 值差異在于不同分析中心實時鐘差解算選擇的站點數(shù)據(jù)和解算策略不同,在實時PPP 中,會被模糊度參數(shù)吸收。
表2 GPS 實時軌道鐘差平均精度統(tǒng)計
圖1 GPS 實時軌道差異在徑向(R)、切向(A)及法向(C)方向上的RMS 值
圖2 GPS 實時鐘差RMS 值(左軸)和STD 值(右軸)
圖3 、圖4 分別給出了CLK11、CLK80、CLK93和IGS03 產(chǎn)品的GLONASS 實時軌道和鐘差產(chǎn)品與ESA 最終產(chǎn)品的差異統(tǒng)計情況,表3 給出了對應(yīng)實時產(chǎn)品所有衛(wèi)星精度統(tǒng)計指標(biāo)的平均水平??梢钥闯觯号cGPS 類似,4 家分析中心GLONASS實時軌道精度均在徑向最優(yōu),法向次之,切向最差;所有產(chǎn)品徑向優(yōu)于3 cm;法向在6 cm 左右,切向在9 cm 左右。CLK93 產(chǎn)品徑向和法向精度最優(yōu),平均RMS 值分別為2.24 和4.95 cm,CLK80 在切向精度最高為8.02 cm。CLk93 的1D RMS 值最小,為5.64 cm。
圖3 GLONASS 實時軌道差異在R、A、C 方向上的RMS 值
圖4 GLONASS 實時鐘差RMS 和STD 值
表3 GLONASS 實時軌道鐘差平均精度統(tǒng)計
鐘差方面:CLK93 的GLONASS 精度最高,STD 達(dá)到0.51 ns,CLK80 次之,STD 為0.58 ns;CLK11 和IGS03 鐘差精度較差,STD 均超過1 ns,其中CLK11 精度最差,為1.80 ns。4 家分析中心鐘差RMS 值差異較大,CLK93 和CLK80 的鐘差RMS 值分別為3.61 和3.40 ns,而CLK11和IGS03 的RMS 值高達(dá)10.19 和8.78 ns。這可能是由于GLONASS 采用頻分多址技術(shù)(frequency division multiple access, FDMA),在鐘差解算時,對偽距頻間偏差(inter-frequency bias, IFB)的處理策略不同[12]。
圖 5、圖 6 分別給出了 CLK93 產(chǎn)品實時Galileo 和BDS 軌道、鐘差與GBM 最終產(chǎn)品差異統(tǒng)計情況,表4 給出了精度統(tǒng)計指標(biāo)的平均值。從中可以看出:在統(tǒng)計時間內(nèi),Galileo 衛(wèi)星實時軌道徑向、切向和法向平均RMS 值分別為3.85、4.42 和3.46 cm;大多數(shù)Galileo 衛(wèi)星軌道精度徑向最高,法向次之,切向最差,但E13 和E21 衛(wèi)星徑向精度最差,這可能是統(tǒng)計時間內(nèi)衛(wèi)星出現(xiàn)異常。 CLK93 產(chǎn)品的 BDS 地球靜止軌道(geostationary Earth orbit, GEO)衛(wèi)星(編號為C01~C05)的實時軌道精度明顯比中圓地球軌道(medium Earth orbit, MEO)衛(wèi)星(編號為C11、C12、C14)和傾斜地球同步軌道(inclined geosynchronous orbits, IGSO ) 衛(wèi) 星( 編 號 為C06~C10、C13)差,徑向、切向和法向平均RMS衛(wèi)星值達(dá)到46.05、76.43 和121.75 cm。MEO 和IGSO 衛(wèi)星軌道各方向RMS 值沒有明顯的差異,在徑向、法向和切向差異的平均 RMS 值分別為4.74、12.77 和10.19 cm。鐘差方面,Galileo 衛(wèi)星實時鐘差平均STD 值和RMS 值分別為0.31和1.05 ns,都優(yōu)于BDS。BDS 的IGSO/MEO 衛(wèi)星實時鐘差平均STD 值和RMS 值分別為0.76和3.98 ns,優(yōu)于GEO 衛(wèi)星鐘差。整體而言,BDS的實時軌道、鐘差精度仍有較大提升空間。
表4 CLK93 產(chǎn)品Galileo/BDS 實時軌道鐘差平均精度統(tǒng)計
圖5 CLK93 產(chǎn)品Galileo/BDS 系統(tǒng)實時軌道差異R、A、C 方向RMS 值
圖6 CLK93 產(chǎn)品Galileo/BDS 系統(tǒng)實時鐘差RMS 值和STD 值
以CLK93 產(chǎn)品為例,給出了實時軌道產(chǎn)品恢復(fù)精密軌道后與事后精密軌道產(chǎn)品單天在徑向差異的時間序列(如圖7 所示),其中GPS 給出了G01~G06 衛(wèi)星結(jié)果,GLONASS 給出了R01~R06衛(wèi)星結(jié)果,Galileo 給出了E01~E05 衛(wèi)星結(jié)果,BDS給出了C06~C10 衛(wèi)星結(jié)果。從圖7 中可以看出,CLK93 產(chǎn)品4 個系統(tǒng)實時軌道均存在明顯的跳躍現(xiàn)象,其中 GPS 和GLONASS 衛(wèi)星大約每6 h 出現(xiàn)1 次跳躍,BDS 和 Galileo 衛(wèi)星大約每3 h 出現(xiàn)1 次跳躍,如圖7 中虛線所示。出現(xiàn)這種跳躍的原因是目前實時軌道主要采用超快速軌道的預(yù)報部分,而超快速軌道1 d 會更新多次,同一時刻衛(wèi)星軌道在不同弧段預(yù)報精度不同,因此在弧段切換時,會出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象,這種不連續(xù)的時間間隔與超快速軌道的更新間隔一致。
通常,靜態(tài)參考站的觀測數(shù)據(jù)受周跳、多路徑和信號中斷的影響較少,因此,當(dāng)需要利用實時靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿動態(tài)PPP 定位時,靜態(tài)站數(shù)據(jù)的PPP定位性能一般可被認(rèn)為是相應(yīng)的真實動態(tài)PPP 模式所能達(dá)到的最佳結(jié)果。實驗中,選取了8 個IGS參考站,進(jìn)行了單GPS 實時PPP 仿動態(tài)測試。
圖7 CLK93 實時軌道與參考產(chǎn)品徑向差異時間序列(年積日為第310 天)
圖8 IGS 站點單GPS 實時PPP 定位誤差N、E、U 方向時間序列
實驗中采用了中科院測地所GNSS 團(tuán)隊劉騰博士開發(fā)的PPP 數(shù)據(jù)處理軟件姆格普(MGP)。該軟件能夠支持多GNSS 系統(tǒng)、多PPP 模型和多處理模式,具有眾多技術(shù)特色和良好的定位與應(yīng)用性能[13]。本文綜合利用MGP 和IGGNTRIP 軟件,以共享內(nèi)存方式獲取實時原始數(shù)觀測數(shù)據(jù)、廣播星歷和SSR 產(chǎn)品,進(jìn)行實時PPP 解算。這里以BRST 站為例,處理策略如表5 所示,選取了時間段 2019-11-06 UTC 00:00:00—2019-11-07 UTC 00:00:00,分別用各分析中心實時產(chǎn)品進(jìn)行定位,以IGS 發(fā)布的站點精密坐標(biāo)為基準(zhǔn),計算北(N)、東(E)、天頂(U)頂方向定位誤差。誤差序列如圖 8 所示,橫坐標(biāo)為世界協(xié)調(diào)時(coordinated universal time, UTC),縱坐標(biāo)為定位誤差,不同子圖表示不同分析中心產(chǎn)品的定位結(jié)果。測試時間段內(nèi),除了CLK51,其他各產(chǎn)品PPP 收斂時間均小于0.5 h;所有產(chǎn)品的平均定位精度各方向均優(yōu)于10 cm。
表5 實時PPP 處理策略
圖9 為各分析中心測試周期內(nèi)所有IGS 站實時PPP 仿動態(tài)平均定位誤差。從圖9 中可以看出:CNES 的CLK93 產(chǎn)品在N、E、U 方向上平均定位精度最高,別為1.93、3.05 和6.03 cm;其他產(chǎn)品N、E、U 方向上平均定位精度RMS 值分別在3、4和8 cm 左右。總體來看,實時產(chǎn)品PPP 仿動態(tài)模式定位誤差在10 cm 以內(nèi)。
圖9 單GPS 實時PPP 各產(chǎn)品IGS 站N、E、U 方向平均定位誤差
本文系統(tǒng)分析、評估和研究了GNSS SSR 實時軌道、鐘差產(chǎn)品的性能,結(jié)果表明:GPS、GLONASS、Galileo 衛(wèi)星軌道精度分別在2、3、4 cm左右,BDS MEO/IGSO 衛(wèi)星實時軌道精度在9 cm左右;BDS GEO 衛(wèi)星精度較差,RMS 值在0.8 m左右;實時鐘差精度在亞納秒級??傮w來看,GPS實時軌道和鐘差產(chǎn)品精度優(yōu)于其他3 個系統(tǒng)。同時,隨著各分析中心實時產(chǎn)品生成算法的發(fā)展,產(chǎn)品精度也隨之提高,總體表現(xiàn)出了較強(qiáng)的時效性;另一方面,實時軌道存在明顯的跳躍現(xiàn)象,其中GPS 和GLONASS 衛(wèi)星大約每6 h 出現(xiàn)1 次跳躍,BDS 和Galileo 衛(wèi)星大約每3 h 出現(xiàn)1 次跳躍。這種跳躍現(xiàn)象的出現(xiàn)通常是因為同一時刻衛(wèi)星軌道在不同弧段預(yù)報精度不同,而超快速星歷更新在弧段切換時出現(xiàn)不連續(xù),這種不連續(xù)造成的軌道誤差通常會被測距誤差吸收。
選取的8 個IGS/MEGX 站的單GPS 實時PPP仿動態(tài)測試結(jié)果表明:測試時間內(nèi),各產(chǎn)品實時PPP 收斂時間在0.5 h 左右。各產(chǎn)品所選測站的N、E、U 方向平均定位精度分別在3、4 和8 cm 左右,其中CLK93 產(chǎn)品相對較高。
必須指出的是,本文所進(jìn)行的測試僅基于30 d的實時產(chǎn)品。后續(xù)研究將使用更長時間的產(chǎn)品,同時還需要增加對北斗三號衛(wèi)星實時產(chǎn)品性能進(jìn)行更加全面、系統(tǒng)的研究和分析。