IGS站的數(shù)量與幾何結(jié)構(gòu)對(duì)GNSS星座近實(shí)時(shí)精密軌道影響研究

肖長(zhǎng)偉，曲國(guó)鵬，閆高原，李高鋒

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.建筑工業(yè)化與信息化應(yīng)用技術(shù)研究所，江蘇 徐州 221116）

關(guān)鍵字：GNSS近實(shí)時(shí)精密軌道；IGS站；分布結(jié)構(gòu)

1 引言

隨著GNSS系統(tǒng)的穩(wěn)步建設(shè)，目前在全球范圍內(nèi)已經(jīng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLOGNSS、歐盟的伽利略以及中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供全球或區(qū)域的導(dǎo)航定位服務(wù)，在上述四大系統(tǒng)中無(wú)論哪個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)其導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道是能夠保障GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵技術(shù)。GNSS導(dǎo)航衛(wèi)星近實(shí)時(shí)精密軌道解算速度和精度是衡量GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球?qū)Ш蕉ㄎ患夹g(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，社會(huì)對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和高精度的要求越來(lái)越高，而GNSS導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道是保障GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施精密定位和導(dǎo)航的基礎(chǔ)，因此，隨著GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算以及IGS站的數(shù)量和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的影響研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者的重視，成為GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)領(lǐng)域重要的研究方向，對(duì)GNSS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)近實(shí)時(shí)精密軌道解算精度和更新速度提出了更高的要求。

2020年7月31日，隨著最后一顆北斗三號(hào)衛(wèi)星的成功發(fā)射，標(biāo)志著我國(guó)完全自主研發(fā)的北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，但是，由于我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤站主要分布在國(guó)內(nèi)，因此，我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤站的基準(zhǔn)約束條件和幾何分布結(jié)構(gòu)相對(duì)比較弱，導(dǎo)致我國(guó)北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)軌道精度和更新速率相對(duì)比較差，因而，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的跟蹤網(wǎng)的優(yōu)化以及北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)近實(shí)時(shí)精密軌道解算成了當(dāng)下重要的研究課題。

本文基于2016年年積日99至101天的不同數(shù)量和分布結(jié)構(gòu)的IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)（48h）短弧法方程疊加的方法，利用BERNESE軟件進(jìn)行解算GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道，然后以CODE發(fā)布的GNSS近實(shí)時(shí)精密軌道為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)解算的GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道進(jìn)行精度評(píng)定，首先對(duì)IGS站的數(shù)量相同、幾何分布結(jié)構(gòu)不同的情況進(jìn)行比較以觀察IGS站的幾何分布結(jié)構(gòu)對(duì)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算精度的影響；然后對(duì)IGS站的幾何分布結(jié)構(gòu)大致相同、IGS站的數(shù)量不同的情況進(jìn)行比較以觀察IGS站的數(shù)量對(duì)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算精度的影響[7-10]。

2 GNSS近實(shí)時(shí)精密軌道解算

圖1即為GNSS近實(shí)時(shí)精密軌道的解算流程，我們利用40個(gè)全球分布IGS站提供的每6h的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算各生成一個(gè)短弧段法方程，連續(xù)生成8個(gè)短弧法方程組成滑動(dòng)窗口，然后我們只需快速處理當(dāng)前6h的觀測(cè)數(shù)據(jù)，快速獲得當(dāng)前6h短弧段法方程，然后利用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)（48h）法方程疊加方法與前面七個(gè)短弧段法方程疊加合并成一個(gè)48h長(zhǎng)弧法方程，然后我們通過(guò)軌道積分進(jìn)行預(yù)報(bào)后面6h的GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星座精密軌道，即GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道。以此類推，從而實(shí)現(xiàn)GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的快速更新，表1為近實(shí)時(shí)精密軌道解算過(guò)程中需要的測(cè)量模型和力學(xué)模型。

圖1 GNSS近實(shí)時(shí)精密軌道解算流程圖

近實(shí)時(shí)精密軌道解算所需測(cè)量模型和力學(xué)模型 表1

3 近實(shí)時(shí)精密軌道影響因素分析

3.1 IGS站數(shù)量與幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了研究IGS站的數(shù)量和幾何結(jié)構(gòu)對(duì)GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的影響，我們?cè)O(shè)計(jì)了三種方案。方案一如圖2所示，40個(gè)IGS站在全球范圍內(nèi)均勻分布，幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化且其穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量相對(duì)比較好。

圖2 幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的40個(gè)IGS站的幾何分布

方案二在方案一的基礎(chǔ)上增加ALBH站、BJFS站、BORL站、BRST站、CAGZ站、CEDU站、GRAS站、NICO站、RABT站、WTZR站10個(gè)IGS站，去掉DGAR站、KOKB站、ISPA站、OHI2站、TIXI站、VESL站、SANT站、IRKT站、TSKB站、PIMO站10個(gè)IGS站，如圖3所示，其中增加的10個(gè)IGS的數(shù)據(jù)質(zhì)量和穩(wěn)定性和去掉的10個(gè)IGS站的數(shù)據(jù)質(zhì)量和穩(wěn)定性非常相似。為了對(duì)IGS站的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，我們將IGS站分布圖分成左、右、上、下、左上、右下、左下、右上、中心和外圍10個(gè)區(qū)域，統(tǒng)計(jì)以上10個(gè)區(qū)域內(nèi)的IGS站數(shù)量，形成一個(gè)向量，向量的方差越大，說(shuō)明IGS站的幾何結(jié)構(gòu)越差，反之，GIS站的幾何結(jié)構(gòu)越好，方案一形成的向量為（17,23,24,16,20,20,24,16,21,19），方案二形成的向量為（14,26,28,12,24,16,30,10,25,15），通過(guò)計(jì)算我們得出方案一的幾何結(jié)構(gòu)要比方案二的好。

圖3 幾何結(jié)構(gòu)比較差的40個(gè)IGS站發(fā)的幾何分布

方案三在方案二的基礎(chǔ)上增加ANTC站、CONZ站、DRAO站、FAIR站、HERT站、HOB2站、MEDI站、MCIL站、MKEA站、SYOG站10個(gè)IGS站，如圖4所示。采用上述方法，方案形成的向量為（34,16,20,30,31,19,34,16,30,20），通過(guò)計(jì)算我們可以得出方案三的幾何結(jié)構(gòu)與方案二的相當(dāng)。

圖4 50個(gè)IGS站的幾何分布

3.2 算例分析

本文分別解算了三種方案下的GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道，然后與CODE發(fā)布的近實(shí)時(shí)精密軌道做差進(jìn)行精度評(píng)定，如表2所示。

三種方案近實(shí)時(shí)精密軌道精度評(píng)定 表2

表2為三種方案下的GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道，R、T、N分別表示GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道在徑向、切向、法向的RMS值。由表格2可知，無(wú)論哪種方案，GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道精度都比較高，說(shuō)明本文采用的滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)（48h）短弧法方程疊加的方法是可行的且具有良好的穩(wěn)定性；采用幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的全球均勻分布的40個(gè)IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算GNSS導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道，然后與CODE發(fā)布的近實(shí)時(shí)精密軌道做差進(jìn)行精度評(píng)定，其精度可以達(dá)到0.087m。

對(duì)比方案一和方案二我們可以得出，方案一條件下GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道精度優(yōu)于方案二，精度由0.111m提高到0.087m，由此可見，IGS站的幾何分布結(jié)構(gòu)是影響GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道精度的關(guān)鍵因素。

對(duì)比方案一、方案二、方案三我們可以得出，方案三相對(duì)于方案二GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道精度有一定的提高，由0.111m提高到0.102m，而方案一相對(duì)于方案二精度由0.111m提高到0.087m，因此我們可以得出，IGS站的數(shù)量對(duì)GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)軌道精度有一定的影響，但影響有限，在幾何分布結(jié)構(gòu)相同的情況下，僅僅增加IGS站的數(shù)量并不能有效地提高GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的精度，反而會(huì)使近實(shí)時(shí)軌道解算的時(shí)間增長(zhǎng)，影響其更新效率，因此，在IGS站的選擇過(guò)程中要對(duì)IGS站的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

4 結(jié)論

①本文詳細(xì)闡述了利用滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)（48h）短弧法方程疊加的方法解算GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道解算過(guò)程，采用全球均勻分布的40個(gè)IGS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)解算GNSS導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)精密軌道，其精度可以達(dá)到0.087m，并且導(dǎo)航星座中每顆衛(wèi)星的近實(shí)時(shí)軌道精度都非常穩(wěn)定，說(shuō)明我們采用的滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口內(nèi)（48h）短弧法方程疊加的方法是可行的。

②IGS站的數(shù)量固定，進(jìn)一步優(yōu)化IGS站的幾何分布結(jié)構(gòu)可以提高GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的精度，因此，在IGS站的數(shù)量不變的情況下，IGS站的幾何分布結(jié)構(gòu)是影響GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道精度的關(guān)鍵因素。

③IGS站的幾何分布結(jié)構(gòu)相似（方案二與方案三），增加了10個(gè)IGS站，GNSS導(dǎo)航星座的近實(shí)時(shí)軌道精度由0.111提高到0.102，但與優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)相比，提高精度有限，因此，只是一味地增加IGS站的數(shù)量并不能有效地提高GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的精度，反而會(huì)影響GNSS導(dǎo)航星座近實(shí)時(shí)精密軌道的更新速率。