基于非差模式的精密衛(wèi)星鐘差近實(shí)時(shí)估計(jì)

陳志勝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300143)

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基于非差模式的精密衛(wèi)星鐘差近實(shí)時(shí)估計(jì)

陳志勝

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300143)

在目前精密單點(diǎn)定位(PPP)中，GPS衛(wèi)星鐘差的實(shí)時(shí)估計(jì)已經(jīng)成為影響PPP實(shí)時(shí)解算一個(gè)至關(guān)重要的因素。提出一種基于非差模式下利用卡爾曼濾波進(jìn)行精密衛(wèi)星鐘差參數(shù)估計(jì)的方法，經(jīng)驗(yàn)證，與IGS事后精密衛(wèi)星鐘差相比，其精度能夠達(dá)到0.5～1ns，高于利用Bernese軟件進(jìn)行解算的結(jié)果?；诠烙?jì)結(jié)果和比較可靠的信息數(shù)據(jù)來源，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位。

精密單點(diǎn)定位精密衛(wèi)星鐘差卡爾曼濾波參數(shù)估計(jì)Bernese軟件

GPS技術(shù)現(xiàn)在在各個(gè)行業(yè)都有著比較廣泛的應(yīng)用，隨著精密單點(diǎn)定位技術(shù)的出現(xiàn)，更加推動(dòng)了GPS的發(fā)展。但是在精密單點(diǎn)定位中，需要考慮改正的誤差比較多。另外，IGS發(fā)布相應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)有一定的時(shí)間延遲，為了實(shí)時(shí)精確的單點(diǎn)定位，必須實(shí)時(shí)確定衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)，這也是現(xiàn)在國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題。

實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差估計(jì)主要采用非差與歷元間差分兩種模型，就其估計(jì)精度而言，非差模型的衛(wèi)星鐘差估計(jì)精度優(yōu)于歷元間差分模型的結(jié)果[1，11]，但由于在非差模型中整周模糊度參數(shù)的存在，其估計(jì)的速度要慢于歷元間差分模型(歷元間差分模型消除了模糊度參數(shù)，不存在收斂的過程[2])?；谙愀圻B續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)觀測(cè)數(shù)據(jù)和IGU軌道，采用非差無電離層組合觀測(cè)值，應(yīng)用卡爾曼濾波方法進(jìn)行近實(shí)時(shí)的衛(wèi)星鐘差估計(jì)研究，并對(duì)所估計(jì)的鐘差進(jìn)行精度分析比較。

1　非差精密衛(wèi)星鐘差估計(jì)模型與計(jì)算流程

在精密衛(wèi)星鐘差估計(jì)中，一般采用消電離層影響的非差相位和偽距觀測(cè)值，觀測(cè)方程如下[3]

利用卡爾曼濾波的方法進(jìn)行衛(wèi)星鐘差的估計(jì)，在估計(jì)過程中，需要對(duì)多項(xiàng)誤差進(jìn)行改正[4-6，10]，改正的誤差項(xiàng)越多需要估計(jì)的參數(shù)個(gè)數(shù)就越少，相對(duì)而言其估計(jì)速度也就會(huì)比較快。非差數(shù)據(jù)處理的主要誤差改正項(xiàng)如表1所示。

表1　非差數(shù)據(jù)處理的部分誤差改正

基于非差技術(shù)的衛(wèi)星鐘差估計(jì)，需要的已知數(shù)據(jù)包括參考站網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)站坐標(biāo)、IGU軌道數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的各項(xiàng)誤差改正，解算方式采用逐歷元卡爾曼濾波的方式，卡爾曼濾波流程如圖1所示[7]。

圖1　Kalman濾波計(jì)算流程

GPS觀測(cè)值實(shí)際上是測(cè)站與衛(wèi)星之間的相對(duì)時(shí)間延遲，在利用卡爾曼濾波對(duì)接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差同時(shí)進(jìn)行估計(jì)時(shí)，采用先固定衛(wèi)星鐘或者接收機(jī)鐘的基準(zhǔn)鐘鐘差，然后再確定衛(wèi)星或者接收機(jī)的相對(duì)鐘差的方法。有關(guān)研究表明，在基準(zhǔn)鐘的鐘差精度優(yōu)于10-6s的情況下，相對(duì)鐘差和絕對(duì)鐘差對(duì)用戶定位來說是等價(jià)的，也就是說，用戶接收機(jī)鐘差可以吸收用戶定位模型中相對(duì)鐘差的系統(tǒng)性偏差，并且不影響定位精度[8]。

采用以下方法進(jìn)行絕對(duì)鐘差的求解：(1)計(jì)算時(shí)，固定某一接收機(jī)的鐘差；(2)計(jì)算出相應(yīng)歷元的鐘差序列再進(jìn)行星間單差，消除接收機(jī)鐘差，得到星間單差鐘差序列；(3)以IGS提供的某個(gè)衛(wèi)星絕對(duì)鐘差為參考值與(2)中求得的星間單差衛(wèi)星鐘差序列來恢復(fù)絕對(duì)衛(wèi)星鐘差序列。

2　非差精密衛(wèi)星鐘差估計(jì)精度分析

依據(jù)上述描述的衛(wèi)星鐘差估計(jì)策略，對(duì)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行近實(shí)時(shí)估計(jì)，觀測(cè)數(shù)據(jù)采用香港連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)2012年11月1日觀測(cè)數(shù)據(jù)[9]，通過Bernese軟件與自編程序?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星鐘差的估計(jì)，比較解算成果與IGS提供的精密衛(wèi)星鐘差。

在利用卡爾曼濾波進(jìn)行衛(wèi)星鐘差估計(jì)時(shí)，首先選用CORS站中的HKFN測(cè)站接收機(jī)鐘作為基準(zhǔn)鐘，估計(jì)得到其他測(cè)站和衛(wèi)星相對(duì)于此站接收機(jī)鐘差的相對(duì)鐘差，然后再取相同歷元中對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星為參考衛(wèi)星，利用上面提到的求取絕對(duì)衛(wèi)星鐘差的方法進(jìn)行其他衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘差的求解。衛(wèi)星鐘差的計(jì)算結(jié)果與IGS結(jié)果之間作差，有效地反映與IGS事后精密鐘差的符合程度，分別統(tǒng)計(jì)作差時(shí)間序列的RMS1與RMS2

圖2　G08衛(wèi)星鐘差估計(jì)解算結(jié)果

圖3　G18衛(wèi)星鐘差估計(jì)解算結(jié)果

圖4　G04衛(wèi)星鐘差估計(jì)解算結(jié)果與IGS比較

由于篇幅限制，現(xiàn)只列出了部分衛(wèi)星的比較結(jié)果，從圖2～圖5中可以清晰的看出，通過自編程序估計(jì)出來的衛(wèi)星鐘差與IGS的結(jié)果相比較，基本是在0.5～1ns左右，而通過Bernese軟件解算出來的鐘差與IGS比較結(jié)果基本均在0～3ns之間，能夠很明顯地看出其解算精度要高于Bernese軟件的解算結(jié)果。現(xiàn)再對(duì)其對(duì)時(shí)間序列的RMS1和RMS2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步驗(yàn)證得出的結(jié)論。部分衛(wèi)星結(jié)果與IGS結(jié)果比較如表2所示，各衛(wèi)星的RMS比較結(jié)果如圖6、圖7所示，圖中的“估計(jì)值”是只采用本文方法解算出的結(jié)果。

圖5　G15衛(wèi)星鐘差估計(jì)解算結(jié)果與IGS比較

表2　部分衛(wèi)星結(jié)果與IGS結(jié)果比較統(tǒng)計(jì)

圖6　各衛(wèi)星RMS1比較結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖7　各衛(wèi)星RMS2比較結(jié)果統(tǒng)計(jì)

可以看出，自編程序?qū)崿F(xiàn)的估計(jì)結(jié)果要比BERNESE解算結(jié)果的精度要高，而且對(duì)于估計(jì)值來說，基本上全部衛(wèi)星鐘差的RMS1值均在1ns之內(nèi)，RMS2值均在0.1ns之內(nèi)，與相關(guān)文獻(xiàn)資料結(jié)果吻合。由于與IGS分析中心所選基準(zhǔn)鐘不同，導(dǎo)致鐘差改正值之間存在著一定的系統(tǒng)性偏差，相比IGS服務(wù)中心給出的事后精密衛(wèi)星鐘差精度相比還有些許差距，但如果采用比較可靠的數(shù)據(jù)完全可以實(shí)現(xiàn)較高精度的單

點(diǎn)定位精度，相對(duì)于RMS1，RMS2基本消除了系統(tǒng)偏差，所以其統(tǒng)計(jì)值均小于RMS1值，故其能更好的反映所求解的精密衛(wèi)星鐘差結(jié)果的精度。

3　結(jié)論

GPS實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)需要高精度的實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和鐘差數(shù)據(jù)。雖然IGU預(yù)報(bào)產(chǎn)品的軌道可以滿足實(shí)時(shí)PPP的需要，但是目前的預(yù)報(bào)鐘差卻無法滿足實(shí)時(shí)PPP的精度要求。采用基于非差模式下的消電離層組合觀測(cè)值卡爾曼濾波的估計(jì)方法，對(duì)精密衛(wèi)星鐘差進(jìn)行近實(shí)時(shí)估計(jì)，與IGS事后精密鐘差相比，能夠達(dá)到0.5-1ns的精度，明顯高于利用Bernese軟件進(jìn)行解算求得的衛(wèi)星鐘差。另外，由于多數(shù)誤差改正均已在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段進(jìn)行了處理，所以其估計(jì)速度也有一定的提高?；谏鲜龉烙?jì)所得鐘差和比較可靠的信息數(shù)據(jù)來源，可以實(shí)現(xiàn)較高精度的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位。

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Near Real-Time Estimation of Precise Satellites Clock BiasBased on The Non-Differential Mode

CHEN Zhisheng

2016-04-15

陳志勝(1988—)，男，碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)04-0012-03

P228.4

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