MGEX精密星歷衛(wèi)星鐘差精度分析

王宇譜,呂志平,黃 嫻,翟樹峰

(1 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

MGEX精密星歷衛(wèi)星鐘差精度分析

王宇譜1,2,呂志平2,黃 嫻3,翟樹峰2

(1 地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

IGS的多GNSS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(Multi-GNSS Experiment, MGEX)所提供的事后精密衛(wèi)星鐘差作為一種基礎(chǔ)性的GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品。在分析MGEX事后精密鐘差產(chǎn)品特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)用于衛(wèi)星鐘差精度評(píng)價(jià)的內(nèi)符合精度指標(biāo)和外符合精度指標(biāo)?；谠撝笜?biāo)對(duì)MGEX的歐洲定軌中心(CODE)、波茨坦地學(xué)中心(GFZ)和武漢大學(xué)(WUM)三個(gè)分析中心2015年的事后精密衛(wèi)星鐘差進(jìn)行精度分析。結(jié)果表明：GFZ的衛(wèi)星鐘差精度相對(duì)最差，CODE的衛(wèi)星鐘差內(nèi)符合精度最高，WUM的衛(wèi)星鐘差外符合精度最高，三個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差內(nèi)外符合精度平均值分別為0.307 ns和0.322 ns；隨著GPS系統(tǒng)的更新其衛(wèi)星鐘差的精度有所提高，同時(shí)GPS系統(tǒng)中BLOCK IIF銫鐘的鐘差內(nèi)外符合精度均最高；CODE的衛(wèi)星鐘差內(nèi)符合精度隨衛(wèi)星鐘類型的不同變化相對(duì)較小。

多GNSS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(MGEX)；衛(wèi)星鐘差；內(nèi)符合精度；外符合精度

GNSS(Global Navigation Satellite System，GNSS)事后精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品是大地測(cè)量等高精度應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]，也是開展與衛(wèi)星鐘相關(guān)分析和實(shí)驗(yàn)的一種重要數(shù)據(jù)源，研究和分析其精度對(duì)于高精度的導(dǎo)航、定位和授時(shí)應(yīng)用具有重要的作用。在實(shí)際應(yīng)用中，提供事后高精度衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的主要是國(guó)際GNSS服務(wù)組織(Internal GNSS Service，IGS)及其所屬的數(shù)據(jù)分析中心，其所提供的事后精密鐘差產(chǎn)品主要以GPS系統(tǒng)為主。而對(duì)于IGS衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的質(zhì)量分析，已經(jīng)進(jìn)行一定的研究工作，例如文獻(xiàn)[2]基于頻譜分析法對(duì)IGS精密星歷中各衛(wèi)星的鐘差精度進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[3]和[4]對(duì)比IGS官方提供的5 min和30 s間隔的精密鐘差變化規(guī)律等。但是，隨著Galileo和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，再加上QZSS等區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，用戶對(duì)多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的需求不斷增加。因此，IGS在2012年發(fā)起了多GNSS實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(the Multi-GNSS Experiment，MGEX)[5]，通過(guò)該項(xiàng)目向全球用戶提供多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品等[6-7]。

MGEX的軌道和衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品由多個(gè)MGEX分析中心提供，這些分析中心包括歐空局(ESA)、歐洲定軌中心(CODE)、德國(guó)波茨坦地學(xué)中心(GFZ)和中國(guó)武漢大學(xué)(WUM)等。當(dāng)前，針對(duì)MGEX衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的相關(guān)研究已經(jīng)取得了一些成果[7-11]；但是，已有的成果仍存在一定的局限性：首先，事后衛(wèi)星鐘差的精度分析主要是采用精密定點(diǎn)單位的方法來(lái)對(duì)軌道和鐘差精度同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證[8-9，11]，并且主要側(cè)重于對(duì)軌道產(chǎn)品的分析，缺少獨(dú)立的衛(wèi)星鐘差精度評(píng)價(jià)體系；其次，在分析衛(wèi)星鐘差質(zhì)量時(shí)，采用的精度指標(biāo)只能從某個(gè)特性方面來(lái)反映數(shù)據(jù)的部分精度信息，例如文獻(xiàn)[1]在評(píng)價(jià)北斗衛(wèi)星鐘差的精度時(shí)只從數(shù)據(jù)的內(nèi)符合特性方面進(jìn)行分析；再次，目前的衛(wèi)星鐘差質(zhì)量分析多集中在對(duì)不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)鐘差質(zhì)量差異的分析[7,10]，對(duì)于不同分析中心所提的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品的質(zhì)量差異分析相對(duì)較少?；诖?，本文首先分析了MGEX事后精密鐘差產(chǎn)品的特點(diǎn)，然后從評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)精度的內(nèi)符合精度和外符合精度兩個(gè)方面設(shè)計(jì)了用于衛(wèi)星鐘差精度評(píng)價(jià)的內(nèi)外符合精度指標(biāo)，最后基于所設(shè)計(jì)的精度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)MGEX中的CODE、GFZ和WUM三個(gè)分析中心2015年的事后精密衛(wèi)星鐘差進(jìn)行了精度分析，同時(shí)得到一些新結(jié)論。

1 精度評(píng)定指標(biāo)的設(shè)計(jì)

測(cè)量數(shù)據(jù)的精度通常從內(nèi)符合精度和外符合精度兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)定。本文在設(shè)計(jì)MGEX精密星歷衛(wèi)星鐘差的精度評(píng)定指標(biāo)時(shí)也從這兩個(gè)方面出發(fā)。在已有的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品中，IGS最終精密衛(wèi)星鐘差的精度相對(duì)最高，精度在0.075 ns，用來(lái)作為計(jì)算外符合精度時(shí)各時(shí)刻的參考真值。計(jì)算內(nèi)符合精度時(shí)，取各分析中心對(duì)應(yīng)時(shí)刻衛(wèi)星鐘差的平均值作為該時(shí)刻衛(wèi)星鐘差的最或然值。此外，考慮目前的IGS最終精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品只提供GPS的衛(wèi)星鐘差，所以在計(jì)算精度指標(biāo)時(shí)，本文以GPS衛(wèi)星鐘差的精度評(píng)定結(jié)果來(lái)反映其所對(duì)應(yīng)的MGEX分析中心的衛(wèi)星鐘差精度情況。

MEGX的精密星歷鐘差產(chǎn)品是由多個(gè)分析中心提供的，但是不同的分析中心在解算衛(wèi)星鐘差時(shí)由于解算策略和其他一些原因使得各分析中心所得衛(wèi)星鐘差的精度存在差異；同時(shí)，在解算衛(wèi)星鐘差的過(guò)程中需要選擇基準(zhǔn)鐘，不同分析中心存在所選基準(zhǔn)鐘的差異；因此，在評(píng)定不同分析中心的衛(wèi)星鐘差精度時(shí)，需要消除由于基準(zhǔn)鐘的差異等所造成的系統(tǒng)性誤差的影響。此外，目前MGEX的精密星歷文件中只有CODE、GFZ和WUM所提供的精密星歷中包含較為連續(xù)且相對(duì)完整的北斗衛(wèi)星鐘差；所以，為了能夠較為全面地分析GNSS衛(wèi)星鐘差的精度，文中選擇這三個(gè)分析中心的精密星歷衛(wèi)星鐘差進(jìn)行精度評(píng)定。

計(jì)算精度指標(biāo)時(shí)，首先消除不同分析中心由于解算過(guò)程中基準(zhǔn)鐘差異等因素對(duì)衛(wèi)星鐘差精度評(píng)定所造成的系統(tǒng)性誤差的影響：

ΔCENTERj,i(k)=TCENTERj,i(k)-TCENTERj,datumSat(k).

(1)

其中，CENTERj為IGS或某一個(gè)分析中心，TCENTERj,datumSat為IGS或某一分析中心所選參考衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的鐘差，TCENTERj,i為IGS或某一分析中心除參考衛(wèi)星之外的i衛(wèi)星所對(duì)應(yīng)的鐘差，ΔCENTERj,i為IGS或某一分析中心的i衛(wèi)星消除系統(tǒng)性誤差影響之后的鐘差一次差數(shù)據(jù)，k為歷元(時(shí)刻)。以CODE所提供的GPS衛(wèi)星鐘差為例，G01衛(wèi)星選為參考衛(wèi)星，此時(shí)TCENTERj,datumSat為TCENTERcode,G01，其表示CODE中G01衛(wèi)星的鐘差；G02衛(wèi)星在k時(shí)刻消除系統(tǒng)性誤差影響后的鐘差一次差值為ΔCENTERcode,G02(k)=TCENTERcode,G02-TCENTERcode,G01(k)?；阽姴钜淮尾钪档膉分析中心i衛(wèi)星的鐘差內(nèi)符合精度計(jì)算式為

(2)

式中：n為數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)；相應(yīng)的j分析中心i衛(wèi)星的鐘差外符合精度計(jì)算式為

RMS2(i,j)=

(3)

2 實(shí)驗(yàn)與分析

提取IGS以及MGEX中CODE、GFZ和WUM的SP3星歷文件中GPS精密衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行精度分析，數(shù)據(jù)的采樣間隔為15 min，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間段為2015.01.01—2015.12.31共一年。該時(shí)間段內(nèi)G08、G10和G26存在衛(wèi)星更換，其對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)缺失比較嚴(yán)重，因此不將其納入統(tǒng)計(jì)分析的范圍，剩余GPS衛(wèi)星的星載原子鐘類型如表1所示。

表1 GPS系統(tǒng)星載鐘的類型

此外，衛(wèi)星鐘在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到多種不確定因素的影響，因而在獲取的衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)中不可避免的經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)粗差等數(shù)據(jù)異常情況，在進(jìn)行衛(wèi)星鐘差精度分析之前需要對(duì)鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文鐘差數(shù)據(jù)預(yù)處理使用最常用的中位數(shù)(Median Absolute Deviation, MAD)方法[12]，但是在基于該方法探測(cè)出異常值之后，不是傳統(tǒng)的對(duì)異常值進(jìn)行置零或內(nèi)插操作，而是直接將其所對(duì)應(yīng)的鐘差數(shù)據(jù)設(shè)置為空，即這些歷元時(shí)刻的衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)缺失；這種處理方式能夠避免因內(nèi)插或補(bǔ)零而引入新的非原數(shù)據(jù)同時(shí)又能保證預(yù)處理后的數(shù)據(jù)序列盡量少受甚至不受粗差的影響?；陬A(yù)處理后的衛(wèi)星鐘差數(shù)據(jù)計(jì)算內(nèi)符合精度和外符合精度，同時(shí)在計(jì)算衛(wèi)星鐘差一次差時(shí)各分析中心統(tǒng)一將各自的G01衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星。圖1和圖2分別給出了28顆衛(wèi)星在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)段內(nèi)其鐘差的內(nèi)符合精度值和外符合精度值。

圖1 衛(wèi)星鐘差的內(nèi)符合精度

從圖1可以看出，三個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差內(nèi)符合精度大多在0.5 ns以內(nèi)，各分析中心所提供的各顆衛(wèi)星的鐘差內(nèi)符合精度之間存在一定的差異。BLOCK IIR-M Rb鐘對(duì)應(yīng)的各顆衛(wèi)星之間的鐘差內(nèi)符合精度差異相對(duì)較小。CODE的衛(wèi)星鐘差內(nèi)符合精度整體而言相對(duì)最好，而GFZ的鐘差內(nèi)符合精度則相對(duì)最差。

從圖2可以看出，不同分析中心的衛(wèi)星鐘差外符合精度之間的差異比較明顯：WUM的鐘差外符合精度最高，其所有衛(wèi)星的鐘差外符合精度都在0.2 ns以內(nèi)；GFZ的衛(wèi)星鐘差外符合精度最差且不同星鐘間外符合精度的差異相對(duì)較大，外符合精度最高值在0.2 ns左右而外符合精度最差值則在0.8 ns左右；CODE的大部分衛(wèi)星的鐘差外符合精度在0.3 ns以內(nèi)，除了G03、G06和G09的鐘差外符合精度在0.4 ns以上。此外，三個(gè)分析中心的BLOCK IIR-M Rb鐘對(duì)應(yīng)的各顆衛(wèi)星之間的鐘差外符合精度差異相對(duì)較小。最后，按照衛(wèi)星鐘類型統(tǒng)計(jì)三個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差內(nèi)外符合精度，其結(jié)果如表2所示。

圖2 鐘差的外符合精度

分析表2中的數(shù)據(jù)：

1)對(duì)于銣鐘鐘差的內(nèi)符合精度而言，整體上CODE的精度最高，其次是WUM，最差的是GFZ；而銫鐘的內(nèi)符合精度則是WUM的最好，CODE的次之，GFZ的最差；CODE、WUM和GFZ所提供的28顆衛(wèi)星的鐘差內(nèi)符合精度平均值分別為0.238 ns、0.274 ns和0.408 ns，三個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差內(nèi)符合精度的平均值為0.307 ns。

2)外符合精度方面，WUM的精度最高，其次是CODE，而且這兩個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差外符合精度明顯優(yōu)于GFZ的衛(wèi)星鐘差外符合精度；三個(gè)分析中心所提供的28顆衛(wèi)星的鐘差外符合精度平均值分別為0.116 ns、0.256 ns和0.595 ns，三個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差外符合精度的平均值為0.322 ns。

3)對(duì)于五種GPS衛(wèi)星鐘而言，不論是各個(gè)分析中心的結(jié)果還是三個(gè)分析中心結(jié)果的平均值，BLOCK IIF銫鐘的鐘差內(nèi)外符合精度均最高；同時(shí)，根據(jù)三個(gè)分析中心的平均值可以看出，GPS系統(tǒng)早期發(fā)射的BLOCK IIA和IIR銣鐘的鐘差內(nèi)外符合精度均低于其后期發(fā)射的BLOCK IIR-M和IIF銣鐘的鐘差內(nèi)外符合精，這說(shuō)明衛(wèi)星鐘差的精度與衛(wèi)星鐘的類型有一定的關(guān)系，并且隨著系統(tǒng)的更新?lián)Q代其衛(wèi)星鐘差的精度有所提高；此外，CODE提供的各類鐘差內(nèi)符合精度之間的差異相對(duì)較小，說(shuō)明其衛(wèi)星鐘差的內(nèi)符合精度隨衛(wèi)星鐘類型的不同變化相對(duì)較小。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于本文所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星鐘差精度評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)MGEX的CODE、GFZ和WUM三個(gè)分析中心2015年的事后精密衛(wèi)星鐘差進(jìn)行了精度分析，得到結(jié)論：在三個(gè)分析中心所提供的事后精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品中，GFZ的精度相對(duì)最差，其衛(wèi)星鐘差的內(nèi)外符合精度分別為0.408 ns和0.595 ns；CODE的內(nèi)符合精度最高，其值為0.238 ns；而WUM的外符合精度最高，其值為0.116 ns；三個(gè)分析中心的衛(wèi)星鐘差內(nèi)外符合精度平均值分別為0.307 ns和0.322 ns；GPS系統(tǒng)中BLOCK IIF銫鐘鐘差的內(nèi)外符合精度均最高，同時(shí)衛(wèi)星鐘差的精度與衛(wèi)星鐘的類型有一定的關(guān)系，并且隨著系統(tǒng)的更新?lián)Q代其衛(wèi)星鐘差的精度有所提高；此外，CODE所提供的各類鐘的鐘差內(nèi)符合精度隨衛(wèi)星鐘類型的不同變化相對(duì)較小。

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AccuracyassessmentforIGSMGEXpreciseephemerissatelliteclockbias

WANG Yupu1,2,LU Zhiping2,HUANG Xian3,ZHAI Shufeng2

(1. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054,China; 2.School of Surveying and Mapping, Information Engineering University, Zhengzhou 450001,China; 3.Institute of Information Science and Engineering, He'nan University of Technology, Zhengzhou 450001,China)

The final precise satellite clock bias (SCB) from the IGS Multi-GNSS Experiment (MGEX) is a kind of basic GNSS data product, which plays an important role in high precision navigation, positioning and timing. Based on analyzing the characteristics of the MGEX SCB, this paper designs two precision indexes which are used to respectively represent the internal accord accuracy and external accord accuracy of the SCB. Using these two indexes, it assesses the accuracy of the final precise SCB in 2015 from three MGEX Analysis Centers (ACs), including the Center for Orbit Determination in Europe (CODE), Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) and Wuhan University (WUM). The result of the assessment shows that the accuracy of the SCB data from GFZ is relatively worse compared with that of CODE and WUM, and the SCB data from CODE has the highest internal accord accuracy while the SCB data from WUM has the highest external accord accuracy. The average values of internal and external accord accuracy for the SCB data from three ACs are respectively 0.307 ns and 0.322 ns. With the updating of GPS, the accuracy of its SCB data is improved, and the SCB of the BLOCK IIF cesium atomic clock has the highest internal and external accord accuracy compared with that of other GPS satellite clocks. In addition, the internal accord accuracy of SCB from CODE has relatively small variations with the change of satellite clock types.

Multi-GNSS Experiment (MGEX); satellite clock bias; internal accord accuracy; external accord accuracy

2016-11-14

地理信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目(SKLGIE2015-M -1-6)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41674019)

王宇譜(1988-)，男，博士研究生.

著錄：王宇譜,呂志平,黃嫻，等.MGEX精密星歷衛(wèi)星鐘差精度分析[J].測(cè)繪工程，2018，27(1)：20-23，30.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.005

P228

A

1006-7949(2018)01-0020-04

李銘娜]