基于IGU星历的实时卫星钟差加密方法研究

刘朋姣,陈 义

(同济大学土木工程学院,上海200092)

0 引 言

实时精密单点定位技术[1]是利用实时精密卫星轨道参数和实时精密卫星钟差,对单台GPS接收机采集的相位和伪距观测值进行定位解算,得到分米级定位精度的一种定位技术。实时卫星轨道及卫星钟差的精度是影响实时PPP定位精度的重要因素。目前IGU超快星历的轨道精度已经达到5 cm左右,能够满足实时PPP所需的轨道精度要求。然而IGU超快星历中的实时卫星钟差精度较差,且采样间隔大,无法满足实时PPP应用。国内外关于获取实时卫星钟差的方法已有相关的研究,对于采用何种预报方法,很多学者已经进行了研究。相关文献研究表明[2-3]:在选择恰当系数情况下,采用灰色模型的预报效果是最优的,其精度可高于IGS提供的超快速预报卫星钟差的精度,但是对于灰色模型系数的有效确定还需进一步研究;采用线性模型能达到或优于IGS超快速星历预报钟差的预报精度,且线性模型相对简单、方便。

1 实时卫星钟差加密方法

目前IGS数据中心提供的各类星历产品如表1所示。各类产品中,最终星历产品的精度最高,其卫星轨道的精度达到2.5 cm,卫星钟差的精度为0.075 ns,完全满足精密单点定位的精度要求,但是该星历产品至少要12天后才能获得,所以不能用于实时精密单点定位中;IGS提供的超快速星历包括:超快速观测星历和超快速预报星历,观测星历的卫星轨道精度为3 cm,卫星钟差为0.15 ns,可以满足精密单点定位的精度要求,但是该星历产品需要至少3 h后获得;预报星历是由全球8个IGS数据处理中心综合加权得到的,每6个小时更新,实时获取,卫星轨道精度约为5 cm,卫星钟差精度为3 ns,利用该精度的星历产品可以满足一般的实时定位要求。因此,实时单点定位所需的卫星钟差数据可以考虑直接采用IGS提供的超快速预报星历或是将超快速观测星历进行外推获得预报时刻的卫星钟差。

由于IGS提供的超快速预报星历的采样率为15 min,而用户一般所需的采样间隔为30 s或者更小,因此需要对该采样间隔进行加密,根据已有的研究表明[4-5]:在各种内插方法中,三次样条函数插值的精度最高、效果最优,对于IGS提供的超快速预报星历中的卫星钟差数据将采用三次样条函数插值直接加密到所需的采样间隔,以获取实时卫星钟差。

表1 IGS产品表格

2 算例分析

采用的数据是IGS数据中心提供的GPS周为1547的第一天和第二天的超快速观测星历、超快速预报星历以及最终星历数据。

将IGS提供的15471、15472的超快速观测星历文件中的5号、11号卫星的变化趋势表示出来,如图1(a)～(d)所示。从图1中可以看出:随着时间的变化,5 min采样间隔的卫星钟差具有一定规律性,因此采用线性模型预报卫星钟差的方法具有一定的可行性。

图1

将IGS提供的15471的11号卫星的超快速预报星历文件中的钟差数据(03、09、15、21等四个时刻)以及超快速观测星历文件中的钟差数据分别与IGS最终卫星钟差数据进行比较,结果如图2所示。

图2 超快速星历数据与最终星历数据比较

从图2中可以看出:IGS提供的超快速观测星历数据与最终钟差的差值在2 ns内,但是预报的卫星钟差与最终钟差的差值达到5 ns以上,因此,使用IGS的超快速星历的预报钟差数据进行的单点定位仅能满足精度要求不高的定位情况。

采用三次样条函数插值方法分别将IGS提供的超快速预报星历的卫星钟差加密到5 min、30 s以及将超快速观测星历利用线性模型外推获得5 min、30 s间隔的卫星钟差,并与 IGS提供的5 min、30 s采样间隔的最终星历数据做比较,结果如图3所示。

图3 采样间隔的比较结果

从图3中可以看出:利用超快速预报星历直接加密到所需间隔的卫星钟差的精度低于利用观测星历外推获得的卫星钟差的精度。以下将对两种方法的具体精度进行分析比较。

图4(a)、(c)为基于超快速观测星历文件采用线性模型预报实时的卫星钟差与最终星历文件的卫星钟差的比较结果,图4(b)、(d)为基于预报星历文件采用三次样条函数插值方法内插所需间隔的实时卫星钟差与最终星历文件的卫星钟差的比较结果。

图4 超快速星历加密到5 min和30 s的结果

从图4中可以看出:5 min采样间隔的卫星钟差中,超快速观测星历的精度分布在[-3.6,-1.4]ns的概率为96.86%,超快速预报星历分布在[5.0,6.6]ns的概率为97.22%;30 s采样间隔中,观测星历分布在[-3.7,-1.5]ns的概率为95.17%,预报星历分布在[5.0,6.6]ns的概率为96.08%。

表2 观测星历线性预报、预报星历内插加密的精度比较

采用IGU实测星历外推获得的卫星钟差精度5 min采样间隔为2.82 ns,30 s间隔的精度为2.80 ns,采用 IGU预报星历直接内插的精度5 min采样间隔为5.49 ns,30 s采样间隔的精度为5.50 ns,因此,可以考虑在实时单点定位中基于IGS提供的超快速观测星历采用线性模型预报所需时刻的实时卫星钟差。

3 结 论

通过对利用IGS提供的超快速观测星历文件和预报星历文件进行5 min和30 s实时卫星钟差加密的获取研究可以得出:卫星钟差在采样间隔不低于5 min时的变化趋势具有一定的规律性;利用IGU超快速观测星历外推后一天的卫星钟差的精度优于超快速预报星历提供的卫星钟差的精度;采用线性模型外推预报实时卫星钟差的精度优于3 ns,且该方法简便实用,适用于一般的实时单点定位的工作。

[1] 刘经南,叶世榕.GPS非差相位精密单点定位技术探讨[J].武汉大学学报◦信息科学版,2002,27(3):234-240.

[2] 郑作亚,卢秀山.几种GPS卫星钟差预报方法比较及精度分析[J].山东科技大学学报◦自然科学版,2008,27(4):6-15.

[3] 崔先强,焦文海.灰色系统模型在卫星钟差预报中的应用[J].武汉大学学报◦信息科学版,2005,30(5):447-450.

[4] 洪 樱,欧吉坤.彭碧波,GPS卫星精密星历和钟差三种内插方法的比较[J].武汉大学学报◦信息科学版,2006,31(6):516-518.

[5] 徐维梅,卢秀山,郑作亚.精密单点定位中卫星钟差加密方法的探讨与分析[J].测绘科学,2008,33(增刊):36-38.