基于广播星历改正的实时精密星历与钟差获取研究

王俊杰,许　杭,高俊强

(南京工业大学测绘学院,江苏 南京 210000)

基于广播星历改正的实时精密星历与钟差获取研究

王俊杰,许杭,高俊强

(南京工业大学测绘学院,江苏 南京 210000)

摘要：卫星位置误差和钟差是GPS导航与定位的重要误差源。通过NTRIP协议,利用Internet方式向全球发布实时广播星历的卫星轨道和钟差改正信息。结果表明:由广播星历计算得到的卫星位置和精密星历中给出的位置值相差为分米级,而经过改正后的卫星位置相差仅为厘米级。采用广播星历中给出的钟差参数,其精度约为2 ～4 ns;经过钟差改正后,精度相差约0.3 ～0.4 ns.

关键词：广播星历;卫星位置;卫星钟差;NTRIP协议

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.005

中图分类号：P228.4

文献标志码：： A

文章编号：： 1008-9268(2015)02-0021-05

收稿日期：2015-02-10

作者简介

Abstract:Satellite position error and clock error are an important error source of GPS positioning and navigation. Based on the NTRIP agreement, this article makes use of the Internet to publish real-time broadcast ephemeris of satellite orbit and clock correction information to the global. Results show that the satellite position calculated by the broadcast ephemeris and the position given by precise ephemeris value differs as the decimeter level, however,after correction, satellite position differs only to cm. Using the clock difference parameters given by the broadcast ephemeris, the accuracy is about 2 ～4 ns; After the clock error correction, the accuracy is about 0.3 ～0.4 ns.

0引言

导航电文是用户进行导航与定位的数据基础,包括了卫星轨道、卫星钟等信息,是整个导航过程中信息的灵魂。用户的GPS导航与定位的精度是由广播星历,卫星钟等改正的精度直接决定[1]。目前获取实时卫星轨道和卫星钟差的方式主要有两种,即导航电文提供的广播星历和IGS[2]提供的超快速IGU卫星轨道和钟差产品。由广播星历计算出的卫星位置误差为1 m左右、卫星钟差精度为5 ns左右。IGU产品预报部分的卫星位置精度为5 cm,但钟差精度比较差,为3 ns[3].以上两种方式提供的实时卫星位置及钟差往往无法满足实时精密单点定位精度要求。从2007年开始,IGS开始运作IGS-RTPP项目,并基于NTRIP协议的Internet播发方式向全球发布实时的卫星轨道和钟差产品,且其播发的改正信息是基于广播星历改正的,便于普通用户利用。本文在计算卫星广播星历及卫星钟差的基础上,利用NTRIP数据流提供的卫星轨道和钟差改正信息进行实时的精密卫星轨道和卫星钟差计算,对精密单点定位的实时应用具有重要推广意义。

1广播星历中卫星位置和卫星钟差

1.1　卫星轨道位置坐标的原理

GPS用户可以通过相关网站下载广播星历,该星历是由1个参考时刻,6个对应参考时刻的开普勒轨道参数和9个反应摄动力影响的参数组成[4]。

根据以上的参数可以求得有关量[5]。在已知轨道平面的倾角i和卫星升交点的大地经度L后,就可经过对坐标进行两次旋转变换,得到待求卫星处于地固坐标系中的坐标为

(1)

协议地球坐标系中瞬时卫星的位置为

联系人： 王俊杰E-mail: 243741026@qq.com

(2)

1.2　卫星钟差及误差计算原理

在GPS测量中,尽管卫星上采用的是高精度的原子钟,但由于信号的传播速度c的值很大,造成这些钟与GPS标准时之间存在偏差和漂移。同时随着时间的不断积累,这些偏差和漂移还会不断的发生改变[5]。

Δt= a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2+

(3)

2实时卫星位置与钟差

NTRIP用于Internet上传输GNSS数据流。NTRIP协议是由德国联邦制图和测地局开展的,并且通过RTCM委员会认证的一种公开使用的专业应用层协议[7]。状态空间表示(SSR)信息[8]是提供所有采用全球导航卫星系统所得到的卫星位置和卫星钟差改正值。

通过NTRIP协议[9]采用互联网传输的方式,用户可以通过BNC软件找到相应的下载点进行下载;同时传输SSR形式的卫星位置与卫星钟差的改正值数据,这些数据可以用文本文件的方式打开,便于编程。

2.1　利用SSR信息得到实时精密卫星位置

SSR形式的数据得到的是广播星历计算所求位置的改正值。在求解卫星的位置时,其广播星历中的一组轨道参数需根据改正信息中的星历数据龄期(IOD)进行确定。SSR形式的改正值是在卫星轨道坐标系中表示的,即给出如图1所示的3个方向上位置及速度的改正值。其中,切向为卫星速度向量所在的方向,法向垂直于由卫星位置和速度向量构成的平面,径向与切向、法向相互垂直,三者形成右手系,如图1所示。

图1　卫星位置SSR改正值所属坐标参照系

(4)

(5)

(6)

其中,SSR形式的改正信息中的卫星位置改正值一般是相对于卫星天线相位中心(Antenna Phase Center)或卫星质心(Center of Mass)这两种情况。通常提供的源数据的列表中有关下载点的信息描述会标明SSR改正信息的具体情况。如果SSR是相对卫星天线相位中心进行改正的,则还需加上相对于卫星天线的相位偏差改正量,才能得到ITRF下的卫星的位置坐标。

2.2　利用SSR信息获取实时精密卫星钟差

对于钟差,可通过SSR信息分别给出观测时刻t相对于参考时刻t0的计算卫星钟差多项式的3个系数(A0、A1、A2)直接求出卫星钟差改正值为ΔV:

ΔV=A0+A1(t-t0)+A2(t-t0)2.

(7)

在观测时刻t,由广播星历中提供的钟差为Δtz,经过SSR数据改正后的钟差为Δts,则有

(8)

式中,VC为光在真空中的传播速度。

3实例分析

通过在相应的网站下载有关卫星星历数据,并用BNC软件[10]找到相应的下载点,下载SSR格式的改正数据。利用广播星历计算出卫星位置和钟差并且进行SSR格式的数据改正,得到修正后的卫星位置和钟差,把这些值与精密星历中提供的相关量进行比较。

3.1　同一卫星不同时刻的比较

由广播星历求出2012年11月4日半天的PRN01的实时卫星位置信息,通过实时卫星位置、改正后的位置分别与IGS提供的精密位置比较后的差值,得到如图2所示的结果。

通过求获取数据的卫星位置与精密星历位置差值的均方差为0.746 m,改正后的位置与精密星历位置差值的均方差为0.041 m.

由2012年11月4日半天PRN01卫星信息,通过卫星钟差、改正后的钟差分别与IGS精密卫星钟差比较后的差值,如图3所示。

图2　卫星位置及经SSR改正后位置变化 (a)X方向；(b)Y方向；(c)Z方向

图3　钟差及SSR改正后钟差变化

通过求获取数据的卫星钟差与精密星历钟差的差值的均方差为0.997 ns,改正后的钟差与精密星历钟差差值的均方差为0.114 ns.

3.2　不同卫星同时刻的比较

由广播星历求出2012年11月4日凌晨各星座的位置信息、SSR改正后的各星座位置信息分别与IGS提供的精密位置比较后的差值，由图4所示。

图4　各星座位置及SSR改正后位置变化 (a)X方向； (b)Y方向； (c)Z方向

通过求获取数据的卫星位置与精密星历位置差值的均方差为0.584 m,改正后的位置与精密星历位置差值的均方差为0.031 m.

同时采集了各星座2012年11月4日凌晨实时卫星钟差进行处理, GPS各星座实时卫星钟差及其改正后与CLK文件中精密钟差比较,由图5示出。

图5　各星座钟差及改正后钟差变化

虽然目前GPS在轨32颗卫星,但是由于有些是处于非健康状态的,所以，IGS最终钟差没有给出PRN27的钟差,图5中也因此没有PRN27数据。

通过求获取数据的卫星钟差与精密星历钟差的差值的均方差为1.541 ns,改正后的钟差与精密星历钟差差值的均方差为0.123 ns.

由统计结果可以发现,用广播星历所求的卫星位置和精密星历中的位置值相差为dm级;而经过SSR数据改正以后的卫星位置与精密星历中的位置,其值相差为cm级。同时采用广播星历中钟差改正参数进行改正只能在精度要求不高的情况下使用,其精度约为2 ～4 ns.经过SSR信息改正后的钟差与CLK文件中精密钟差的精度相差约0.3 ～0.4 ns.

4结束语

本文通过BNC软件找到相应的下载点,下载基于NTRIP协议互联网传输的SSR格式改正数据,并利用Matlab[11]编写相应计算程序,求出了卫星位置和钟差,以及改正后的对应值。通过与IGS组织提供的最终产品SP3数据比较可以发现,经过改正后的卫星位置与精密星历中的卫星位置相差为cm级;经过钟差改正后,精度相差约0.3 ～0.4 ns,改正后的数据和数天后IGS组织提供的数据精度相似,可满足实时精密单点定位的应用。

参考文献

[1] 刘大杰,施一民,过静珺. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M]. 上海:同济大学出版社,1996.

[2] 尹倩倩,楼益栋,易文婷. IGS实时产品比较与分析[J].大地测量与地球动力学,2012,32(6): 123-128.

[3] 李黎, 匡翠林,朱建军,等. 基于IGU预报轨道实时估计精密卫星钟差[J]. 大地测量与地球动力学,2011,31(1): 111-117.

[4] 李征航,黄劲松. GPS 测量与数据处理[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2010.

[5] 杜向峰,蒋利龙,李霞. GPS精密单点定位技术及其应用[J]. 全球定位系统, 2008,33(1): 35-38.

[6] 季善标,朱文耀,熊永清,等. 精密GPS卫星钟差的改正和应用[J]. 空间科学学报,2001,21(1): 42-48.

[7] GEORG W, LEOS M, JAN D. Real-time clock and orbit corrections for improved point positioning via NTRIP [C]//Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Fort Worth, TX,2007:1992-1998.

[8] WUBBENA G, SCHMITZ M, BAGE A. PPP-RTK: precise point positioning using state-space representation in RTK networks[C]//The 18th International Technical Meeting, California,2005.

[9] 杨汀,陈宜金. NTRIP协议及应用实例[J]. 黑龙江科技信息,2010,35(9): 27-28.

[10]Federal Agency for Cartography and Geodesy BKG NtripClient(BNC) Version2.5 Manual[R].2011.[11]赵静.数学建模与数学实验[M].北京:高等教育出版社,2010.

王俊杰(1990-),男,硕士生,研究方向为精密工程测量,城市地下轨道保护区监测与应用。

许杭(1990-),男,硕士生,研究方向为精密工程测量,深基坑安全监测理论及应用。

高俊强(1962-),男,教授,研究方向为精密测量工程理论及其应用,深基坑安全监测理论及应用,城市地下铁道工程安全监测理论与应用,GPS精密定轨与应用。

Research on the Acquisition of Real-Time Precise Ephemeris and

Satellite Clock Corrections Based on the Broadcast Ephemeris

WANG Junjie,XU Hang, GAO Junqiang

(CollegeofGeomaticsEngineering,NanjingUniversityof

Technology,Nanjing210000,China)

Key words: Broadcast ephemeris; satellite position; satellite clock error; NTRIP protocol