基于階次組合的 GPS精密星歷插值研究＊

王曉明 成英燕 劉 立

(中國測繪科學研究院,北京 100039)

基于階次組合的 GPS精密星歷插值研究＊

王曉明 成英燕 劉 立

(中國測繪科學研究院,北京 100039)

采用Lagrange插值與線性逐次Neville插值兩種方法對 GPS衛星軌道進行了插值,比較了兩種方法的特性及插值精度,結果表明兩種方法雖然簡單易實現,但當進行高階插值時,邊緣插值區間的精度較低。為解決該問題提出利用高次插值與低次插值相結合的方法進行軌道插值,算例證明,該插值方法可以改善插值精度。

GPS;精密星歷;Lagrange插值;Neville插值;不同階次

1 引言

GPS定位以站星間的距離觀測量為基礎,以衛星位置為動態已知點進行空間后方交會,因此要正確獲取衛星的坐標是 GPS定位中的一個重要問題。目前應用的衛星星歷主要有廣播星歷和精密星歷兩種。廣播星歷屬于實時星歷,精度較低,無法滿足高精度定位的需要。精密星歷精度較高,通常情況下可以達到 5 cm的精度。由于 IGS提供的精密星歷為 15分鐘間隔,但在實際應用中需要的數據密度通常要比這大的多。因此在 GPS數據處理中,對精密星歷進行高精度、高效率的內插或者擬合已成為一項十分必要的工作。目前,較常用的插值方法有Lagrange插值及逐次 Neville插值[1-6]。這兩種方法較為簡單,算法易實現。但由于兩種插值方法本身所具有的缺陷使得插值結果存在龍格現象,而目前解決該問題的方法是采用其他時段的數據對邊緣區間進行重新插值以提高精度,這就不可避免地制約了這兩種方法的實用性。本文在分析兩種插值方法特點的基礎上,比較了不同階次的插值多項式的插值精度,以尋求用低階插值與高階插值的組合方法來獲取精度更高、更穩定的插值結果。

2 插值的數學模型

1)Lagrange插值

假設有 n+1個節點時刻,分別為 t0,t1,…,tn,對應時刻的星歷依次為 y0,y1,…,yn,利用 Lagrange對星歷進行 n階多項式插值[6]：

2)逐次 Neville插值

在進行星歷插值研究過程中,若發現低階插值多項式的插值精度不能滿足要求時,通常需要采用增加節點的方法進行重新插值。若插值的數據量較大,勢必會使插值效率受到影響。而 Neville插值方法通過改善算法使該問題得到解決,其基本的插值算法思路為[4]：設有 n+1個節點時刻 t0,t1,…,tn,其對應的精密星歷為 y0,y1,…,yn。令

計算流程見表1。

表1 Neville算法流程Tab.1 Flow chart of Neville algorithm

從表 1可以看出,當精度不滿足要求,需再增加一個節點時,前面的計算完全有效。Neville算法的該特性也使得計算的效率更高。但兩種插值存在自身算法上的局限性,即當采用高階的插值多項式時,插值邊緣區域的插值精度會出現抖動。本文將通過實例計算判斷產生抖動的插值區間,并通過采用低階與高階相組合的插值方法來獲得整個區間的高精度的插值結果。

3 算例分析

本文首先隨機采用 PRN4衛星 2002年 1月 1日的精密星歷數據,采用 Lagrange及Neville兩種插值方法,插值弧段取為 12小時,將 15分鐘間隔的實驗數據進行插值得到 5分鐘間隔的數據結果,并將結果同給出的真值數據比對,以得出相應的結論;然后,在該結論的基礎上進行基于階次組合的插值研究,以期改善插值精度,提高插值結果的穩定性。

3.1 基于無階次組合下兩種插值結果的精度比較

基于無階次組合的情況下,采用兩種插值方法,進行 14～23階的插值實驗,插值結果如表 2所示。

由表 2可以看出,利用Lagrange插值法與 Neville插值法進行 12小時弧段的插值時,兩種插值方法的插值精度基本相同,且插值階數取 18～20階時都能得到較好的插值精度,x、y、z3個方向的插值標準差均小于 1 cm。但同時由于兩種插值方法本身的局限性,使得高階插值的邊緣精度較低,且表格中的插值殘差最大的點均出現在邊緣區間,因而本文提出在邊緣處采用低階插值的方法以改善該種情況。為得出需要進行重新低次插值的時間段,我們給出利用兩種插值方法,采用插值階數為 20時的插值殘差,結果如圖 1所示。

圖1 20階插值殘差Fig.1 Interpolation residuals of 20th order

由圖 1可以看出,利用 Lagrange或 Neville插值法采用較高階插值方法時,會出現所謂的龍格現象。為提高邊緣部分的插值精度,通常可以采用拼接前一天的數據進行插值。但在只有一天數據的情況下,我們則嘗試采用低階插值與高階插值相組合的方法改善邊緣部分的插值精度。

3.2 基于階次組合下的兩種插值方法的精度比較

從計算結果可以看出,3～10小時區間的插值誤差均小于 1 mm,因而選取 0～2與 10～12小時作為重新計算的插值區間。具體計算過程是采用低階Lagrange或Neville插值方法對 0～2小時和 10～12小時的弧段進行插值,中間弧段仍采用高階插值結果。具體算法為：采用 0～3小時的數據,分別采用8、9、10階插值多項式對 0～2小時弧段進行重新插值計算,采用 9～12小時數據,同樣方法對 10～12小時的數據進行重新插值計算。利用插值結果取代原有結果,并依據新數據重新計算 0～12小時區間的插值殘差。同時增加 PRN21衛星進行計算,以驗證結論是否具有普遍性。結果如表 3所示。

由表 3可以看出,在采用 10階與 20階組合的Lagrange與 Neville插值方法時,插值精度有了明顯提高,最大插值殘差也小于 0.02 mm,可以滿足高精度的定位需要。因此在實際工程中若需要高精度的插值結果,且只有一天的星歷數據的情況下,則可以采用高階與低階插值多項式相組合的方法進行星歷插值。圖 2是利用 Lagrange插值方法,采用兩種階次結合的插值方法,分別對 PRN4衛星及 PRN21衛星星歷插值得出的殘差結果。

由圖 2可以看出,采用不同階次組合插值可以很好地改善由于高階插值多項式不穩定性所帶來的龍格現象。

4 結論

表2 不同階次的多項式內插結果(單位:mm)Tab.2 I nterpolation results of different order(un it:mm)

表3 不同階次的多項式內插結果(單位:mm)Tab.3 Interpolation results of different orders(un it:mm)

1)Lagrange與 Neville插值方法的本質是一致的,兩者的插值精度具有高度的一致性。對于 12小時弧段的數據,兩種方法采用 18～20階插值多項式時取得的插值精度最高。

圖2 插值殘差Fig.2 Interpolation residualswith new method

2)Neville較 Lagrange來說,其插值效率更高,更加適合在計算機上進行自動計算。

3)在采用高階插值時,兩種方法都存在龍格現象,即插值的邊緣部分的精度較低,且存在一定的震蕩性,這是兩種方法在采用高階多項式進行插值時的固有弊端。

4)對于插值弧段的邊緣部分采用低階插值多項式,中間仍采用高階插值多項式可以很好地改善插值精度,例如 12小時插值弧段,在 0～2小時及10～12弧段采用 10階插值多項式,2～10弧段采用20階插值多項式時,插值精度相當高,所有插值殘差均小于 0.02 mm,足以滿足高精度的定位需要。且該種方法改善了采用單一的高階多項式插值所產生的不穩定性,Lagrange與 Neville兩種方法的插值精度仍是一致的。

1 李明峰,江國焰,張凱.IGS精密星歷內插與擬合法精度的比較[J].大地測量與地球動力學,2008,(2)：77-80. (Li Mingfeng,Jiang Guoyan and Zhang kai.Comparison of interpolating and fitting IGS precise ephemeris[J].Journalof Geodesy and Geodynamics,2008,(2)：77-80)

2 馮煒,等.兩種常用 GPS星歷擬合方法的精度分析[J].大地測量與地球動力學,2010,(1),145-149.(Feng Wei,et al.Accuracy assess ment of two fitting methods for GPS precise ephemeris[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010,(1),145-149)

3 洪櫻,歐吉坤,彭碧波.GPS衛星精密星歷和鐘差三種內插方法的比較 [J].武漢大學學報 (信息科學版),2006, 31(6)：516-518.(Hong Yin,Ou Jikun and Peng Bibo. Three interpolation methods for precise ephemeris and clock offset of GPS satellite[J].Geomatics and Information Science ofWuhan University,2006,31(6)：516-518)

4 魏二虎,柴華.GPS精密星歷插值方法的比較研究[J].全球定位系統,2006,5：13-15.(Wei Erhu and Chai hua. The comparison research on GPS precise ephemeris interpolation methods[J].GNSS World of China,2006,5：13-15)

5 陳鵬,陳正陽,李驍.一種新的 GPS精密星歷插值方法[J].大地測量與地球動力學,2009,(2)：111-114. (Chen Peng,et al.A new method for GPS precise ephemeris interpolation[J].Journal of Geodesy and Geodynamics, 2009,(2)：111-114)

6 張守建,等.兩種 IGS精密星歷插值方法的比較分析[J].大地測量與地球動力學,2007,(2)：80-83.(Zhang Shoujian,et al.Comparative analysis on two methods for IGS precise ephemeris interpolation[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2007,(2)：80-83)

RESEARCH ON GPS PREC ISE EPHEM ERIS INTERPOLATI ON BASED ON HIGH/LOW ORDERS INTEGRATED

Wang Xiaoming,Cheng Yingyan and Liu Li
(Chinese Academ y of Surveyingamp;M apping,B eijing 100039)

Both the characteristics of Lagrange interpolation and Neville interpolation are compared with each other.It is concluded from the results that the high-order interpolation is not good enough for high-precise applications.Finally,a new interpolation method which based on high/low orders to solve this problem is put forth.

GPS;precise ephemeris;Lagrange interpolation;Neville interpolation;different orders

1671-5942(2011)04-0103-04

2011-02-15

國家基礎測繪項目(B2551)

王曉明,男,1988年生,碩士生,主要研究方向為空間大地測量數據處理的理論與方法.E-mail：chwxm@sina.cn

P207

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