PANDA軟件在高頻數據 P PP動態定位中的應用研究＊

陳克杰 方榮新 李 敏 祝會忠

(武漢大學衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079)

PANDA軟件在高頻數據 P PP動態定位中的應用研究＊

陳克杰 方榮新 李 敏 祝會忠

(武漢大學衛星導航定位技術研究中心,武漢 430079)

結合具體算例分析了 PANDA的定軌、鐘差計算精度,并利用 PANDA計算的軌道、鐘差產品,對汶川地震期間的高頻 GPS觀測數據實施動態精密單點定位。結果表明,PANDA應用于高頻動態精密單點定位中具有實時性強,定位精度高等優勢。

PANDA軟件;高頻 GPS;動態精密單點定位;鐘差;實時性

1 引言

GPS精密單點定位 (Precise Point Positioning, PPP)采用單臺接收機獨立作業,由于作業方式靈活,無需基準站,被廣泛運用于大地測量和地球動力學研究。從運動狀態的角度,PPP可分為靜態定位和動態定位,其中動態定位模式可獲取測站的瞬時動態坐標。隨著 GPS觀測精度和處理方法的不斷改進和提高,高頻(1 Hz)和超高頻(20～50 Hz)GPS接收機的相繼出現,高頻動態 PPP成為監測瞬時地殼運動的有效手段之一[1-3]。

PPP需要采用精密軌道和鐘差產品,為了便于終端用戶研究,目前 IGS組織通過 Internet發布精密星歷、鐘差產品,主要分為 3種類型：超快速產品、快速產品、最終產品。它們的精度、時延、更新率、采樣間隔如表 1所示[4](本信息更新至 2011年 3月)。

由表 1可知,各種產品的軌道均達到 cm級精度,能夠滿足 cm級精密單點定位精度需求。但鐘差產品精度差別較大[5],如超快速產品的外推部分約為 3 ns,等效距離誤差約 0.9 m,對位置估值帶來的誤差影響較大。快速產品雖和最終產品精度相當,但分布的鐘差是 5分鐘采樣間隔。對于高頻GPS精密定位而言,觀測時刻的衛星星歷和鐘差均需內插得到,由于衛星軌道變化平緩,一般采用拉格朗日多項式插值公式等方法即可內插出觀測瞬間衛星的精確位置,而衛星鐘差存在短周期或不規則變化,其變化具有隨機性,若用 5分鐘采樣間隔的鐘差通過內插用于高頻精密單點定位,很難滿足 cm級的定位精度要求。

除了 IGS提供的精密星歷、鐘差產品外,也可利用全球分布的 IGS觀測站數據,自行對 GPS衛星進行定軌、獲取鐘差。目前較為著名的定軌軟件有BERNESE、EPOS、GAM IT、GIPSY等。武漢大學衛星導航定位技術研究中心自主研發的衛星導航系統綜合處理軟件(PANDA)在衛星精密定軌、PPP等方面達到了國際著名軟件的同等水平[6,7],可應用于衛星精密定軌和動態定位研究。

表1 IGS提供的軌道和鐘差產品信息Tab.1 Orbit and satellite clock information provided by IGS

PANDA軟件采用非差處理模式,數據編輯采取與Blewitt[8]一致的單站數據自動方法,盡可能探測與修復周跳并剔除異常值。對未修復的周跳引入新的模糊度參數,對未完全探測出的小周跳與粗差,在殘差編輯模塊的質量控制中進行處理。

PANDA軟件具備處理包括 GPS、SLR、KBR、衛星姿態與加速度計等多種類型觀測數據的能力,這些數據可以單獨或聯合用來估計地面站坐標、天頂延遲、GPS衛星精密軌道與鐘差、低軌衛星精密軌道、地球自轉參數等。

各類衛星的定軌精度可以達到 cm級、地面跟蹤網的相對定位可達mm級。該軟件不僅可以應用于我國一系列衛星計劃,同時可以作為科研平臺,應用于大地測量學、地球動力學、氣象學等科學研究領域。

2 實驗結果及分析

2.1 觀測數據

2008年 5月 12日 (年積日第 133天),汶川發生8.0級地震。GPS觀測站 XANY距震中約 570 km,其采樣率為 1 Hz,考慮到該站受地震的影響較大,為了捕捉到該點的同震形變,對其進行動態精密單點定位。為驗證 PANDA軟件在高頻動態精密單點定位中的應用價值,精密星歷和鐘差產品分別采用 IGS提供的最終產品、快速產品以及使用 PANDA軟件定軌得到的軌道、鐘差產品。本文選取全球均勻分布的 77個 IGS站(圖 1)的觀測數據進行定軌, IGS站的 GPS數據采樣間隔為 30 s。

圖1 IGS站點分布圖Fig.1 Distribution of IGS stations

2.2 定軌結果及精度分析

基于 IGS基準站提供的 GPS觀測數據,利用PANDA軟件的定軌模塊,對年積日 131～137的連續 7天數據進行定軌,衛星鐘差產品間隔為 30 s,由于 1號衛星因故停止服務,該衛星不參與計算。為了評價軌道和鐘差精度,將結果與 IGS提供的最終產品進行比較。對于鐘差而言,由于二者基準鐘選擇不同導致兩套鐘差之間存在系統性偏差,但是這種系統性偏差在定位中被模糊度和接收機鐘差吸收,不影響最終定位結果,本文以 2號衛星作為基準鐘。軌道和鐘差的RMS值按

計算。式中,Δi為第 i個歷元衛星坐標 (鐘差)之差,為其平均值,n為歷元數。

表2給出了 31顆衛星每天定軌的切向、法向、徑向以及三維的 RMS值的均值,表 3則給出了鐘差RMS值的均值。結果表明,與 IGS精密產品相比, PANDA軟件定軌精度穩定、可靠,算例中,衛星三維坐標互差在 4 cm以內,鐘差在 0.13 ns左右。

2.3 動態精密單點定位結果

利用 PANDA軟件的 PPP模塊,對XANY站進行動態 PPP處理。鑒于比較定位結果的考慮,軌道和鐘差分別使用 IGS最終和快速產品以及 PANDA定軌產品,其中PANDA得到的產品以“WHU”作為前綴標識。為便于提取同震形變,僅截取地震前后30分鐘的結果進行比對。

表2 PANDA定軌結果與 IGS精密軌道互差 RM S均值(單位:cm)Tab.2 M ean RM S of differences between the orbit determ i nation results by PANDA and precise orbit provided by IGS(un it:cm)

表3 PANDA鐘差結果與 IGS精密鐘差互差 RM S均值Tab.3 M ean RM S of differences between satellite clock error results by PANDA and precise satellite clock error by IGS

圖2 利用 IGS最終軌道、30 s鐘差產品動態精密單點定位結果Fig.2 Results of kinematic PPP by using the IGS final products of orbit and satellite clock error with 30 s interval

圖2～4給出了使用 IGS最終產品、快速產品以及WHU產品的動態精密單點定位結果。由圖 2～4可知,XANY站在地震前后水平方向上發生了明顯的位移,E方向達 22 cm左右,N方向達 30 cm左右。其中,使用 IGS最終產品得到的位移序列最為平滑,而 IGS快速產品由于只能提供 300 s鐘差,進行高頻精密單點定位時鐘差內插不準確,導致定位精度很差,無法準確反映同震形變信息,這也限制了IGS快速產品在高頻動態精密單點定位中的應用。使用WHU產品則能較好地提取形變信息,與 IGS最終產品高度吻合。IGS最終產品需要延遲 12～17天,而PANDA軟件定軌獲取WHU產品僅延遲7～8小時,其時效性優勢非常明顯。

圖3 利用WHU軌道、30 s鐘差產品動態精密單點定位結果Fig.3 Results of kinematic PPP using the WHU products of orbit and satellite clock error of 30 s interval

圖4 利用 IGS快速星歷、300 s鐘差產品動態精密單點定位結果Fig.4 Results of kinematic PPP by using the IGS rapid products of orbit and satellite clock errorwith 300 s interval

3 結語

1)PANDA軟件具有衛星精密定軌、鐘差計算、精密單點定位等功能,且定軌和計算鐘差精度穩定、可靠,其產品可進一步應用于精密單點定位,與 IGS最終產品相比,具有很強的實時性。在高頻動態精密單點定位中其優勢更加明顯,特別在地震瞬時獲取地殼形變方面具有巨大的應用價值。

2)用 PANDA軟件生成的定軌產品,其鐘差采樣間隔為 30s,而對于高頻 GPS數據 PPP處理而言,鐘差采樣率越高,其動態定位精度也會隨之提高。因此,后續的研究將利用 PANDA軟件生成的更高采樣率的鐘差產品 (如 1 s采樣的鐘差),應用于高頻動態精密單點定位。

1 孟國杰,等.GPS高頻數據處理方法及其在地震學中的應用研究進展[J].國際地震動態,2007,343(7)：26-31. (Meng Guojie,et al.Data processing methods of high rate GPS and Its application to seis mology[J].Recent Developments inWorld Seismology,2007,43(7)：26-31)

2 方榮新,施闖,辜聲峰.基于 PPP動態定位技術的同震地表形變分析[J].武漢大學學報 (信息科學版),2009,34 (11)：1 340-1 343.(Fang Rongxin,Shi Chuang and Gu Shengfeng.Precise point positioningwith high-rate GPS data applied to seismic displacements analysis[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2009,34 (11)：1 340-1 343)

3 方榮新.高采樣率 GPS數據非差精密處理方法及其在地震學中的應用研究[D].武漢大學,2010.(Fang Rongxin. High-rate GPS data non-difference precise processing and its application to seis mology[D].Wuhan University,2010)

4 IGS Products[DB/OL].http：//igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.ht ml.

5 馮義楷,等.GPS精密衛星鐘差的計算模型研究[J].大地測量與地球動力學,2010,(2)：109-112.(Feng Yikai, et al.Study on calculation mode of precise GPS satellite clock error[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010, (2)：109-112)

6 M Ge,et al.Resolution of GPS carrier-phase ambiguities in Precise Point Positioning(PPP)with daily observations[J]. J Geod.,2008,82：389-399.

7 趙齊樂,等.用 PANDA對 GPS和 CHAMP衛星精密定軌[J].大地測量與地球動力學,2005,(2)：113-117.(Zhao Qile,et al.Precise orbit determination of GPS and CHAMP satelliteswith PANDA software[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(2)：113-117)

8 Blewitt G.An automatic editing algorithm for GPS data[J]. Geophysical Research Letters,1990,17(3)：199-202.

RESEARCH ON APPL ICATI ON OF PANDA SOFTWARE TO HIGH FREQUENCY KINEMATIC PREC ISE PO INT POSITI ONING

Chen Kejie,Fang Rongxin,LiMin and Zhu Huizhong
(GNSS Research Center of W uhan University,W uhan 430079)

The precision of orbit determination and clock error computation of PANDA(Position And Navigation Data Analysis)is verified through experi ments.The high frequency GPS observation data during Wenchuan earthquake is processed by kinematic precise point positioning with the PANDA products of orbit and clock error. The results indicate that the advantages of using PANDA for high frequency kinematic precise point positioning are good in real time and of high accuracy.

PANDA software;high rate GPS;kinematic precise point positioning;clock error;real time

1671-5942(2011)04-0132-04

2011-03-16

國家自然科學基金(40904007);國家高科技研究發展計劃(863)重點項目(2007AA120603)

陳克杰,男,1988年生,碩士研究生,主要從事 GPS數據處理與 GPS地震學研究.E-mail：chen@whu.edu.cn

P227

A