基于全球IGS數據分網確定GPS衛(wèi)星軌道*

潭冰峰 袁運斌 劉 騰 王寧波

1)中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077

2)中國科學院大學，北京100049

1 引言

GNSS 導航星座精密定軌技術是保證導航系統運行最關鍵的核心技術，GNSS 軌道精度直接影響影用戶定位、測速及授時的精度［1－5］。目前，國際上進行導航星座精密定軌時大多采用動力學定軌方法，該方法受到衛(wèi)星動力學模型誤差以及數據處理策略等因素的綜合影響。有效地綜合考慮各類力學模型并且合理地選取定軌處理策略與流程是實現導航星座精密定軌的關鍵。另外，隨著IGS 全球跟蹤站的迅速增加，如何合理地對全球IGS 跟蹤網進行分網，提高計算效率也是導航衛(wèi)星精密定軌中需要考慮的重點問題［1，6，7］。

本文研制了一套GPS 導航星座精密定軌軟件，并利用全球200 個IGS 跟蹤站2012年年積日001—031 一個月的觀測數據，實現了GPS 導航星座精密定軌。并選取IGS 最終軌道產品作為參考，評定了基于本軟件的定軌精度［8－12］。

2 方法與處理流程

2.1 數據質量控制策略

完善的數據質量控制體系是保障高精度GPS導航星座定軌的重要前提。在進行定軌處理時，采用雙差無電離層組合的相位觀測數據，偽距觀測數據僅用于接收機時間同步。相位數據預處理采用三差方式逐基線進行，一般情況下，周跳可以得到很好的修復。如果周跳沒有被合理修復，相應的觀測數據將被剔除，新的模糊度參數也將被設置。程序中也采用了通過加權驗后殘差分析的方法進行粗差檢測與剔除，即:在進行迭代計算時，對雙差無電離層組合的相位觀測值，設定一定閾值(本文取為4 mm)，超限的觀測值將會被剔除。

2.2 力學模型及處理策略

基于衛(wèi)星軌道特點以及長時間數據處理經驗，選取合理的力學模型及處理策略，是GPS 導航星座精密定軌的核心問題［13－15］。表1 給出了改進得到的適用于GPS 導航星座精密定軌的觀測模型和力學模型。

2.3 雙差模糊度固定策略

定軌處理過程中，先進行單天解算，單天解算分為兩個步驟:模糊度浮點解和模糊度固定解。在進行雙差模糊度固定時，根據基線長度選取了不同的策略:

1)對于2 000 千米以下的基線，采用QIF(Quasi-Ionosphere-Free approach)方法固定雙差模糊度;

2)對于2 000 千米以上的基線，采用M-W(Melbourne-Wuebbena)線性組合與L3 線性組合結合的方式，固定雙差模糊度。

2.4 分網定軌策略及流程

為了有效地提高計算效率，在單天模糊度浮點解和模糊度固定解進行參數估計之前，進行了分網處理，將全球200 個IGS 跟蹤站劃分為4 個子網，分別作參數估計形成法方程，然后通過法方程疊加的方式，生成單天模糊度浮點解和模糊度固定解。針對此，本文研究了一種優(yōu)化的分網方法:根據測站的幾何分布將全球IGS 觀測網分為3 個子網(歐洲區(qū)域，美洲區(qū)域，亞洲、澳大利亞、非洲和大洋洲區(qū)域)，將3 個子網以外的觀測站設為第4 個子網。4個子網的分布如圖1 所示。其中，藍色倒三角表示歐洲區(qū)域觀測站(編號1)，綠色菱形表示美洲區(qū)域觀測站(編號2)，紫色正方形表示亞洲、澳大利亞、非洲和大洋洲區(qū)域觀測站(編號3)，紅色圓圈表示前3 個子網以外的觀測站(編號4)。

表1 觀測模型和力學模型Tab.1 Observation models and dynamic models of GPS navigation constellation POD

編號1 ～3 為全球分布比較密集的三個大區(qū)域，三個網內作參數估計的時候，嚴格考慮網內基線的數學相關性。編號為4 的觀測站，數量不多，大約只占10%，且形成基線時比較長，但是這些少量的站，可以起到連接其他三個子網以增強整網幾何結構的作用。

基于Linux 的并行計算的處理方式，可調用多個CPU 同時對4 個子網進行參數估計形成法方程并存儲，大大縮短了計算時間，最終通過4 個子網的法方程疊加，生成單天模糊度浮點解和模糊度固定解。

圖1 全球IGS 跟蹤站分網圖Fig.1 Station clusters of global IGS stations

2.5 最終軌道生成流程

由于單天解受限于定軌弧段限制，觀測數據有限，且相鄰天軌道具有不連續(xù)性，軟件中，基于單天模糊度固定解得到的法方程，將連續(xù)3 個單天的法方程進行疊加生成三天長弧段軌道，并在連接時段附加偽隨機脈沖加速度，得到三天解。將連續(xù)7 個具有重疊弧段的三天解法方程進行疊加，生成周解結果(9天解，覆蓋整個GPS 周，以及上一周最后一天和下一周開始第一天)，周解進行參數估計時，得到穩(wěn)定的站坐標結果以及一周的地球自轉參數ERP 結果。最終，將周解得到的站坐標和ERP 結果作為約束，重新進行最終三天解。

整個數據處理流程如圖2 所示。當得到最終三天解之后，取中間一天軌道結果作為最終軌道，并與IGS 最終軌道產品進行比較，進行精度評定。

3 定軌結果分析

將基于本文中研究的定軌策略以及研制的GPS導航星座精密定軌軟件，解算得到的GPS 導航星座2012年年積日001—031 一個月的最終軌道結果，與IGS 最終軌道產品互差，并統計徑向、切向、法向及1D 向位置偏差的均方根(圖3)。

由圖3 可知，基于本文提出的定軌策略解算得到的GPS 導航星座精密定軌最終軌道，與IGS 最終軌道產品互差，在徑向、切向、法向三個方向位置偏差的均方根分別為:0.70、1.60、1.04 cm，1D-均方根差為1.23 cm，而目前IGS 最終軌道產品標稱精度為1D-均方根差2.5 cm，因此，計算結果與IGS 最終軌道產品精度基本相當。

通過對一個月的計算結果，與IGS 互差后進行統計，發(fā)現結果與IGS 最終軌道產品沒有明顯偏差，精度相當，一個月的計算結果穩(wěn)定。徑向位置偏差的均方根統計結果在1 cm 以內，切向在1 cm 左右，法向約1.5 cm，這也符合動力學定軌的一般特征，沿跡方向一些攝動力一般難以被很好地模型化。

圖3 定軌精度統計Fig.3 Flow chart of POD accuracy

另一方面，文中提出的定軌策略以及研制的GPS 導航星座精密定軌軟件，通過對全球IGS 跟蹤網進行分網定軌后，基于Linux 并行計算的技術，同時調用多個CPU 并行處理每個子網，然后通過法方程疊加實現基于全球IGS 跟蹤網觀測數據處理以實現GPS 導航星座精密定軌。圖4 為30天分網與不分網的單天最終解計算時間統計圖，計算平臺同為Linux CentOS 64 位操作系統，CPU 單核主頻為2.8GHz。由圖4 可知，在硬件和操作系統完全相同的情況下，分網處理后大大提高了計算效率，使得原本需要8 小時的計算量，在2 小時內完成。

圖4 單天最終解計算時間Fig.4 Computing time of final one-day resolution

4 結論

1)基于本文所提出的GPS 導航星座精密定軌策略以及研制的GPS 導航星座精密定軌軟件，獲得的GPS 導航星座精密軌道與IGS 最終軌道產品在徑向、切向、法向、1D 方向位置偏差的均方根分別為:0.70、1.60、1.04、1.23 cm。計算結果穩(wěn)定，不僅可滿足相關領域的科研要求，而且對北斗衛(wèi)星導航星座的精密定軌、星載GPS 低軌衛(wèi)星精密定軌，也具有指導意義;

2)本文研制的定軌軟件，合理地將全球IGS 跟蹤站分為4 個子網，基于Linux 并行計算技術對各個子網進行定軌形成法方程，然后通過法方程疊加的方法實現基于全球IGS 站的GPS 導航星座精密定軌，大大提高了計算效率。

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