基于Bernese軟件對衛(wèi)星定軌實時計算

段淑珍,郭 英,韓曉冬,王 琦,畢京學(xué)

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

0 引 言

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的迅速發(fā)展,引起了各國軍事部門和廣大民用部門的普遍關(guān)注，同時,也對GPS衛(wèi)星星歷的精度和實時性提出了越來越高的要求。星歷按照精度可分為精密星歷和廣播星歷，由于精密星歷只能在衛(wèi)星觀測的11天后獲得,無法為實時定位、精確導(dǎo)航等提供有效服務(wù),所以要實時計算衛(wèi)星的位置只能利用GPS衛(wèi)星廣播星歷,其中含有開譜勒軌道參數(shù)、軌道攝動參數(shù)等信息[1]。由于用廣播星歷每一個小時發(fā)布一次,每2 h每顆衛(wèi)星有一組獨立的參數(shù),用相鄰兩組星歷計算同一時刻的衛(wèi)星位置,將會有不同的結(jié)果,因此，計算衛(wèi)星軌道是一項繁瑣的過程[2-4]。

本文主要根據(jù)Bernese軟件敘述了利用FORTRAN語言編譯的衛(wèi)星軌道程序處理廣播星歷的步驟,利用自編程序處理廣播星歷并與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷和精密星歷的軌道坐標(biāo)進行精度比較，并得出結(jié)論。

1 衛(wèi)星軌道的概述

由瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所研究開發(fā)的GPS數(shù)據(jù)處理軟件——Bernese GPS 4.2軟件,是目前國際上比較成熟的高端GPS精密應(yīng)用軟件之一，升級后的 5.0 版本既可以進行 GPS 精密定位定軌、電離層和對流層監(jiān)測應(yīng)用, 也可以應(yīng)用到低軌衛(wèi)星定軌和衛(wèi)星鐘差的計算,以及高精度時頻比對等[5]，由于Bernese GPS軟件的源代碼是開放的,也便于為大學(xué)、研究機構(gòu)和高精度的國家測繪機構(gòu)等單位進行研究以及二次開發(fā)。

其中軌道部分的源代碼與其他部分相對獨立,便于進行研究。Bernese GPS軟件在進行軌道定軌時,既可以利用精密星歷,也可以利用廣播星歷,前者主要應(yīng)用在高精度GPS數(shù)據(jù)處理中并針對長基線,后者主要針對短基線進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)Bernese軟件利用FORTRAN語言編譯的衛(wèi)星軌道程序主要是處理廣播星歷,任務(wù)是生成標(biāo)準(zhǔn)軌道、精密軌道等;程序中軌道由 15 個參數(shù)描述,分別為初始時刻的 6 個軌道根數(shù)和 9 個光壓模型參數(shù),其詳細說明見文獻[6]。

2 處理步驟

2.1 數(shù)據(jù)文件的準(zhǔn)備

在衛(wèi)星軌道處理中使用的GENERAL files:其中部分文件都不需要修改,例如常數(shù)文件CONST.,地球重力場模型文件JGM3.(BPE運算)或者GEMT3.(手工)等,直接使用默認的即可,但針對個別文件需要修改并應(yīng)該經(jīng)常更新。

這些文件[7]包括:

① 衛(wèi)星參數(shù)文件(SATELLIT. EX1),應(yīng)該改成SATELLIT. TTT并及時更新;

② 地球自轉(zhuǎn)參數(shù)信息文件(C04_＄ JJ2. ERP),"＄JJ2"為具體的年份,可根據(jù)實際處理數(shù)據(jù)情況將其改成相應(yīng)的年份(如2006),應(yīng)該下載與觀測值時間相符的相關(guān)文件;

③ 衛(wèi)星問題文件(SAT_＄ JJ2. CRX),包括壞衛(wèi)星和它們的觀測值。"＄JJ2"為具體年份,可將其改成2006等形式的年份,需要根據(jù)所處理數(shù)據(jù)的實際情況經(jīng)常更新此文件。

上述這些文件都可以從 ftp://ftp.unibe.ch/aiub/BSWUSER/下載得到。

2.2 格式的轉(zhuǎn)換

廣播星歷可以從 ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/網(wǎng)站上下載得到,一般的格式為RINEX格式,需要經(jīng)過RXOBV3程序,由RINEX格式轉(zhuǎn)化為Bernese格式。

2.3 生成標(biāo)準(zhǔn)軌道文件

Bernese GPS軟件在衛(wèi)星軌道處理部分有兩個主要的程序。

第一個程序是BRDTAB,其主要工作是把廣播星歷從地心地固坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)換為慣性坐標(biāo)框架,同時生成一個二進制的軌道列表文件,內(nèi)容為J2000慣性系統(tǒng)下的衛(wèi)星位置的數(shù)據(jù)文件,被ORBGEN程序調(diào)用，該文件中衛(wèi)星位置單位表示為km,歷元屬于一項特殊的記錄,被作為記錄的序號,并記錄某一時段內(nèi)的衛(wèi)星位置。

第二個程序是ORBGEN,其工作為由軌道列表文件產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)軌道文件，該文件是一個二進制文件,含有所有的計算軌道位置、軌道速度以及衛(wèi)星的時間微分等信息。軌道信息是以多項式系數(shù)的形式保存,每一組系數(shù)為一小時，一個標(biāo)準(zhǔn)軌道可以含有每顆衛(wèi)星的多個弧段[8]。

2.4 生成精密星歷文件

STDPRE程序是由標(biāo)準(zhǔn)軌道文件轉(zhuǎn)化為精密星歷文件,該程序只可以實現(xiàn)大于1 s的內(nèi)插,而且時間范圍和時間間隔可以按照用戶的需求進行定義。

綜合上面的各個步驟,圖1為衛(wèi)星軌道處理的流程圖。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 問題及解決方法

編譯過程中遇到的主要問題就是恒星文件(DE200.EPH)的讀取，在運行ORBGEN程序時DE200.EPH數(shù)據(jù)的讀取是最主要的問題,因為讀取方式的錯誤,在運行程序時總會出現(xiàn)如圖2所示的提示錯誤。

圖2 錯誤提示

這主要是因為讀取方式的不對,導(dǎo)致這種錯誤，DE200.EPH文件是美國噴氣推進實驗所(JPL)研究提出的一個恒星星歷文件,該文件是一個ANSI-C軟件包,公開發(fā)布在網(wǎng)站上,用來訪問星歷、計算相關(guān)的重心改正等,文件格式為美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼(ASCII)格式，該軟件包不斷進行修復(fù)定位,最新更新于2001年1月25日,所以需要從相關(guān)網(wǎng)站上下載更新[9]。

該文件使用廣泛,可以用于Unix、Windows等操作平臺,對不同的操作系統(tǒng)使用不同的文件格式，此次編譯的衛(wèi)星處理程序是在Windows系統(tǒng)下操作的,使用的DE200.EPH文件是Ascii碼數(shù)據(jù)格式,在讀取時要注意讀取格式的正確性，對于32位的Windows操作系統(tǒng),打開恒星星歷文件方式要正確,尤其圖3中RECL的值(IRECSZ)要設(shè)置正確。

圖3 打開恒星星歷文件的方式

4 算例與分析

4.1 算例

GPS衛(wèi)星接收機所接收到的廣播星歷的時間間隔為2 h,即所獲得的廣播星歷的時間是0時0分0秒、2時0分0秒直到23時59分44秒(24時0分0秒為第2天精密星歷的開始時刻)。由IGS提供的精密星歷的時間間隔僅為15 min,即從0時0分0秒、0時15分0秒直到23時45分0秒，由于廣播星歷和精密星歷的時間點不同,因此一般采用星歷外推的方法,外推時間為上下各1 h,本文主要是采用下推一個小時進行分析(例如2時0分0秒的廣播星歷外推得出2時0分0秒到2時59分59秒的軌道坐標(biāo))。

以2013年1月1日PRN12衛(wèi)星在歷元時刻2、14時的廣播星歷參數(shù)文件和PRN6衛(wèi)星歷元時刻8、20時的廣播星歷參數(shù)文件為例,由編譯的衛(wèi)星軌道程序計算出2時至3時、8時至9時、14時至15時、20時至21時之間的相關(guān)坐標(biāo)值,其中12號衛(wèi)星廣播星歷是多個時段的參數(shù)文件,而6號衛(wèi)星是單個時段的廣播星歷文件,處理的結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷、精密星歷的相應(yīng)時間坐標(biāo)值進行對比,并比較其精確度。

4.2 結(jié)果分析

圖4～圖7分別給出了編譯程序處理的12號衛(wèi)星在2:0:0-2:59:59,14:0:0-14:59:59時間段的軌道坐標(biāo)和6號衛(wèi)星在8:0:0-8:59:59,20:0:0-20:59:59時間段的軌道坐標(biāo)與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷、精密星歷的相應(yīng)時間坐標(biāo)的三坐標(biāo)誤差值。表1示出了6、12號衛(wèi)星在一天中部分時段的三坐標(biāo)誤差均值,表2、表3分別示出了6、12號衛(wèi)星在這一天中相應(yīng)時段與IGS精密星歷的坐標(biāo)差值及均值。

圖4 2-3時12號衛(wèi)星三軸坐標(biāo)誤差

圖5 8-9時6號衛(wèi)星三軸坐標(biāo)誤差

圖6 14-15時12號衛(wèi)星三軸坐標(biāo)誤差

圖7 20-21時6號衛(wèi)星三軸坐標(biāo)誤差

圖中:dx1為編譯結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷在X方向的坐標(biāo)差;dy1為編譯結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷在Y方向的坐標(biāo)差;dz1為編譯結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷在Z方向的坐標(biāo)差;dx2為編譯結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的精密星歷在X方向的坐標(biāo)差;dy2為編譯結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的精密星歷在Y方向的坐標(biāo)差;dz2為編譯結(jié)果與Bernese GPS 5.0軟件處理的精密星歷在Z方向的坐標(biāo)差。

表1 統(tǒng)計平均誤差

表2 與精密星歷相比的坐標(biāo)誤差

表3 與精密星歷相比的坐標(biāo)誤差均值

由圖4～7和表1、2、3可以得出:

1)計算得出的12號衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)與Bernese GPS 5.0軟件處理的廣播星歷和精密星歷計算的軌道坐標(biāo)相比,誤差最大不超過±2.5 m,計算得出的平均誤差最大不超過2 m;

2)06號衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)與廣播星歷、精密星歷計算的軌道坐標(biāo)最大誤差不超過±2.5 m,計算得出的平均誤差最大不超過1.5 m.

3)06、12號衛(wèi)星的軌道坐標(biāo)與IGS(國際GPS服務(wù))精密星歷給出的坐標(biāo)相比,三坐標(biāo)分量最大誤差均不超過±1.5 m,計算得出的一個時段的平均誤差最大也不超過1.5 m.

5 結(jié)束語

對于精密定位或地球動力學(xué)應(yīng)用來說,利用廣播星歷計算出來的衛(wèi)星的軌道位置坐標(biāo)與精密星歷提供的衛(wèi)星軌道位置坐標(biāo)的誤差應(yīng)達到±2 m以至分米級的精度[10],由以上分析中不難看出,衛(wèi)星參考時刻的附近點上,衛(wèi)星位置的誤差均在±1.5 m以內(nèi),滿足精度要求，而在其他點上之所以誤差會大于±2 m,是由于這些點上的數(shù)據(jù)是由廣播星歷參考時刻時間點上的數(shù)據(jù),利用時間外推的方法推算出來的,由于在參考時刻上廣播星歷中存在衛(wèi)星鐘差的影響,進而也使外推點上的誤差進一步增大,所以誤差才會超過±2 m.而以前的各種方法得出的衛(wèi)星位置誤差一般在20 ～40 m，因此,可以說明利用FORTRAN語言編譯的衛(wèi)星軌道程序不僅可以同時處理一個時段或者多個時段的廣播星歷文件,而且在處理廣播星歷計算衛(wèi)星軌道位置坐標(biāo)精度方面比以往有了一定的改善。

[1] 李征航,黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理廠[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2010.

[2] 余 鵬,孫學(xué)金,趙世軍.GPS衛(wèi)星廣播星歷軌道誤差的探討[J].測繪通報, 2004(4):6-8.

[3] 郭秋英,胡振琪. GPS衛(wèi)星坐標(biāo)的計算[J]. 全球定位系統(tǒng), 2006,31(3):13-15.

[4] 湯均博.基于單組廣播星歷的GPS衛(wèi)星在軌位置的擬合計算[J].海洋測繪,2006, 26(1):34-36.

[5] 韓 菲,程傳錄,王小瑞.BERNESE 5.0 軟件及其在高精度GPS 數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].測繪信息與工程,2011,36(2):46-47.

[6] 張守信. GPS 衛(wèi)星測量定位理論與應(yīng)用[M].長沙:國防科技大學(xué)出版社, 1996.

[7] 鄭作亞. Bernese GPS 4. 2 版本數(shù)據(jù)處理軟件的介紹與探討[J]. 中國科學(xué)院上海天文臺年刊,2004(24):147-148.

[8] 周 利,匡翠林. Bernese高精度 GPS數(shù)據(jù)處理軟件介紹及其應(yīng)用實例 [J]. 測繪與空間地理信息, 2007,30(5):112-113.

[9] 郭 英.基于BERNESE V4.2軟件的GPS動態(tài)定位研究[D].山東:山東科技大學(xué)碩士, 2004.

[10]劉 磊,盛 崢,王迎強,等. 利用廣播星歷計算GPS衛(wèi)星位置及誤差分析[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報,2006,7(6):595-596.