多模GNSS非差精密定軌快速數據處理方法

黨金濤 郭東曉 李建文 張錦軍

1 信息工程大學導航與空天目標工程學院，鄭州市科學大道62號，450001

2 92493部隊，葫蘆島市，125000

為了將數據處理能力由單一的GPS拓展到GLONASS甚至多系統，IGS于2003年成立MGEX（multi－GNSS experiment）工作組，并已取得許多成果［1－2］。為在全球范圍內開展GNSS開放服務的監測評估，我國正在積極建設國際GNSS監測評估系統（international GNSS monitoring and assessment system，iGMAS）。其主要任務包括建立多重覆蓋的全球分布的跟蹤站，進行數據接收、存儲與分析，并向外發布GNSS 多系統的共享數據與產品［3］。其中，GNSS 多系統精密軌道產品是其核心產品之一。

iGMAS分析中心所采用的觀測數據來自IGS、MGEX 和iGMAS跟蹤站，軌道和鐘差產品包括GPS、GLONASS、BDS和Galileo 4個系統。同時，4系統超快速軌道產品的時延要求為2h，而IGS發布的超快速軌道產品時延要求為3h，并只解算GPS 和GLONASS 兩個系統。隨著IGS、MGEX 和iGMAS全球跟蹤站的迅速增加，針對超大觀測網的海量數據，研究一種多模GNSS快速數據處理方法，是導航衛星精密定軌中值得關注的問題。

1 定軌策略及方法

1.1 力學模型與觀測模型

根據經驗，選取合理的力學模型。對于GPS／GLONASS／Galileo衛星，采用相同的力學模型。針對北斗IGSO 衛星姿態轉換期間定軌精度降低的問題，每6h校正ECOM 模型中Y和B方向常數項，可提高北斗IGSO 衛星在姿態轉換期間的定軌精度［4］。對于BDS／Galileo，初始軌道采用由廣播星歷計算的軌道位置。對于GPS／GLONASS，初始軌道采用IGS發布的超快速軌道產品的預報部分，可以減少參數估計的迭代次數，提高計算效率。

聯合使用消電離層組合偽距和相位非差觀測量，并對偽距進行相位平滑。全面考慮各種觀測量改正項，建立完善的觀測模型，并與IERS 2003規范一致。對于未能精確模型化的誤差因素，則通過參數估計吸收［5］。表1為采用的力學模型和觀測模型。

1.2 參數預消除與恢復

IGS、MGEX 和iGMAS 超大觀測網數據處理時，計算任務繁重，耗時過長的問題異常突出。逐歷元組建觀測方程時，大量的鐘差參數、對流層參數、模糊度參數以及偽隨機脈沖加速度參數不斷增加，使法方程的維數急劇增大。在數據處理過程中，涉及到矩陣的運算往往耗時較長，尤其是矩陣求逆的過程［6］。

考慮到歷元參數（鐘差參數）和分段估計的參數（對流層參數、模糊度參數和偽隨機脈沖加速度參數）只與部分時段的觀測數據相關，因此在相應的觀測歷元或者弧段結束后，可以將其從法方程中消減掉，從而提高計算效率。

對于鐘差參數、對流層參數和模糊度參數的預消除和回代按照以下方法處理［7］。設有法方程：

將式（2）第一行加上第二行，得：

對于偽隨機脈沖加速度參數，利用軌道參數在子區間Ii－1與Ii之間的遞推關系進行參數預消除［8］。

表1 力學模型與觀測模型Tab.1 Dynamic models and observation models

1.3 分網定軌策略及流程

目前，IGS全球跟蹤站已達460個，其中具有GPS／GLONASS雙模數據的測站有260 個左右［9］。MGEX布設的測站有90個左右，具有GPS／GLONASS／BDS／Galileo多模觀測數據，但尚未形成全球均勻分布的觀測網。iGMAS布設的多模跟蹤站也在逐漸增加。IGS、MGEX 和iGMAS的測站分布如圖1所示［10］，其中，圓圈代表IGS測站，正方形代表MGEX 測站，三角形代表iGMAS測站。

圖1 IGS、MGEX 和iGMAS測站分布圖Fig.1 The station distribution of IGS，MGEX and iGMAS

定軌過程中，由于大量參數需要解算，更多的觀測量和更好的觀測幾何分布可以提高定軌的精度。目前，MGEX 和iGMAS測站數有限，幾何分布不夠均勻，且部分測站數據質量不穩定，直接用來解算BDS／Galileo的軌道和鐘差，不利于達到更高的定軌精度。IGS、MGEX 和iGMAS 超大觀測網可為GPS精密定軌提供充足的觀測數據。同時，考慮到GPS精密定軌力學模型與觀測模型已經相當成熟和完善［11］，首先進行GPS 精密定軌，盡快獲取高精度的GPS軌道和鐘差，并將解算出的公共參數（包括測站坐標、測站鐘差、對流層和地球自轉參數）引入到其他3個系統的定軌中。整個數據處理流程如圖2所示。

進行BDS／Galileo精密定軌時，需要首先利用上步解算得到的GPS軌道和鐘差，進行精密單點定位，以獲得MGEX 和iGMAS 測站的坐標、鐘差和對流層延遲。需要說明的是，數據處理采用統一的時空系統：時間系統采用GPST，坐標系統采用IGS08。

為保證子網解算的穩定性，分配的每個子網都是均勻分布的。如果某個子網解算失敗，只進行其他子網法方程疊加，以避免觀測網分布不均造成定軌精度降低。進行GLONASS／BDS／Galileo精密定軌時，由于測站數相對較少，將觀測網分成兩個子網。

2 算例分析

實驗采用100個IGS、MGEX 和iGMAS 測站的觀測數據來解算超快速軌道產品，時域為2014－07－20～07－26。為驗證分網定軌策略的效果，設計兩種方案進行對比分析。方案一：采用不分網解算方式，GPS／GLONASS軌道采取整體解算，其他策略與圖2中的數據處理策略相同；方案二：采用圖2中的分網定軌策略。需要說明的是，采用的100個測站是在數據預處理后，兼顧數據質量和測站分布、自動選取的測站最優集合。

兩種方案GPS／GLONASS／BDS／Galileo各系統定軌一周的耗時情況如圖3所示。從圖3可看出，方案一的整個數據處理耗時約為115min，其中，GPS／GLONASS 定軌耗時約為80 min，BDS／Galileo定軌耗時約為35min。方案二的整個數據處理耗時約為63 min，其中，GPS定軌耗時約為37 min，BDS／Galileo 定軌耗時約為25 min，GLONASS 定軌耗時約為18 min。整個數據處理耗時縮短50min左右，可為定軌弧段內最后1h的觀測數據下載預留出更多的時間，保證在解算前獲得完整的觀測數據。

兩種方案GPS／GLONASS／BDS／Galileo各系統一周的超快速軌道（觀測部分）的精度如圖4～6 所示。GPS和GLONASS軌道精度評定以IGS發布的最終軌道產品作為參考，BDS／Galileo以GFZ、TUM 發布的軌道產品作為參考。

從圖4可以看出，方案二較方案一GPS定軌精度略有提高，兩種方案GLONASS定軌精度基本相當。從圖5、圖6可以看出，方案二較方案一BDS／Galileo定軌精度有較大提高：MEO／IGSO定軌精度提高約2～3cm，GEO 定軌精度提高10 cm 左右。

圖2 數據處理流程圖Fig.2 Flow chart of data processing

圖3 數據處理耗時統計Fig.3 The statistics of data processing time－consumption

圖4 GPS和GLONASS所有衛星軌道RMSFig.4 The RMS of all satellites orbits of GPS and GLONASS

圖5 Galileo所有衛星軌道RMSFig.5 The RMS of all satellites orbits of Galileo

圖6 BDS所有衛星軌道RMSFig.6 The RMS of all satellites orbits of BDS

3 結 語

針對IGS、MGEX 和iGMAS 跟蹤站組成的超大觀測網，提出一種多模GNSS非差精密定軌快速數據處理方法，并結合一周的實測數據，設計了兩種實驗方案。結果表明，采用改進的數據處理策略，超快速軌道解算的數據處理耗時縮短50 min左右，可為觀測數據準備和下載預留出充足的時間，全天的觀測數據能夠全部參與軌道解算，提高了定軌精度。其中，BDS／Galileo 的定軌精度提高較為明顯，MEO／IGSO 軌道精度提高2～3cm 左右，GE 軌道精度提高10cm左右。

致謝：感謝全球連續監測評估系統（iGMAS）信息工程大學分析中心對本文工作的幫助和支持！

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