硬件延遲偏差對(duì)衛(wèi)星鐘差解算的影響

于合理，郝金明，謝建濤，周 穎，鄭國(guó)慶

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450052；2.61287部隊(duì)，昆明 650102；3.61206部隊(duì)，北京 100042)

硬件延遲偏差對(duì)衛(wèi)星鐘差解算的影響

于合理1，郝金明1，謝建濤1，周 穎2，鄭國(guó)慶3

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，鄭州 450052；2.61287部隊(duì)，昆明 650102；3.61206部隊(duì)，北京 100042)

接收機(jī)接收到的不同類型觀測(cè)量的硬件延遲存在偏差，給出了利用消電離層組合進(jìn)行衛(wèi)星鐘差解算時(shí)硬件延遲偏差改正的方法，并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了硬件延遲偏差對(duì)衛(wèi)星鐘差解算的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：硬件延遲偏差會(huì)引起衛(wèi)星鐘差解算結(jié)果的系統(tǒng)性偏差，這一系統(tǒng)性偏差與衛(wèi)星有關(guān)，不同衛(wèi)星的系統(tǒng)性偏差不同，這一偏差可以達(dá)到2 ns，應(yīng)該加以改正。

硬件延遲；消電離層組合；硬件延遲偏差；衛(wèi)星鐘差；系統(tǒng)性偏差

1 引言

精密衛(wèi)星鐘差是采用偽距和相位觀測(cè)量，利用全球觀測(cè)站組網(wǎng)求解得到。在廣域?qū)崟r(shí)精密單點(diǎn)定位系統(tǒng)中，通常利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際服務(wù)協(xié)會(huì)(international global navigation satellite system service，IGS)提供的超快速軌道產(chǎn)品和幾個(gè)區(qū)域參考站網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時(shí)估計(jì)衛(wèi)星鐘差[1]。不同類型的觀測(cè)量的硬件延遲存在偏差，鐘差估計(jì)過程中很難將硬件延遲與鐘差參數(shù)分離。文獻(xiàn)[2]在比較PANDA 軟件計(jì)算的精密鐘差和IGS 事后精密鐘差時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一個(gè)與衛(wèi)星相關(guān)的系統(tǒng)性偏差，猜測(cè)是不同衛(wèi)星鐘的硬件延遲改正不同引起的。IGS公布的精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品是以雙頻P碼消電離層組合為基準(zhǔn)的鐘差，但并不是所有的接收機(jī)都能提供P1和P2觀測(cè)量，因此在衛(wèi)星鐘差解算中需要考慮硬件延遲偏差(different code bias，DCB)的影響[3]。本文從觀測(cè)方程著手分析了硬件延遲偏差的改正方法，通過精密衛(wèi)星鐘差估算軟件和觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了DCB對(duì)衛(wèi)星精密鐘差解算結(jié)果的影響。

2 硬件延遲偏差改正

(1)

(2)

根據(jù)消電離層組合系數(shù)可以得到

(3)

采用上式進(jìn)行衛(wèi)星鐘差估計(jì)時(shí)，鐘差參數(shù)與硬件延遲參數(shù)無法分離。接收機(jī)硬件延遲對(duì)每顆衛(wèi)星相同，與接收機(jī)鐘差不可分離，衛(wèi)星硬件延遲對(duì)每個(gè)接收機(jī)相同，與衛(wèi)星鐘差不可分離。IGS組織通常將接收機(jī)硬件延遲和衛(wèi)星的硬件延遲分別并入接收機(jī)和衛(wèi)星鐘差參數(shù)中進(jìn)行鐘差解算[1-4]。即

(5)

則此時(shí)觀測(cè)方程變?yōu)?/p>

(6)

(7)

(8)

按式(4)和和式(5)解得的衛(wèi)星鐘差是以雙頻P碼消電離層組合為基準(zhǔn)的鐘差，包含了P1和P2碼觀測(cè)量的衛(wèi)星硬件延遲。但并不是所有的接收機(jī)都能夠提供P1和P2觀測(cè)量，因此在利用非P1/P2型接收機(jī)觀測(cè)值進(jìn)行衛(wèi)星鐘差求解時(shí)必須對(duì)P1和C1觀測(cè)量的硬件延遲進(jìn)行改正，以保證觀測(cè)量與P1和P2觀測(cè)值的完全一致性。

目前市場(chǎng)上的接收機(jī)主要分為三種，一種是P1/P2型接收機(jī)(如ASHTECHZ-Xll3T)，能夠同時(shí)捕獲C1、P1和P2觀測(cè)值；一種是C1/P2型接收機(jī)(如LEICAGX1230)，能夠通過特殊的跟蹤技術(shù)同時(shí)捕獲C1和P2碼；另一種是C1/X2型新型接收機(jī)(如Trimble4000)，能夠通過交叉相關(guān)技術(shù)提供C1碼和一個(gè)特殊的碼觀測(cè)值線性組合X2碼[1-5]。解算時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)中包含不同類型接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮不同觀測(cè)量的硬件延遲偏差，以保證其與P1和P2觀測(cè)值的一致性。表1給出了不同類型接收機(jī)的硬件延遲改正方式，對(duì)于消電離層組合，P1/P2型接收機(jī)不需要對(duì)硬件延遲進(jìn)行改正，C1/P2型和C1/X2型接收機(jī)，只需要對(duì)碼消電離層組合觀測(cè)值加一個(gè)特定的和P1和C1碼觀測(cè)量的硬件延遲BP1-C1相關(guān)的改正。

表1 不同類型接收機(jī)硬件延遲偏差的改正方法

IGS組織成立相應(yīng)的工作小組負(fù)責(zé)每月發(fā)布一次GPS衛(wèi)星不同碼觀測(cè)量間的硬件延遲偏差。圖1畫出了2012年1月的不同衛(wèi)星的BP1-C1值。

圖1 2012年1月GPS衛(wèi)星P1和C1碼觀測(cè)量的硬件延遲

3 DCB對(duì)衛(wèi)星鐘差解算的影響

為了考察DCB對(duì)衛(wèi)星鐘差解算的影響，收集了2008-05-27日ACOR、MADR、SCOA、SFER、TLSE五個(gè)IGS參考站組成的一個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，分別采用加DCB改正和不加DCB改正兩種方法進(jìn)行鐘差解算實(shí)驗(yàn)，其中MADR和SCOA站接收機(jī)為P1/P2型接收機(jī)，ACOR、SFER站接收機(jī)為C1/P2型接收機(jī)、TLSE站接收機(jī)為C1/X2型新型接收機(jī)[6-7]。衛(wèi)星鐘差的精度評(píng)估一般采用二次差法[8-10]。本文以IGS提供的事后精密衛(wèi)星鐘差作為真值，選定一顆基準(zhǔn)星，將計(jì)算結(jié)果與IGS事后精密鐘差作二次差，分析DCB改正對(duì)衛(wèi)星鐘差解算的影響。

圖2～圖5分別表示以3號(hào)衛(wèi)星為基準(zhǔn)星得到的11、14、19、25四顆衛(wèi)星的二次差時(shí)間序列。圖6表示兩種方法解算得到的11、14、19、25四顆衛(wèi)星的鐘差精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 11號(hào)衛(wèi)星二次差時(shí)間序列

圖3 14號(hào)衛(wèi)星二次差時(shí)間序列

圖4 19號(hào)衛(wèi)星二次差時(shí)間序列

圖5 25號(hào)衛(wèi)星二次差時(shí)間序列

從圖2～圖5可以看出，兩種方法解算得到衛(wèi)星鐘差二次差時(shí)間序列變化趨勢(shì)基本一致，由圖6知，同一衛(wèi)星的鐘差噪聲水平(SD)也基本一致，通過計(jì)算得出兩者相差不超過0.01 ns，但未加DCB改正的計(jì)算結(jié)果與加DCB改正的計(jì)算結(jié)果存在著系統(tǒng)性偏差一般為0～3 ns之間，這一系統(tǒng)性偏差與衛(wèi)星有關(guān)，不同衛(wèi)星的系統(tǒng)性偏差有所不同。考慮到系統(tǒng)偏差與衛(wèi)星有關(guān)，這很可能是由于未改正硬件延遲偏差時(shí)，衛(wèi)星的硬件延遲被部分吸收到對(duì)應(yīng)衛(wèi)星鐘差中引起的。

圖6 四顆衛(wèi)星的鐘差精度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

IGS公布的衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品以雙頻P碼消電離層組合為基準(zhǔn)的鐘差，已經(jīng)包含了P1和P2碼觀測(cè)量的衛(wèi)星硬件延遲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改正DCB和不改正DCB兩種方法解算得到衛(wèi)星鐘差二次差時(shí)間序列變化趨勢(shì)基本一致，同一衛(wèi)星的鐘差噪聲水平基本相等。

DCB對(duì)衛(wèi)星鐘差解算結(jié)果的影響表現(xiàn)為系統(tǒng)性的誤差，這一系統(tǒng)性偏差與衛(wèi)星有關(guān)，不同衛(wèi)星的系統(tǒng)性偏差不同。其對(duì)衛(wèi)星鐘差的影響可以達(dá)到2 ns，因此在衛(wèi)星鐘差解算時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)硬件延遲加以考慮。

致謝：感謝全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)(IGMAS)信息工程大學(xué)分析中心對(duì)本文工作的支持和幫助。

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Impact of DCB on the Estimate of Satellite Clock Bias

YU He-li1，HAO Jin-ming1，XIE Jian-tao1，ZHOU Ying2，ZHENG Guo-qing3

(1.College of Navigation and Aerospace Engineering，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China； 2.Troops 61287，Kunming 650102，China；3.Troops 61206，Beijing 100042，China)

The hardware delay of different types of observation is different，the correct method of different code bias(DCB) when using ionosphere-free linear combination to estimate satellite clock bias was given，and quantitatively analyzed the influence of DCB on satellite clock estimate through experiments.Results show that DCB can caused a systematic bias that associated with satellite，this deviation could be 2 ns，so it must be dealt with carefully.

hardware delay；ionosphere-free linear combination；different code bias；satellite clocks；systematic bias

2014-04-25

于合理(1989)，男，河南周口人，博士，主要從事導(dǎo)航衛(wèi)星精密鐘差快速確定方法研究。

P228

A

2095-4999(2015)-01-0071-03