北斗衛星導航系統實時定軌與鐘差處理策略

崔紅正唐歌實宋柏延劉薈萃葛茂榮

(1北京航天飛行控制中心航天飛行動力學技術重點實驗室,北京100094)

(2北京航空航天大學宇航學院,北京100191) (3德國地學研究中心,波茨坦14473)

北斗衛星導航系統實時定軌與鐘差處理策略

崔紅正1,2唐歌實1宋柏延1劉薈萃1葛茂榮3

(1北京航天飛行控制中心航天飛行動力學技術重點實驗室,北京100094)

(2北京航空航天大學宇航學院,北京100191) (3德國地學研究中心,波茨坦14473)

目前鮮有對北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)實時精密定軌與鐘差確定的研究,文章提出了BDS實時軌道與實時鐘差處理策略,包括了觀測與動力學模型、實時軌道與實時鐘差處理流程與評估方法。尤其對于實時鐘差,為了提高計算效率,聯合使用兩個獨立并行的線程估計非差絕對鐘差和歷元間相對鐘差。利用多模全球衛星導航系統試驗(MGEX)與全球連續檢測評估系統(iGMAS)實測數據進行了北斗實時軌道與鐘差解算,BDS實時軌道徑向平均精度對于GEO衛星優于20 cm,對于IGSO與MEO一般優于10 cm;鐘差精度對于GEO衛星為0.5～4.5 ns,對于IGSO/MEO為0.2～2.0 ns。基于目前的軌道與鐘差結果,實時精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)結果可以達到分米量級。

北斗衛星導航系統;實時確定;衛星鐘差;精密單點定位;全球連續檢測評估系統;衛星軌道

1 引言

截止到2012年底,北斗衛星導航系統(BDS,本文簡稱“北斗”系統)共有14顆衛星,并已經開始提供亞太區域服務,計劃到2020年全球衛星星座部署完畢,開始提供全球導航定位服務。為開展全球范圍全球衛星導航系統(GNSS)開放服務的監測評估,2011年,中國在ICG(International Committee on GNSS)大會上提出了建立iGMAS系統的建議[1]。經初步論證,全球連續監測評估系統包括30個全球跟蹤站(國外21個、國內9個,大部分支持四大系統)、3個數據中心、8個分析中心、1個監測評估中心、1個產品綜合與服務中心、1個運行控制管理中心和通信鏈路等。國際GNSS服務組織(IGS)也一直關注中國“北斗”系統的建設,IGS發起了MGEX(Multi GNSS Experiment)實驗,并在2012年召開了以Multi-GNSS為主體的工作組,目前有近60個跟蹤站具“北斗”系統數據跟蹤能力,對本文的研究提供了重要的數據源。隨著“北斗”系統空間段與地面段建設的日趨完善,為了改善“北斗”系統在亞太區域的定位精度、可用性、連續性以及完好性,我國也開始籌建“北斗”系統廣域增強系統,其核心是生成高精度實時衛星軌道、鐘差、電離層產品信息,本文正是基于此開展“北斗”系統實時衛星軌道與衛星鐘差確定技術的研究。

2000年JPL研制的實時GPS衛星定軌與鐘差確定軟件RTG(Real Time GIPSY)[2],基于美國NASA全球GPS網絡(GGN)60個左右觀測站的實時數據,可以提供GPS衛星準實時與實時精密軌道與鐘差產品。2002年IGS成立了實時產品工作組(RTWG),為促進GNSS實時產品的應用,開始了原型實時產品生成系統的研究。在IGS組織2002—2007戰略計劃中,實時產品處理被確定為GNSS高精度數據處理技術發展趨勢之一。文獻[3]在Bernese軟件的基礎上,對軌道、鐘差、地球自轉參數、測站坐標以及大氣參數進行了準實時處理分析。文獻[4]采用擴展卡爾曼濾波開發了實時衛星軌道和鐘差生成的Auto-BAHN系統,實時衛星軌道鐘差更新率為5 min,實時軌道精度15 cm左右,鐘差精度為0.3 ns。文獻[5]開發了實時精密軌道和鐘差確定系統(RTOD),快速預報軌道作為實時軌道,精度為20 cm。德國地學研究中心(GFZ)開發了EPOS-(RT)軟件,實時定軌精度為5 cm以下,鐘差精度為0.1 ns[6]。國內方面,導航衛星定軌技術研究開始于20世紀80年代,伴隨GPS進入中國,許多學者開始對導航衛星精密定軌展開研究。雖然近年來GNSS數據分析工作在國內取得了長足的進度,如武漢大學基于實時軌道與鐘差產品[7-8],開展了中國及周邊區域的廣域實時精密定位原型系統的研究與建設,但實時GNSS數據處理工作尚處于起步階段,尤其對于具有自主知識產權的“北斗”系統。

本文給出了實時軌道與鐘差確定策略,利用iGMAS、MGEX實時數據流,對全球實時“北斗”系統衛星軌道與鐘差處理結果進行了分析,并給出了實時精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)結果。

2 實時軌道與鐘差確定策略

導航衛星經過長期的模型精化,軌道動力學模型已經非常成熟,短期軌道預報達到很高的精度,本文實時軌道每次處理繼承之前70 h的觀測弧段,結合2 h的最新觀測弧段,合并成72 h觀測弧段(3天弧段)利用最小二乘估計器進行軌道確定,并預報2 h弧段作為實時軌道產品。

實時“北斗”系統衛星鐘差處理流程如圖1所示,為了提高計算效率,尤其是在實時應用中,精密鐘差實時估計采用固定衛星軌道和站坐標參數,僅估計衛星鐘差、接收機鐘差、對流層和模糊度參數的方式。為了進一步提高計算效率采用非差模型估計與歷元差分模型估計兩個線程相結合的模式,對于非差模式,采用無電離層的非差相位相位(LC)和偽距組合(PC)觀測值,同時估計的參數有衛星鐘差、接收機鐘差、實數無電離層組合模糊度參數、對流層參數:

對于非差模式的處理模式,大量待估參數影響了實時鐘差的處理速度,此處采用參數消除方法來降低法方程中參數的維數[9],由于鐘差逐歷元變化,在進入法方程之前將其預先消除,待模糊度參數、對流層參數求解完成后,然后恢復出消除的鐘差參數。為了進一步提高處理效率,采用如下歷元差分估計模式:

此處消去了模糊度參數,進而有效提高處理效率。聯合使用兩個獨立并行的線程估計非差和歷元相對鐘差,非差線程估計5 s采樣率鐘差,而在歷元差分線程中1 s估計一組相對衛星鐘差,即得到高效率生成高采樣率實時鐘差產品。

圖1 “北斗”系統衛星實時鐘差處理流程Fig.1 Diagram of BDS satellite real time clock determination

固定利用后處理PPP解算或從SINEX(Solution INdependent EXchange Format)文件中讀取的測站坐標,并固定預報實時軌道,利用“北斗”系統廣播星歷作為待估鐘差的初值,采用均方根信息濾波器(SRIF)估計器[10]對實時數據流進行處理,得出“北斗”系統實時鐘差產品,具體估計策略如表1所示。由于網絡延遲與數據處理延遲,實時鐘差產品有幾秒至幾十秒的延遲,需要對其進行超短期預報。此處,由于鐘差估計時間基準的不穩定性,對歷元間鐘差差分序列進行二次多項式擬合,求出歷元間差分預報值,之后再還原成預報鐘差。

表1 實時 “北斗”系統衛星軌道與衛星鐘差估計策略Tab.1 Processing strategies for BDS real time orbit determination and clock determination

續表1

對于實時軌道與鐘差,利用GFZ解算的“北斗”系統最終軌道與鐘差產品進行外符合精度對比,并利用仿真實時PPP結果驗證“北斗”系統實時軌道與鐘差的解算效果。用1D RMS來評價定軌結果,1D RMS=((RM+RM+RM)/3)1/2,其中,RMSR為徑向RMS,RMSC為法向RMS, RMSA為跡向RMS。

3 算例測試與結果評估

算例測試結果如圖2～圖7所示?！氨倍贰毕到y實時軌道處理采用MGEX與iGMAS一共55個站的“北斗”系統觀測數據,如圖2所示,計算時間為“北斗”系統時間(BDT):2015年第060天到066天。2 h預報軌道與GFZ的最終“北斗”系統軌道產品[12]對比。軌道精度對于GEO衛星(C01C02C04C05)為100～400 cm(1D RMS),對于IGSO(C06C07C08C09C10)為80 cm(1D RMS)以下,MEO(C11C12C14)為30 cm(1D RMS)以下,如圖4所示。對于定位精度,主要考察軌道徑向精度,BDS實時軌道徑向平均精度如圖5所示,GEO衛星為20 cm以下,對于IGSO與MEO為10 cm以下。

“北斗”系統實時鐘差處理采用如圖1所示的策略,MGEX與iGMAS一共19個站具有“北斗”系統實時流觀測數據,如圖3所示,計算時間為“北斗”系統時間:2015年第060天到066天,實時“北斗”系統鐘差與GFZ的最終“北斗”系統鐘差產品[12]對比。鐘差精度對于GEO衛星為0.5～4.5 ns,對于IGSO與MEO為0.2～2.0 ns以下,如圖6所示。

實時PPP結果用來驗證“北斗”系統實時軌道與鐘差的解算效果,利用北京航天飛行控制中心自己維護的多模GNSS跟蹤站BJSH站的實時數據,進行仿真實時PPP解算。計算時間為“北斗”系統時間:2015年第060天到066天,利用GPS靜態PPP結果作為測站參考坐標,每天重新啟動,24 h后的定位結果如圖7所示:水平東方向(East)低于5 cm,水平北方向(North)低于10 cm,垂直向上方向(Up)低于10 cm,但由于063天“北斗”系統鐘差缺少部分衛星,導致定位精度稍微偏差。

圖2 用于BDS實時軌道解算的跟蹤站分布Fig.2 Ground tracking stations distribution for real time orbit determination

圖3 用于BDS實時鐘差解算的跟蹤站分布Fig.3 Ground tracking stations distribution for real time clock determination

圖4 BDS實時軌道與GFZ的最終北斗軌道產品對比(1D RMS)Fig.4 1D RMS of BDS real time orbit compared with GFZ final orbit

圖5 BDS實時軌道徑向平均精度統計Fig.5 Mean radial RMS of BDS real time orbit compared with GFZ final orbit

圖6 BDS實時鐘差精度統計Fig.6 STD of BDS real time clock compared with GFZ final clock

圖7 基于BDS實時軌道與實時鐘差的實時PPP精度Fig.7 Real time PPP accuracy for BJSH station

4 結束語

本文針對“北斗”系統廣域增強系統建設的需要,提出了“北斗”系統實時軌道與實時鐘差處理流程,尤其對于實時鐘差,為了提高計算效率聯合使用兩個獨立并行的線程估計非差絕對鐘差和歷元相對鐘差。利用MGEX與iGMAS實測數據進行了“北斗”系統實時軌道與鐘差解算,BDS實時軌道徑向平均精度:GEO衛星為20 cm以下,對于IGSO與MEO為10 cm以下;鐘差精度對于GEO衛星為0.5～4.5 ns,對于IGSO與MEO為0.2～2.0ns以下。基于目前的軌道與鐘差結果,實時PPP結果可以達到分米量級。結果表明本文提出的處理流程與策略可很好完成“北斗”系統廣域增強系統對核心實時軌道與鐘差的需求,可以用于北斗二代重大專項中國廣域增強系統關鍵技術攻關與演示驗證。后續,隨著“北斗”系統空間段與地面段加速建設,實時軌道與鐘差精度能夠進一步提高。為了滿足不同導航系統的互操作,需要進一步對多系統的實時產品聯合解算效果進行分析。

致謝 作者感謝國際GNSS監測評估系統(iGMAS)提供的觀測數據(www.igmas.org)。

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作者簡介

崔紅正 1983年生,2012年獲北京航空航天大學飛行器設計專業博士學位,現為北京航天飛行控制中心博士后。研究方向為GNSS高精度數據處理、衛星星座的優化設計、航天器精密軌道確定、航天器姿態軌道動力學與控制、航天任務分析與設計。

BDS Satellite Real Time Orbit and Clock Determination and Initial Results Analysis

CUI Hongzheng1,2TANG Geshi1SONG Baiyan1LIU Huicui1GE Maorong3
(1 Flight Dynamics Laboratory,Beijing Aerospace Control Center,Beijing 100094)
(2 School of Astronautics,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191)
(3 German Research Center for Geosciences,Potsdam 14473)

Navigation satellite real time orbit determination and clock determination are research highlights in navigation areas.The processing strategies and processes for Beidou Navigation Satellite System(BDS)real time orbit determination and clock determination were provided,especially for the clock processing with zero-differenced absolute clock and epoch-differenced relative clock.Using the data from the Multi-GNSS Experiment(MGEX)and international GNSS monitoring&Assessment Service(iGMAS)tracking networks,the average orbit accuracy for real time BDS in radial direction is better than 20 cm,and 10 cm for GEO,IGSO and MEO,respectively.And the clock accuracy for real time BDS can reach 0.5～4.5 ns,and 0.2～2.0 ns for GEO,IGSO and MEO,respectively. Based on the this result,the real time precise pointing position(PPP)performance following BDS can achieve decimeter level.

BDS;Real time determination;Satellite clock;Precise point positioning; iGMAS;Satellite orbit

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.05.001

(編輯:車曉玲)

中國博士后科學基金第52批面上(2012M521883),全球連續監測評估系統分析中心建設與運行維護(GFZX0301040308-05)資助項目

2015-01-07。收修改稿日期:2015-05-20