雙差精密定軌中地面站的選取方法

曹炳強，成英燕，許長輝

(中國測繪科學研究院，北京 100830)

雙差精密定軌中地面站的選取方法

曹炳強，成英燕，許長輝

(中國測繪科學研究院，北京 100830)

針對目前全球的地面測站數量多、測站觀測數據質量參差不齊及測站地理分布不均的問題，總結了一種測站選取方法。利用該方法編制的測站選取軟件對IGS站進行了選擇，并根據選得的測站設計了幾種定軌試驗。結果顯示，利用由本文的測站選取方法得到的70個基準站進行定軌時，得到的衛星位置與IGS精密星歷在徑向、切向、法向偏差均方根分別為1.11、2.19、1.72 cm。驗證了本文選站軟件的可靠性，避免了選站過程中過多的人為因素，并且在保障精度的前提下提高了定軌效率。

IGS；選取方法；選取軟件；可靠性；定軌效率

精確的軌道位置可以提高導航系統的各項服務和用戶的定位精度，除了動力學模型、定軌方法等對導航衛星的軌道和鐘差有影響之外，地面跟蹤站的數量和分步也對定軌精度產生了一定的影響。如今隨著GNSS的融合與衛星精密定軌技術的逐步發展，越來越多的觀測站點被建立，其中IGS和iGMAS全球觀測站點的數量已超過500個。因此如何在保障定軌精度的情況下，有效剔除冗余的測站，提高計算效率顯得尤為重要。本文首先介紹了測站選取的方法，然后利用編制的選站軟件結合GPS實測數據，開展了定軌試驗，并進一步分析了定軌精度[1-5]。

1 數據處理

1.1 衛星軌道解算方法

衛星軌道位置的確定可以分為三步：①對觀測數據進行預處理；②建立觀測方程，進行參數的估計，得到某個時刻衛星的精確狀態參數；③對這個時刻衛星的軌道參數進行積分，得到其他時刻的衛星位置[6-9]。衛星定軌的基本流程如圖1所示。

圖1 衛星位置計算流程

1.2 測站選取方法

為了得到高精度的定軌結果，必須對測站的選取方法進行合理、嚴密的分析。綜合國內外的研究選點基本標準，首先應進行測站的初選，測站在近幾年必須是連續觀測，將處理過程中不連續和觀測質量較差的點刪除；對基準站的觀測數據進行處理之后，得到站點坐標時序穩定性好，并具有穩定的點位變化速度，速度場精度優于3 mm/a。然后進行站點的進一步精選，采用七參數法精選站點，以板塊運動模型劃分的合理板塊地界作為地學資料，基準站的速度可以表示為[10]

(1)

其中

(2)

這樣則有

(3)

忽略區域性地殼形變與觀測噪聲的影響，寫成誤差方程形式得

(4)

平差模型為間接平差：V=BX-L，因此可以得到X=(BTB)-1BTL，將X代入式中求得站點殘差項Δvij，剔除站點殘差Δvij大于σ的站點。

(5)

(6)

在同一個板塊上，基準站在空間上的變化是逐漸的，因此各站的速度大小和方向應當一致。據此對測站進行剔除，同樣以合理的板塊劃分邊界作為地學資料約束。

首先將地心參考坐標轉化為站心坐標下的水平站速度(Ve，Vn),利用最小二乘原理重新計算板塊內的歐拉參數。然后利用求出的歐拉參數求得測站的模型速度，并計算它的方位角，再分別與實際的速度和方位角相比較，剔除殘差項大于σ′和σ″的測站，直至滿足條件的測站都被剔除[11]。

(7)

式中，r為測站到地心的距離；θ為站點的緯度；φ為站點的經度。

即為

V=Ax-l

(8)

x=(ATA)-1ATl

(9)

ΔV=[VeVn]=V-Vm

(10)

ε=arctan(Ve/Vn)

(11)

δ=ε-εm

(12)

(13)

(14)

(15)

式中,σ′為板塊內測站模型速度殘差的中誤差;σ″為方位角殘差中誤差;ε為速度的方位角。

2 算例分析

本文的觀測數據采用的是全球的IGS觀測網數據，觀測時間為2015-08-02—2015-08-04(年積日186-188)。為了驗證上述基準站選取方法的可靠性，顧及測站的分布及密度，進行了不同的定軌試驗，并對其定軌精度進行了統計與分析。

2.1 顧及測站分布

經過上述方法選擇之后(如圖2所示)，測站在全球的分步是不均勻的，尤其是歐洲地區。為了研究測站的分布對定軌精度的影響，設計了兩種定軌方案。

(1) 在上述選擇的基準站基礎上，針對測站分布較為密集的區域，根據各個測站之間的距離，將分布密集的測站抽稀以保證分區內站點的大致均勻分布。具體實現方法是采用格網分區的方法進行處理，基于要進行處理的區域范圍，按照緯度和經度進行格網劃分(1°大約為111 km)，將要處理的區域劃分成網格區域[12-14]。然后統計每個網格內的測站數，并按照基準站觀測數據質量的高低剔除多余基準站。如圖3所示。

圖2 基準站分布

圖3 格網選站示意

共選擇了90個基準站，選擇后的站點分布如圖4所示。

圖4 基準站分布

(2) 同樣是在選擇的測站基礎上，首先使用TEQC軟件對所有測站進行前期的數據預處理，然后根據TEQC處理完之后的數據質量指標，對基準站按照數據質量的高低進行選擇，保證選擇出與方案(1)同樣多的站點數，90個站點。選擇后的站點分布如圖5所示。

圖5 基準站分布

用上述兩個測站分布方案進行了定軌解算，然后分別將得到的定軌結果與IGS發布的最終軌道產品進行互差，并對3個方向的均方根誤差進行了統計。統計結果如圖6、圖7所示。

圖6 基準站均勻分布定軌精度

圖7 基準站不均勻分布定軌精度

統計結果表明，當采用方案(1)進行定軌時，計算得到的衛星位置與IGS發布的衛星精密星歷在徑向、切向、法向的偏差均方根分別為1.44、2.62、2.07 cm；采用方案(2)進行定軌時，3個方向上的偏差均方根分別為1.85、3.57、2.38 cm。可以看出，在基準站站點數量一定時，站點地理分布對于定軌結果有影響，站點地理分布越均勻，定軌精度越高。

2.2 顧及測站密度

為了研究測站數量對于定軌精度的影響，在上述定軌方案(1)均勻選擇的90個測站基礎上，利用格網法對基準站又進行了進一步的抽稀處理[15]，多余基準站的剔除按照基準站觀測數據質量的高低進行，分別得到站點個數為70與50的兩種選取方案。然后將通過兩種站點選取方案計算得到的定軌結果與IGS發布的最終軌道產品進行互差，并對3個方向的均方根誤差進行了統計。統計結果如圖8—圖10所示。

圖8 徑向方向精度

圖10 法向方向精度

統計結果表明，3種方案在徑向方向上的偏差均方根分別為1.44、1.11、1.42 cm,在切向方向上的偏差均方根分別為2.62、2.19、2.51 cm,在法向方向上的偏差均方根分別為2.07、1.72、1.97 cm?？梢钥闯鲈?0個基準站時，衛星定軌精度最高，在測站分布均勻的前提下，增加基準站數量會對定軌結果產生影響，基于本文的站點選取方案，在70個站點時定軌精度最高。要綜合考慮站點密度與站點的地理分布。

3 結 論

通過對文中幾種定軌方案得到的定軌結果分析，可以得到以下幾點結論：①在保證衛星和基準站觀測數據良好的前提下，基準站的分布越均勻，定軌精度越高；②在保證基準站分布均勻的前提下，增加基準站數量對提高定軌精度有一定幫助，但并不是越多越好，基于文中的測站選取方法，70個站點即可得到較好的定軌精度結果；③驗證了文中基準站選取方法的可靠性與有效性。該方法可以避免冗余的基準站參與定軌計算，盡量減少選站過程中的人為因素，能夠在確保定軌精度的情況下，大大提高定軌的解算效率。

[1] 黨亞民,秘金鐘,成英燕.全球導航衛星系統原理與應用[M].北京:測繪出版社,2007.

[2] 張勤,李加權.GPS測量原理及應用[M].北京:科學出版社,2005.

[3] 李征航,黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢:武漢大學出版社,2005.

[4] 劉大杰,施一民,過靜珺.全球定位系統(GPS)的原理與數據處理[M].上海:同濟大學出版社,2005.

[5] 姚宜斌. GPS精密定位定軌后處理[M].測繪出版社,北京,2008:72-75.

[6] 張睿.基于地面跟蹤站觀測技術的GPS衛星定軌研究及程序設計[D].西安：長安大學，2013:25-28.

[7] 王武星,顧國華.利用基準觀測資料確定GPS衛星軌道[J].大地測量與地球動力學,2003,23(3):112-115.

[8] 秘金鐘,黨亞民,蔣志浩,等.基于國家測繪局GPS連續運行參考站的定軌[J].遼寧工程大學學報(自然科學版)，2009,28(2):202-205.

[9] 任鍇,賈小琳,宋小勇.Gamit定軌軟件分析[C]∥第二屆中國衛星導航學術年會.上海:中國衛星導航系統管理辦公室,2011:1-4.

[10] 金雙根,朱文耀. 確定板塊運動模型的臺站選取[J].大地測量與地球動力學,2003,23(3):56-60.

[11] 高樂,英燕,鄭作亞,等.GNSS數據處理框架點的選取方法研究[J].大地測量與地球動力學,2011,31(2):133-136.

[12] 萬軍,成英燕,黨亞民,等.陸態網測站高精度解算分區方案[J]. 測繪科學，2016，41(4)：1-4.

[13] 李兵,成英燕,于男,等.密集型CORS站的高精度基線解算方案研究[J].測繪通報,2014(10):50-53.

[14] 趙建三,楊創,聞德保.利用GAMIT高精度GPS基線解算的方法及精度分析[J].測繪通報,2011(5):5-9.

[15] 曹炳強,成英燕,許長輝,等.間距分區法在解算衛星連續運行站數據中的應用[J].測繪通報,2016(11)：15-17.

The Method of Selecting the Ground Station in Double Difference Orbit Determination

CAO Bingqiang,CHENG Yingyan,XU Changhui

(Chinese Academy of Surveying and Mapping, Beijing 100830, China)

Aiming at the problem that there are a lot of ground stations in the world, the uneven quality of the observation stations and the uneven distribution of the stations, this paper summarizes a method of selecting the stations. Based on the method, the station selection software is used to select the IGS stations, and several orbit determination experiments are designed. Results show that the use of station selection method to get 70 base station orbit, the satellite position and IGS precise ephemeris in the radial, tangential and normal rms deviation are respectively 1.11, 2.19, 1.72 cm. In this paper, the reliability of the selected station software is verified, and the excessive human factors in the process of selecting stations are avoided.

IGS; selection method; software selection; reliability; orbit determination efficiency

曹炳強，成英燕，許長輝.雙差精密定軌中地面站的選取方法[J].測繪通報，2017(4)：6-9.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0108.

2016-09-13

國家重點研發計劃(2016YFB0501405)；國家自然科學基金(41374014)；國家基礎測繪科技項目(2016KJ0205);國家公益性行業專項(B1503)

曹炳強(1990—)，男，碩士生，主要從事GNSS數據處理及多系統衛星定軌研究。E-mail：1182609094@qq.com

P228

A

0494-0911(2017)04-0006-04