王俊杰,許　杭,高俊強(qiáng)

(南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,江蘇 南京 210000)

基于廣播星歷改正的實(shí)時(shí)精密星歷與鐘差獲取研究

王俊杰,許杭,高俊強(qiáng)

(南京工業(yè)大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,江蘇 南京 210000)

摘要：衛(wèi)星位置誤差和鐘差是GPS導(dǎo)航與定位的重要誤差源。通過(guò)NTRIP協(xié)議,利用Internet方式向全球發(fā)布實(shí)時(shí)廣播星歷的衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息。結(jié)果表明:由廣播星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星位置和精密星歷中給出的位置值相差為分米級(jí),而經(jīng)過(guò)改正后的衛(wèi)星位置相差僅為厘米級(jí)。采用廣播星歷中給出的鐘差參數(shù),其精度約為2 ～4 ns;經(jīng)過(guò)鐘差改正后,精度相差約0.3 ～0.4 ns.

關(guān)鍵詞：廣播星歷;衛(wèi)星位置;衛(wèi)星鐘差;NTRIP協(xié)議

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.02.005

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：： A

文章編號(hào)：： 1008-9268(2015)02-0021-05

收稿日期：2015-02-10

作者簡(jiǎn)介

Abstract:Satellite position error and clock error are an important error source of GPS positioning and navigation. Based on the NTRIP agreement, this article makes use of the Internet to publish real-time broadcast ephemeris of satellite orbit and clock correction information to the global. Results show that the satellite position calculated by the broadcast ephemeris and the position given by precise ephemeris value differs as the decimeter level, however,after correction, satellite position differs only to cm. Using the clock difference parameters given by the broadcast ephemeris, the accuracy is about 2 ～4 ns; After the clock error correction, the accuracy is about 0.3 ～0.4 ns.

0引言

導(dǎo)航電文是用戶進(jìn)行導(dǎo)航與定位的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),包括了衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘等信息,是整個(gè)導(dǎo)航過(guò)程中信息的靈魂。用戶的GPS導(dǎo)航與定位的精度是由廣播星歷,衛(wèi)星鐘等改正的精度直接決定[1]。目前獲取實(shí)時(shí)衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差的方式主要有兩種,即導(dǎo)航電文提供的廣播星歷和IGS[2]提供的超快速IGU衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品。由廣播星歷計(jì)算出的衛(wèi)星位置誤差為1 m左右、衛(wèi)星鐘差精度為5 ns左右。IGU產(chǎn)品預(yù)報(bào)部分的衛(wèi)星位置精度為5 cm,但鐘差精度比較差,為3 ns[3].以上兩種方式提供的實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置及鐘差往往無(wú)法滿足實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位精度要求。從2007年開始,IGS開始運(yùn)作IGS-RTPP項(xiàng)目,并基于NTRIP協(xié)議的Internet播發(fā)方式向全球發(fā)布實(shí)時(shí)的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品,且其播發(fā)的改正信息是基于廣播星歷改正的,便于普通用戶利用。本文在計(jì)算衛(wèi)星廣播星歷及衛(wèi)星鐘差的基礎(chǔ)上,利用NTRIP數(shù)據(jù)流提供的衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差計(jì)算,對(duì)精密單點(diǎn)定位的實(shí)時(shí)應(yīng)用具有重要推廣意義。

1廣播星歷中衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差

1.1　衛(wèi)星軌道位置坐標(biāo)的原理

GPS用戶可以通過(guò)相關(guān)網(wǎng)站下載廣播星歷,該星歷是由1個(gè)參考時(shí)刻,6個(gè)對(duì)應(yīng)參考時(shí)刻的開普勒軌道參數(shù)和9個(gè)反應(yīng)攝動(dòng)力影響的參數(shù)組成[4]。

根據(jù)以上的參數(shù)可以求得有關(guān)量[5]。在已知軌道平面的傾角i和衛(wèi)星升交點(diǎn)的大地經(jīng)度L后,就可經(jīng)過(guò)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行兩次旋轉(zhuǎn)變換,得到待求衛(wèi)星處于地固坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為

(1)

協(xié)議地球坐標(biāo)系中瞬時(shí)衛(wèi)星的位置為

聯(lián)系人： 王俊杰E-mail: 243741026@qq.com

(2)

1.2　衛(wèi)星鐘差及誤差計(jì)算原理

在GPS測(cè)量中,盡管衛(wèi)星上采用的是高精度的原子鐘,但由于信號(hào)的傳播速度c的值很大,造成這些鐘與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間存在偏差和漂移。同時(shí)隨著時(shí)間的不斷積累,這些偏差和漂移還會(huì)不斷的發(fā)生改變[5]。

Δt= a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2+

(3)

2實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置與鐘差

NTRIP用于Internet上傳輸GNSS數(shù)據(jù)流。NTRIP協(xié)議是由德國(guó)聯(lián)邦制圖和測(cè)地局開展的,并且通過(guò)RTCM委員會(huì)認(rèn)證的一種公開使用的專業(yè)應(yīng)用層協(xié)議[7]。狀態(tài)空間表示(SSR)信息[8]是提供所有采用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)所得到的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差改正值。

通過(guò)NTRIP協(xié)議[9]采用互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?用戶可以通過(guò)BNC軟件找到相應(yīng)的下載點(diǎn)進(jìn)行下載;同時(shí)傳輸SSR形式的衛(wèi)星位置與衛(wèi)星鐘差的改正值數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)可以用文本文件的方式打開,便于編程。

2.1　利用SSR信息得到實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星位置

SSR形式的數(shù)據(jù)得到的是廣播星歷計(jì)算所求位置的改正值。在求解衛(wèi)星的位置時(shí),其廣播星歷中的一組軌道參數(shù)需根據(jù)改正信息中的星歷數(shù)據(jù)齡期(IOD)進(jìn)行確定。SSR形式的改正值是在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系中表示的,即給出如圖1所示的3個(gè)方向上位置及速度的改正值。其中,切向?yàn)樾l(wèi)星速度向量所在的方向,法向垂直于由衛(wèi)星位置和速度向量構(gòu)成的平面,徑向與切向、法向相互垂直,三者形成右手系,如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星位置SSR改正值所屬坐標(biāo)參照系

(4)

(5)

(6)

其中,SSR形式的改正信息中的衛(wèi)星位置改正值一般是相對(duì)于衛(wèi)星天線相位中心(Antenna Phase Center)或衛(wèi)星質(zhì)心(Center of Mass)這兩種情況。通常提供的源數(shù)據(jù)的列表中有關(guān)下載點(diǎn)的信息描述會(huì)標(biāo)明SSR改正信息的具體情況。如果SSR是相對(duì)衛(wèi)星天線相位中心進(jìn)行改正的,則還需加上相對(duì)于衛(wèi)星天線的相位偏差改正量,才能得到ITRF下的衛(wèi)星的位置坐標(biāo)。

2.2　利用SSR信息獲取實(shí)時(shí)精密衛(wèi)星鐘差

對(duì)于鐘差,可通過(guò)SSR信息分別給出觀測(cè)時(shí)刻t相對(duì)于參考時(shí)刻t0的計(jì)算衛(wèi)星鐘差多項(xiàng)式的3個(gè)系數(shù)(A0、A1、A2)直接求出衛(wèi)星鐘差改正值為ΔV:

ΔV=A0+A1(t-t0)+A2(t-t0)2.

(7)

在觀測(cè)時(shí)刻t,由廣播星歷中提供的鐘差為Δtz,經(jīng)過(guò)SSR數(shù)據(jù)改正后的鐘差為Δts,則有

(8)

式中,VC為光在真空中的傳播速度。

3實(shí)例分析

通過(guò)在相應(yīng)的網(wǎng)站下載有關(guān)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù),并用BNC軟件[10]找到相應(yīng)的下載點(diǎn),下載SSR格式的改正數(shù)據(jù)。利用廣播星歷計(jì)算出衛(wèi)星位置和鐘差并且進(jìn)行SSR格式的數(shù)據(jù)改正,得到修正后的衛(wèi)星位置和鐘差,把這些值與精密星歷中提供的相關(guān)量進(jìn)行比較。

3.1　同一衛(wèi)星不同時(shí)刻的比較

由廣播星歷求出2012年11月4日半天的PRN01的實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置信息,通過(guò)實(shí)時(shí)衛(wèi)星位置、改正后的位置分別與IGS提供的精密位置比較后的差值,得到如圖2所示的結(jié)果。

通過(guò)求獲取數(shù)據(jù)的衛(wèi)星位置與精密星歷位置差值的均方差為0.746 m,改正后的位置與精密星歷位置差值的均方差為0.041 m.

由2012年11月4日半天PRN01衛(wèi)星信息,通過(guò)衛(wèi)星鐘差、改正后的鐘差分別與IGS精密衛(wèi)星鐘差比較后的差值,如圖3所示。

圖2　衛(wèi)星位置及經(jīng)SSR改正后位置變化 (a)X方向；(b)Y方向；(c)Z方向

圖3　鐘差及SSR改正后鐘差變化

通過(guò)求獲取數(shù)據(jù)的衛(wèi)星鐘差與精密星歷鐘差的差值的均方差為0.997 ns,改正后的鐘差與精密星歷鐘差差值的均方差為0.114 ns.

3.2　不同衛(wèi)星同時(shí)刻的比較

由廣播星歷求出2012年11月4日凌晨各星座的位置信息、SSR改正后的各星座位置信息分別與IGS提供的精密位置比較后的差值，由圖4所示。

圖4　各星座位置及SSR改正后位置變化 (a)X方向； (b)Y方向； (c)Z方向

通過(guò)求獲取數(shù)據(jù)的衛(wèi)星位置與精密星歷位置差值的均方差為0.584 m,改正后的位置與精密星歷位置差值的均方差為0.031 m.

同時(shí)采集了各星座2012年11月4日凌晨實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差進(jìn)行處理, GPS各星座實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差及其改正后與CLK文件中精密鐘差比較,由圖5示出。

圖5　各星座鐘差及改正后鐘差變化

雖然目前GPS在軌32顆衛(wèi)星,但是由于有些是處于非健康狀態(tài)的,所以，IGS最終鐘差沒(méi)有給出PRN27的鐘差,圖5中也因此沒(méi)有PRN27數(shù)據(jù)。

通過(guò)求獲取數(shù)據(jù)的衛(wèi)星鐘差與精密星歷鐘差的差值的均方差為1.541 ns,改正后的鐘差與精密星歷鐘差差值的均方差為0.123 ns.

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),用廣播星歷所求的衛(wèi)星位置和精密星歷中的位置值相差為dm級(jí);而經(jīng)過(guò)SSR數(shù)據(jù)改正以后的衛(wèi)星位置與精密星歷中的位置,其值相差為cm級(jí)。同時(shí)采用廣播星歷中鐘差改正參數(shù)進(jìn)行改正只能在精度要求不高的情況下使用,其精度約為2 ～4 ns.經(jīng)過(guò)SSR信息改正后的鐘差與CLK文件中精密鐘差的精度相差約0.3 ～0.4 ns.

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)BNC軟件找到相應(yīng)的下載點(diǎn),下載基于NTRIP協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)腟SR格式改正數(shù)據(jù),并利用Matlab[11]編寫相應(yīng)計(jì)算程序,求出了衛(wèi)星位置和鐘差,以及改正后的對(duì)應(yīng)值。通過(guò)與IGS組織提供的最終產(chǎn)品SP3數(shù)據(jù)比較可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)改正后的衛(wèi)星位置與精密星歷中的衛(wèi)星位置相差為cm級(jí);經(jīng)過(guò)鐘差改正后,精度相差約0.3 ～0.4 ns,改正后的數(shù)據(jù)和數(shù)天后IGS組織提供的數(shù)據(jù)精度相似,可滿足實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉大杰,施一民,過(guò)靜珺. 全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M]. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[2] 尹倩倩,樓益棟,易文婷. IGS實(shí)時(shí)產(chǎn)品比較與分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(6): 123-128.

[3] 李黎, 匡翠林,朱建軍,等. 基于IGU預(yù)報(bào)軌道實(shí)時(shí)估計(jì)精密衛(wèi)星鐘差[J]. 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2011,31(1): 111-117.

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

[5] 杜向峰,蔣利龍,李霞. GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 全球定位系統(tǒng), 2008,33(1): 35-38.

[6] 季善標(biāo),朱文耀,熊永清,等. 精密GPS衛(wèi)星鐘差的改正和應(yīng)用[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(1): 42-48.

[7] GEORG W, LEOS M, JAN D. Real-time clock and orbit corrections for improved point positioning via NTRIP [C]//Proceedings of the 20th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation, Fort Worth, TX,2007:1992-1998.

[8] WUBBENA G, SCHMITZ M, BAGE A. PPP-RTK: precise point positioning using state-space representation in RTK networks[C]//The 18th International Technical Meeting, California,2005.

[9] 楊汀,陳宜金. NTRIP協(xié)議及應(yīng)用實(shí)例[J]. 黑龍江科技信息,2010,35(9): 27-28.

[10]Federal Agency for Cartography and Geodesy BKG NtripClient(BNC) Version2.5 Manual[R].2011.[11]趙靜.數(shù)學(xué)建模與數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2010.

王俊杰(1990-),男,碩士生,研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量,城市地下軌道保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)與應(yīng)用。

許杭(1990-),男,碩士生,研究方向?yàn)榫芄こ虦y(cè)量,深基坑安全監(jiān)測(cè)理論及應(yīng)用。

高俊強(qiáng)(1962-),男,教授,研究方向?yàn)榫軠y(cè)量工程理論及其應(yīng)用,深基坑安全監(jiān)測(cè)理論及應(yīng)用,城市地下鐵道工程安全監(jiān)測(cè)理論與應(yīng)用,GPS精密定軌與應(yīng)用。

Research on the Acquisition of Real-Time Precise Ephemeris and

Satellite Clock Corrections Based on the Broadcast Ephemeris

WANG Junjie,XU Hang, GAO Junqiang

(CollegeofGeomaticsEngineering,NanjingUniversityof

Technology,Nanjing210000,China)

Key words: Broadcast ephemeris; satellite position; satellite clock error; NTRIP protocol