王寧波，袁運(yùn)斌，張寶成，李子申

1. 中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077； 2. 中國科學(xué)院光電研究院，北京 100094； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

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GPS民用廣播星歷中ISC參數(shù)精度分析及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響

王寧波1, 3，袁運(yùn)斌1，張寶成1，李子申2

1. 中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430077； 2. 中國科學(xué)院光電研究院，北京 100094； 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

Foundationsupport：TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Nos.41231064；41304034；41574033；41321063);TheBeijingNaturalScienceFoundation(No. 4144094)

2005年起發(fā)射的GPSBlockIIR-M衛(wèi)星在L2頻率上新增了L2C民用信號(hào)，2010年起發(fā)射的BlockIIF衛(wèi)星新增了L5頻率及L5I、L5Q兩種民用信號(hào)。為此，GPS民用廣播星歷在原有時(shí)間群延遲(TGD)參數(shù)的基礎(chǔ)上，新增了ISCC/A、ISCL2C、ISCL5I及ISCL5Q4種ISC(inter-signalcorrection)參數(shù)，以服務(wù)GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位用戶。本文給出了ISC參數(shù)在GPS單/雙頻定位中的改正方法、利用不同機(jī)構(gòu)提供的后處理差分碼偏差(DCB)產(chǎn)品評(píng)估了ISC參數(shù)的實(shí)際精度、研究了ISC參數(shù)對(duì)GPS民用導(dǎo)航定位精度的影響。在明確TGD、ISC和DCB3類參數(shù)之間區(qū)別與聯(lián)系的基礎(chǔ)上，本文研究表明：GPS廣播的ISCC/A參數(shù)精度可達(dá)0.2ns，TGD、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)精度可達(dá)0.5ns；以2014年連續(xù)11d全球12個(gè)MGEX(multi-GNSSexperiment)站為例，經(jīng)由ISC參數(shù)改正后，GPSL2C單頻標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位(SPP)的位置解精度提高了30.6%，L1C/A+L2C雙頻SPP的位置解精度提高了12.2%，該精度與L1P(Y)+L2P(Y)消電離層組合SPP的位置解精度相當(dāng)。

ISC參數(shù)；TGD參數(shù)；DCB參數(shù)；導(dǎo)航定位

不同類型的導(dǎo)航信號(hào)在衛(wèi)星和接收機(jī)不同通道產(chǎn)生的時(shí)間延遲(或硬件延遲)并不完全一致，由此產(chǎn)生的兩類導(dǎo)航信號(hào)之間的時(shí)延差異稱為差分碼偏差(differentialcodebias,DCB)[1]。其中，同一頻率不同類型測(cè)距信號(hào)之間的DCB稱為頻內(nèi)偏差，不同頻率不同類型測(cè)距信號(hào)之間的DCB稱為頻間偏差[2-3]。衛(wèi)星和接收機(jī)DCB是GNSS(globalnavigationsatellitesystem)電離層總電子含量(totalelectroncontent,TEC)計(jì)算必須扣除的誤差[4-8]。同時(shí)，由于GNSS衛(wèi)星鐘差參數(shù)基準(zhǔn)通常定義在某一個(gè)指定觀測(cè)量(如BDSB3I)或某兩個(gè)頻率的消電離層組合觀測(cè)量(如GPS(P1+P2)與Galileo(E1+E5a))上，使用不同于鐘差參數(shù)基準(zhǔn)的觀測(cè)量時(shí)，需引入DCB參數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星硬件時(shí)延偏差改正[9]。

常用的DCB產(chǎn)品可以為兩類：一類是IGS(InternationalGNSSService)提供的高精度后處理產(chǎn)品，另一類是GNSS廣播星歷實(shí)時(shí)播發(fā)的時(shí)間群延遲(timinggroupdelay,TGD)或廣播群延遲(broadcastgroupdelay,BGD)參數(shù)。IGS提供DCB產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)包括以歐洲定軌中心(CODE)為代表的電離層工作組和以德國宇航中心(DLR)為代表的MGEX(multi-GNSSexperiment)工作組[10-11]。CODE基于全球分布的IGS基準(zhǔn)站采用電離層TEC建模的方式同步處理得到GPS及GLONASS的DCB參數(shù)，而DLR基于MGEX觀測(cè)數(shù)據(jù)直接采用全球電離層格網(wǎng)(globalionosphericmap,GIM)扣除電離層TEC影響，進(jìn)而估計(jì)得到GPS、GLONASS、BDS及Galileo的DCB參數(shù)[3, 12]。GPS、BDS及Galileo廣播星歷中均播發(fā)TGD參數(shù)，但各導(dǎo)航系統(tǒng)TGD參數(shù)的含義并不相同。BDS播發(fā)的TGD參數(shù)(包括TGD1和TGD2)本質(zhì)上是B1B3和B1B2頻點(diǎn)間的DCB參數(shù)，而GPS播發(fā)的TGD參數(shù)和Galileo播發(fā)的BGD(包括BGDE1,E5a和BGDE1,E5b)參數(shù)與DCB之間存在一個(gè)與頻率有關(guān)的轉(zhuǎn)換因子[13-14]。與IGS提供的DCB產(chǎn)品相比，TGD參數(shù)精度不高且更新頻次較低(如GPSTGD參數(shù)平均每4個(gè)月更新一次[15])。但由于TGD參數(shù)能夠通過廣播星歷實(shí)時(shí)獲取，因而能夠滿足GNSS單/雙頻導(dǎo)航用戶定位的DCB改正需求。

隨著GPS的現(xiàn)代化，2005年起發(fā)射的GPSBlockIIR-M衛(wèi)星在L2頻率上增加了L2C民用信號(hào)，2010年起發(fā)射的GPSBlockIIF衛(wèi)星新增了L5頻率以及L5I5、L5Q5兩種民用信號(hào)[16]。GPS廣播星歷的衛(wèi)星鐘差參數(shù)以L1P(Y)和L2P(Y)消電離層組合為參考基準(zhǔn)，因此單獨(dú)或聯(lián)合采用4種民用信號(hào)(包括L1C/A、L2C、L5I5及L5Q5)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位(standardpointpositioning,SPP)時(shí)，需要將DCB作為一類改正信息。對(duì)GPS導(dǎo)航用戶而言，除已有的TGD參數(shù)外，民用導(dǎo)航(civilnavigation,CNAV)星歷中新增了4種ISC(inter-signalcorrection)參數(shù)。目前針對(duì)ISC參數(shù)使用方法、精度分析及其對(duì)GPS導(dǎo)航定位影響的研究較少，文獻(xiàn)[17]介紹了ISC參數(shù)的使用方法，文獻(xiàn)[18]基于CODE及DLR提供的DCB產(chǎn)品初步分析了ISC參數(shù)的精度。本文在文獻(xiàn)[18]研究的基礎(chǔ)上，首先給出并討論了ISC參數(shù)的含義及其在GPS導(dǎo)航定位中的使用方法，進(jìn)而利用不同機(jī)構(gòu)提供的后處理DCB產(chǎn)品評(píng)估了ISC參數(shù)的實(shí)際精度，最后基于MGEX部分監(jiān)測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了ISC參數(shù)對(duì)GPS導(dǎo)航用戶單/雙頻定位精度的影響。

1　GPS ISC參數(shù)含義

GPS在L1C/A、L2C、L5I5及L5Q5民用信號(hào)上相對(duì)于L1P(Y)分別定義了一個(gè)ISC參數(shù)，即ISCC/A、ISCL2C、ISCL5I及ISCL5Q。GPS衛(wèi)星TGD及ISC參數(shù)的定義如下[19]

(1)

表1進(jìn)一步給出了GPS廣播的TGD、ISC參數(shù)與后處理DCB參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表中第1列是民用導(dǎo)航星歷中定義的TGD及ISC參數(shù)類型，第2列是RINEX3測(cè)碼數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的DCB類型。目前MGEX試驗(yàn)網(wǎng)能夠跟蹤到C2L、C2S及C2X3種L2C類型碼觀測(cè)信號(hào)，而ISCL2C參數(shù)定義并未指定具體的碼觀測(cè)類型，使用時(shí)可將ISCL2C參數(shù)對(duì)應(yīng)為DCBC1W-C2L、DCBC1W-C2S或DCBC1W-C2X中的任意一種。需要說明的是，第2列中給出的某些DCB類型在實(shí)際中無法直接得到，這是因?yàn)槟承╊愋偷腉PS接收機(jī)無法同時(shí)觀測(cè)到對(duì)應(yīng)的兩類測(cè)碼信號(hào)。如TrimbleNETR9接收機(jī)只能同時(shí)輸出C1C、C2W、C2X及C5X4種碼觀測(cè)量，而LeicaGR10/25接收機(jī)只能同時(shí)輸出C1C、C2W、C2S及C5Q4種碼觀測(cè)量。第3列對(duì)應(yīng)的是中國科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所(IGG)及DLR基于MGEX觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的DCB參數(shù)，不同于DLR直接采用GIM扣除電離層的影響[3]，IGG采用“兩步法”逐測(cè)站處理得到衛(wèi)星和接收機(jī)的DCB參數(shù)[20-21]。第4列對(duì)應(yīng)的是CODE基于IGS全球基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)處理得到的DCB參數(shù)。分析結(jié)果表明，IGG、DLR、CODE提供的GPS衛(wèi)星DCB產(chǎn)品精度分別可達(dá)0.15ns、0.2ns及0.1ns[3,12,20-21]。為便于后續(xù)對(duì)比分析，ISCL2C(對(duì)應(yīng)DCBC1W-C2L或DCBP1-C2)和ISCL5Q(對(duì)應(yīng)DCBC1W-C5Q)參數(shù)由不同機(jī)構(gòu)DCB產(chǎn)品的線性組合得到。目前尚無GPS民用接收機(jī)能夠觀測(cè)到C5I信號(hào)，因此未給出ISCL5I參數(shù)實(shí)際對(duì)應(yīng)的DCB產(chǎn)品類型。

表1GPS廣播的TGD、ISC參數(shù)與DCB參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Tab.1GPS broadcast TGD and ISC parameters and their relation with DCBs

CNAVDCBIGG/DLRCODETGD-f22f21-f22·DCBC1W-C2W-f22f21-f22·DCBC1W-C2W-f22f21-f22·DCBP1-P2ISCL1C/ADCBC1W-C1C-DCBC1W-C1CDCBP1-C1ISCL2CDCBC1W-C2(L/S/X)DCBC1W-C2W-DCBC2W-C2LDCBP1-P2+DCBP2-C2ISCL5IDCBC1W-C5IISCL5QDCBC1W-C5Q-DCBC1C-C1W+DCBC1C-C5Q

2　GPS ISC參數(shù)改正模型

GPS廣播星歷中的鐘差參數(shù)以L1P(Y)+L2P(Y)消電離層組合為參考基準(zhǔn)，利用L1(Y)和L2P(Y)實(shí)施單點(diǎn)定位時(shí)，無需進(jìn)行TGD參數(shù)改正[19]。然而，單獨(dú)或聯(lián)合采用L1C/A、L2C、L5I5及L5Q5信號(hào)進(jìn)行單點(diǎn)定位時(shí)，需將TGD及ISC參數(shù)作為改正信息。本節(jié)給出了ISC參數(shù)在GPS單/雙頻導(dǎo)航定位中的改正方法。

GPS衛(wèi)星與接收機(jī)視線方向的偽距觀測(cè)方程可表示為

(2)

GPS衛(wèi)星鐘差是由L1P(Y)+L2P(Y)消電離層組合計(jì)算得到，因此，廣播星歷的衛(wèi)星鐘差參數(shù)ΔtSV中含有衛(wèi)星端L1P(Y)和L2P(Y)的硬件延遲影響

(3)

由式(1)中TGD及ISC參數(shù)定義可知

(4)

式中，ISCLi,x為Li,x測(cè)碼信號(hào)上定義的ISC參數(shù)。由式(3)、式(4)可進(jìn)一步得到

Δts-τLi,x=ΔtSV-TGD+ISCLi,x

(5)

忽略觀測(cè)噪聲的影響，由式(2)、式(5)可以得到新的偽距觀測(cè)方程

(6)

(7)

PC(L1,P(Y),L2,P(Y))=ρlos+c·Δtr-c·ΔtSV+T

(8)

GPS民用導(dǎo)航用戶可根據(jù)式(6)改正TGD及ISC誤差后進(jìn)行單頻單點(diǎn)定位，也可根據(jù)式(7)選擇兩種觀測(cè)量進(jìn)行雙頻消電離層組合定位。

3　GPS ISC參數(shù)精度分析

與TGD參數(shù)類似，GPS廣播的ISC參數(shù)并非每天更新，而是以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行更新。本節(jié)首先對(duì)各GPS衛(wèi)星ISC參數(shù)的更新頻次及參數(shù)變化進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，利用不同機(jī)構(gòu)提供的后處理DCB產(chǎn)品評(píng)估GPSISC參數(shù)的實(shí)際精度。明確ISC參數(shù)的變化規(guī)律及其實(shí)際精度有利于進(jìn)一步分析其對(duì)GPS導(dǎo)航定位的影響。

選取2014年年積日(dayofyear,DOY)118d至2015年112dGPS民用導(dǎo)航星歷的TGD及ISC參數(shù)， 分析GPS廣播的TGD及ISC參數(shù)

的更新頻次及其變化情況。圖1給出了TGD及ISC參數(shù)在該時(shí)段內(nèi)的更新時(shí)間示意，圖中橫坐標(biāo)為GPS衛(wèi)星SVN(spacevehiclenumber)號(hào)，括號(hào)內(nèi)為PRN(pseudo-randomnoise)號(hào)，縱坐標(biāo)為時(shí)間，不同顏色表示TGD或ISC參數(shù)的有效時(shí)間范圍?？梢钥闯?，TGD參數(shù)并非嚴(yán)格地每4個(gè)月更新一次。SVN57、58、63及64號(hào)衛(wèi)星的TGD參數(shù)在近一年的時(shí)間內(nèi)都未更新(后文中的衛(wèi)星號(hào)均指SVN號(hào))；48、52及53號(hào)衛(wèi)星的TGD參數(shù)2014年10月更新一次后便再未更新；66號(hào)衛(wèi)星的TGD參數(shù)2014年10月更新一次后，2015年1月又更新了一次。比較而言，ISC參數(shù)的更新頻次更有規(guī)律：各衛(wèi)星的ISCC/A、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)在2014年6月及2015年2月分別更新了一次。從GPS導(dǎo)航定位對(duì)衛(wèi)星硬件時(shí)延偏差的改正需求來看，廣播的TGD及ISC參數(shù)最好一個(gè)月左右更新一次；然而受主控站數(shù)據(jù)處理策略等因素的影響，TGD及ISC參數(shù)可能幾個(gè)月才更新一次。文獻(xiàn)[22]的分析結(jié)果表明，由于衛(wèi)星硬件時(shí)延參數(shù)穩(wěn)定性較好，TGD參數(shù)數(shù)月更新一次能夠保持較高的可靠性，但一年或更長時(shí)間更新一次則會(huì)引入較大的誤差[23]。

圖2給出了2014年DOY118—365天各GPS衛(wèi)星TGD、ISC參數(shù)的變化情況，從上到下4幅子圖分別對(duì)應(yīng)TGD、ISCC/A、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)，圖中豎線左邊為GPSBlockIIR-M衛(wèi)星，右邊為BlockIIF衛(wèi)星。從圖中可以看出：①BlockIIR-M與BlockIIF衛(wèi)星TGD參數(shù)差異約為20ns，相同類型衛(wèi)星TGD之間的差異約為6ns。②BlockIIR-M衛(wèi)星各ISCL2C參數(shù)之間的差異小于2ns，BlockIIF衛(wèi)星ISCL2C參數(shù)的差異小于4ns，兩類衛(wèi)星ISCL2C參數(shù)差異約為13ns，小于不同類型衛(wèi)星TGD參數(shù)之間的差異。③只有新發(fā)射的BlockIIF衛(wèi)星能夠播發(fā)ISCL5Q參數(shù)，各衛(wèi)星ISCL5Q參數(shù)之間的差異最大可達(dá)6ns。④與TGD、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)相比，ISCC/A參數(shù)的變化范圍最?。築lockIIR-M衛(wèi)星ISCC/A參數(shù)之間的差異小于0.6ns，BlockIIF衛(wèi)星的差異小于2.5ns?？傮w而言，不同類型衛(wèi)星TGD、ISC參數(shù)差異較大，同一類型衛(wèi)星TGD、ISC參數(shù)差異較小，同時(shí)，各衛(wèi)星ISCC/A參數(shù)變化范圍明顯小于TGD、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)。

圖1　GPS廣播的TGD及ISC參數(shù)更新時(shí)間示意Fig.1　GPS broadcast TGD and ISC parameters update time interval

利用IGG、DLR及CODE提供的DCB產(chǎn)品評(píng)估GPS廣播的TGD及ISC參數(shù)精度有以下兩點(diǎn)原因：①DCB參數(shù)解算時(shí)利用了較多的全球基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，其精度與可靠性高于廣播星歷中播發(fā)的TGD及ISC參數(shù)[14]。②IGG、DLR及CODE提供的DCB產(chǎn)品采用不同處理方法，基本反映了當(dāng)前DCB參數(shù)的最高處理水平[3,12,21]。DCB、TGD及ISC參數(shù)解算時(shí)，衛(wèi)星和接收機(jī)偏差參數(shù)是相關(guān)的，因此必須引入一個(gè)參考基準(zhǔn)，才能實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與接收機(jī)偏差參數(shù)的分離[20]。不同機(jī)構(gòu)提供的DCB產(chǎn)品采用“零均值”基準(zhǔn)約束，即所有衛(wèi)星的DCB之和為零；而TGD及ISC參數(shù)采用某臺(tái)硬件時(shí)延偏差標(biāo)定的接收機(jī)為參考基準(zhǔn)[3,21]。由于TGD、ISC參數(shù)與各機(jī)構(gòu)DCB產(chǎn)品之間采用的參考基準(zhǔn)不同，使用時(shí)需將不同的參考基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的基準(zhǔn)后再進(jìn)行比較。假設(shè)有μ顆衛(wèi)星，對(duì)所有衛(wèi)星施加“零基準(zhǔn)”約束，則有

(9)

圖2　不同GPS衛(wèi)星的TGD及ISC參數(shù)值Fig.2　GPS broadcast TGD and ISC values of each individual satellite

選取其中μ1顆衛(wèi)星構(gòu)造新的衛(wèi)星“零基準(zhǔn)”約束

(10)

(11)

以GPS Block IIF衛(wèi)星為參考構(gòu)造新的衛(wèi)星“零基準(zhǔn)”約束，將GPS廣播的TGD、ISC參數(shù)及后處理DCB參數(shù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一的衛(wèi)星基準(zhǔn)。圖 3給出了各GPS衛(wèi)星TGD、ISC參數(shù)相對(duì)于IGG、DLR及CODE 后處理DCB產(chǎn)品的平均偏差及STD，左上至右下4幅子圖分別對(duì)應(yīng)TGD、ISCC/A、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)。從圖中可以看出，TGD參數(shù)與CODE產(chǎn)品之間的偏差為-0.31～0.30 ns，與IGG/DLR產(chǎn)品之間的偏差為-0.97～1.03 ns，與各機(jī)構(gòu)DCB產(chǎn)品之間差異的STD為0.10～0.25 ns。ISCL2C參數(shù)與DLR產(chǎn)品之間的偏差較大(-1.32～0.86 ns)，與IGG及CODE產(chǎn)品之間的偏差基本相當(dāng)(-1.16～0.49 ns)。目前CODE尚未提供與ISCL5Q對(duì)應(yīng)的DCB產(chǎn)品，因此僅將ISCL5Q與IGG、DLR產(chǎn)品進(jìn)行比較。除67號(hào)星外，ISCL5Q參數(shù)與IGG/DLR產(chǎn)品之間的偏差為-0.89～0.92 ns，STD為0.08～0.21 ns。ISCC/A參數(shù)與IGG/DLR產(chǎn)品之間的偏差較小，為-0.13～0.33 ns；與CODE產(chǎn)品之間的偏差為-0.53～0.31 ns。這種差異與IGG、DLR及CODE頻內(nèi)偏差參數(shù)的處理策略不同有關(guān)：IGG與DLR通過觀測(cè)值的直接組合處理得到DCBC1C-C1W參數(shù)[3,21]，而CODE的DCBP1-C1參數(shù)是衛(wèi)星鐘差解算得到的副產(chǎn)品[12]。

圖3　GPS廣播的TGD、ISC參數(shù)相對(duì)于IGG、DLR及CODE后處理DCB產(chǎn)品的平均偏差及STDFig.3　Bias and STD of the GPS broadcast TGD and ISCs relative to the DCB products of IGG, DLR and CODE

表2給出了GPS 廣播的TGD及ISC參數(shù)的精度統(tǒng)計(jì)情況。表中第2列是各參數(shù)的變化范圍，后3列是TGD、ISC參數(shù)相對(duì)于IGG、DLR及CODE 對(duì)應(yīng)DCB產(chǎn)品偏差的RMS。從表中可以看出，TGD及ISC參數(shù)與不同機(jī)構(gòu)DCB產(chǎn)品的比較結(jié)果略有差異；但總體而言，ISCC/A參數(shù)精度可以達(dá)到0.2 ns，TGD、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)精度能夠達(dá)到0.5 ns。

表2GPS廣播的TGD及ISC參數(shù)精度統(tǒng)計(jì)

Tab.2ConsistencyoftheGPSbroadcastTGDandISCsrelativetothatofIGG,DLRandCODE

ns

4　GPS ISC參數(shù)對(duì)單點(diǎn)定位影響分析

從式(6)可以看出，GPS民用導(dǎo)航信號(hào)偽距觀測(cè)方程需同時(shí)引入TGD及ISC參數(shù)作為改正信息。為分析TGD、ISC參數(shù)在定位中的誤差項(xiàng)大小，圖 4給出了各GPS衛(wèi)星TGD與ISCC/A、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)之間的差異?？梢钥闯?，GPSBlockIIR-M和BlockIIF衛(wèi)星的TGD與ISCL2C參數(shù)之間的差異約為25ns，與ISCC/A參數(shù)的差異約為15ns。不同類型衛(wèi)星TGD與ISC參數(shù)之間的差異較大，因此這些參數(shù)對(duì)定位的影響不能忽略。同時(shí)可以看出，GPSBlockIIR-M衛(wèi)星TGD與ISCL2C、ISCC/A參數(shù)之間的差異分別為5ns、 2ns，BlockIIF衛(wèi)星TGD與ISCL2C、ISCC/A及ISCL5Q參數(shù)之間的差異分別為6ns、4ns及7ns。同一類型衛(wèi)星TGD與ISC參數(shù)之間的差異較小，僅采用GPSBlockIIR-M或BlockIIF衛(wèi)星進(jìn)行定位時(shí)，TGD及ISC參數(shù)對(duì)單點(diǎn)定位解的影響將會(huì)變小，這是因?yàn)楦餍l(wèi)星相同的衛(wèi)星硬件延遲誤差在定位中會(huì)被接收機(jī)鐘差參數(shù)吸收。

圖4　不同GPS衛(wèi)星TGD與ISCC/A、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)之間的差異Fig.4　Differences of ISCC/A, ISCL2C and ISCL5Q with respect to TGD parameters

由于各監(jiān)測(cè)站能夠同時(shí)觀測(cè)到的GPS衛(wèi)星數(shù)量有限，將不再單獨(dú)利用GPSBlockIIR-M或BlockIIF衛(wèi)星進(jìn)行定位試驗(yàn)。同時(shí)，由于能夠播發(fā)L5Q信號(hào)的GPS衛(wèi)星較少，后續(xù)分析中將分別以GPSC2L及C1C+C2L觀測(cè)量為例，分析ISC參數(shù)對(duì)GPS單/雙頻用戶導(dǎo)航定位解的影響。

4.1試驗(yàn)方案

選取2014年連續(xù)11d(DOY300—310)12個(gè)MGEX站觀測(cè)數(shù)據(jù)、采用單頻SPP及雙頻消電離層組合SPP分析ISC參數(shù)對(duì)GPS民用導(dǎo)航用戶定位精度的影響。試驗(yàn)期間電離層活動(dòng)較為劇烈：太陽活動(dòng)指數(shù)F10.7在120～188sfu之間變化，第300及308天的Kp指數(shù)大于4。MGEX測(cè)試站分布如圖 5所示，接收機(jī)類型為SeptentrioPolaRx4/4TR，能夠輸出的GPS碼觀測(cè)類型包括C1C、C1W、C2W、C2L及C5Q5類。以GPS靜態(tài)精密單點(diǎn)定位(precisepointpositioning,PPP)的單天解作為坐標(biāo)參考“真值”，基于動(dòng)態(tài)SPP估計(jì)測(cè)站坐標(biāo)及接收機(jī)鐘差參數(shù)。SPP數(shù)據(jù)處理中，觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣率為60s，衛(wèi)星截止高度角為100，衛(wèi)星軌道及鐘差采用廣播星歷的軌道及鐘差參數(shù)，對(duì)流層誤差采用UNB3m模型改正[24]，單頻SPP中電離層誤差采用GPS廣播星歷發(fā)播的Klobuchar模型改正。

圖5　MGEX試驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試站分布Fig.5　Distribution of the selected MGEX stations

表 3給出了5種不同的SPP定位試驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)這5種試驗(yàn)方案目的有3點(diǎn)：①通過分析C2L觀測(cè)量采用與不采用ISC參數(shù)改正后的位置解精度，分析ISC參數(shù)對(duì)GPS單頻SPP定位的影響。②通過分析C1C+C2L(即L1C/A+L2C)消電離層組合采用與不采用ISC參數(shù)改正后的位置解精度，分析ISC參數(shù)對(duì)GPS雙頻SPP定位的影響。③通過對(duì)比C1C+C2L與C1W+C2W[即L1P(Y)+L2P(Y)]消電離層組合SPP精度，分析GPS普通用戶與授權(quán)用戶定位精度的差異。需要說明的是，利用C1W和C2W進(jìn)行定位時(shí)僅考慮了試驗(yàn)期間能夠同時(shí)播發(fā)L2C民用信號(hào)的13顆GPS衛(wèi)星。

4.2結(jié)果分析

以歐洲地區(qū)的VILL站為例，圖 6給出了該站2014年DOY300—310dC2L單頻SPP的定位誤差分布，從左至右3幅子圖分別對(duì)應(yīng)N、E、U3個(gè)方向的誤差分布?？梢钥闯觯捎肐SC參數(shù)改正后，單頻SPP的定位誤差明顯減小。未采用ISC參數(shù)改正時(shí)，N、E、U3個(gè)方向誤差的均值分別為-0.11m、-1.90m及-1.08m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.54m、4.56m及6.34m；采用ISC參數(shù)改正后，N、E、U3個(gè)方向誤差的均值分別為-1.07m、0.15m及-0.65m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.07m、1.54m及4.35m。采用ISC參數(shù)改正后，N、E、U3個(gè)方向的定位精度分別提高了2.34m、3.69m及2.05m。

表3　不同的定位試驗(yàn)方案

圖6　VILL站C2L單頻SPP N、E、U方向定位誤差分布(2014年DOY 300—310)Fig.6　Normalized histograms of the north, east and up positioning errors of C2L SPP on VILL site (2014 DOY 300—310)

圖7給出了該站2014年DOY300—310dC1C+C2L雙頻SPP的定位誤差分布。從圖中可以看出，VILL站東方向定位誤差最小(-4.0～4.0m)，高程方向定位誤差最大(-12.0～12.0m)。具體而言，未采用ISC參數(shù)改正時(shí)，N、E、U3個(gè)方向誤差的均值分別為-0.23m、0.59m及-0.06m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.97m、1.34m及3.89m；采用ISC參數(shù)改正后，N、E、U3個(gè)方向誤差的均值分別為-0.04m、0.29m及-0.47m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.69m、1.25m及3.06m。采用ISC參數(shù)改正后，VILL站N、E、U3個(gè)方向的定位精度分別提高了0.34m、0.17m及0.66m。

圖7　VILL站C1C+C2L雙頻SPP N、E、U方向定位誤差分布(2014年DOY 300—310)Fig.7　Normalized histograms of the north, east and up positioning errors of C1C+C2L SPP on VILL site (2014 DOY 300—310)

表 4給出了試驗(yàn)期間不同試驗(yàn)方案所有測(cè)試站的定位誤差RMS統(tǒng)計(jì)情況。可以看出，利用C2L進(jìn)行單頻SPP未改正ISC參數(shù)時(shí)，N、E、U3個(gè)方向的誤差分別為5.174m、4.012m及7.093m；采用ISC參數(shù)改正后，N、E、U3個(gè)方向的定位精度提高了40.1%、46.0%及23.8%，分別達(dá)到3.653、2.146及5.284m。C2L單頻SPP三維定位精度提高了30.0%，由改正前的9.765m提高到6.889m。利用C1L+C2L進(jìn)行雙頻SPP未改正ISC參數(shù)時(shí)，N、E、U3個(gè)方向的誤差分別為1.588m、1.295m及3.172m；采用ISC參數(shù)改正后，N、E、U3個(gè)方向的定位精度提高了9.5%、10.2%及13.0%，分別達(dá)到1.432m、1.165m及2.748m。C1L+C2L雙頻SPP三維定位精度提高了12.2%，由改正前的3.786m提高到3.317m。單頻SPP中除ISC外的其他誤差改正項(xiàng)均相同，ISC參數(shù)本身的誤差影響較小，改正ISC參數(shù)能夠顯著提高單頻SPP的定位精度；雙頻消電離層組合在消除電離層誤差的同時(shí)也放大了測(cè)碼偽距觀測(cè)噪聲的影響，雙頻SPP中ISC參數(shù)本身的誤差也會(huì)被進(jìn)一步放大，這可能是改正ISC后雙頻SPP不如單頻SPP精度提升的原因之一。此外，C1C與C2L組合定位采用ISC改正后的三維定位精度略高于C1W與C2W消電離層組合的定位精度(3.317mvs. 3.441m)。這表明，采用ISC參數(shù)改正后，L1C/A+L2C民用信號(hào)的雙頻定位精度與當(dāng)前L1P(Y)+L2P(Y)消電離層組合定位精度相當(dāng)。

表4不同試驗(yàn)方案定位誤差RMS統(tǒng)計(jì)

Tab.4Rootmeansquare(RMS)ofdifferentstandardpositioningschemes

觀測(cè)量ISC改正RMSN/mE/mU/m3D/mC2Lnon_corr5.1744.0127.0939.765C2LISC_corr3.6532.1495.2846.889精度提升/(%)-40.146.023.830.6C1C+C2Lnon_corr1.5881.2953.1723.786C1C+C2LISC_corr1.4321.1652.7483.317精度提升/(%)-9.510.213.012.2C1W+C2W-1.5051.2032.8303.441

注：Imp.=|RMSISC_corr-RMSnon_corr|/RMSnon_corr

5　結(jié)　論

針對(duì)GPS民用導(dǎo)航星歷中新增的ISCC/A、ISCL2C、ISCL5I和ISCL5Q4種ISC參數(shù)，本文給出了GPSISC參數(shù)的含義及其在GPS標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位中的使用方法，利用不同機(jī)構(gòu)(包括IGG、DLR及CODE)提供的后處理DCB產(chǎn)品評(píng)估了GPS廣播的TGD及ISC參數(shù)的實(shí)際精度，深入分析了ISC參數(shù)對(duì)GPS導(dǎo)航用戶單/雙頻定位精度的影響。結(jié)果表明：

(1)GPS廣播的衛(wèi)星鐘差參數(shù)由L1P(Y)和L2P(Y)消電離層組合計(jì)算得到，單獨(dú)或聯(lián)合采用民用信號(hào)實(shí)施SPP時(shí)，需同時(shí)引入TGD及ISC參數(shù)作為改正信息。

(2)ISC參數(shù)更新頻次較有規(guī)律，2014年4月至2015年4月期間，各衛(wèi)星ISC參數(shù)在2014年6月及2015年2月分別更新了一次。

(3)TGD及ISC參數(shù)與不同機(jī)構(gòu)后處理DCB產(chǎn)品的比較結(jié)果略有差異，總體而言，ISCC/A參數(shù)精度可以達(dá)到0.2ns，TGD、ISCL2C及ISCL5Q參數(shù)精度能夠達(dá)到0.5ns。

(4) 同一類型GPS衛(wèi)星TGD與ISC參數(shù)之間的差異較小，不同類型衛(wèi)星TGD與ISC參數(shù)之間的差異較大，TGD及ISC參數(shù)對(duì)GPS定位影響不能忽略。

(5) 經(jīng)由TGD及ISC參數(shù)改正后，GPS民用導(dǎo)航信號(hào)L2C單頻SPP精度提升顯著，L1C/A+L2C雙頻SPP精度與L1P(Y)+L2P(Y)消電離層組合的定位精度相當(dāng)。

致謝：感謝OliverMontenbruck博士在本文研究中提供的幫助。

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(責(zé)任編輯：陳品馨)

修回日期： 2016-06-07

E-mail：wnbigg@asch.whigg.ac.cn

AccuracyEvaluationofGPSBroadcastInter-signalCorrection(ISC)ParametersandTheirImpactsonGPSStandardPositioning

WANGNingbo1,3,YUANYunbin1,ZHANGBaocheng1,LIZishen2

1.StateKeyLaboratoryofGeodesyandEarth’sDynamics,InstituteofGeodesyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430077,China; 2.AcademyofOpto-Electronics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100094,China; 3.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

WiththeintroducingofGPS(GlobalPositioningSystem)BlockIIR-Msatellitesin2005,anewcivilsignal(L2C)wastransmittedonL2frequency,andtwonewsignals(L5IandL5Q)onanewfrequency(L5)werealsointroducedasstandardsignalswithBlockIIFsatellitesbeginningin2010.Inadditiontothetiminggroupdelay(TGD)parametercontainedinthelegacynavigation(LNAV)message,fouradditionalinter-signalcorrection(ISC)parametersareintroducedinthenewcivilnavigation(CNAV)messagetoprovidecorrectionsforL1C/A,L2CandL5signalswithrespecttoL1P(Y)signal.Inthisstudy,theISCcorrectionmodelsarefirstdevelopedforGPSsingle-anddual-frequencynavigationusers.ThereafterISCsarevalidatedwiththedifferentialcodebias(DCB)productsofdifferentorganizations,andseveralstandardpointpositioning(SPP)schemesarealsocarriedouttoanalyzetheimpactofISCsonGPSstandardpositioning.TheresultsindicatethattheprecisionofbroadcastISCC/Aisabout0.2ns,andthoseofTGD,ISCL2CandISCL5Qareabout0.5ns.ThepositioningaccuracyoftheSPPsolutionbasedonGPSL2CsignalsapplyingISCcorrectionsimproves30.6%andthatbasedonL1C/AandL2Cionosphere-freecombinationimproves12.2%at12multi-GNSSexperiment(MGEX)stationsduringdayofyear(DOY) 300—310in2014,comparedtothesolutionswithouttheconsiderationofISCs.ForGPSdual-frequencyusers,thebroadcastISCsenablealevelofaccuracythatiscompetitivewithionosphere-freecombinationofthepresentL1P(Y)andL2P(Y)signals.

inter-signalcorrection(ISC);timinggroupdelay(TGD);differentialcodebias(DCB);standardpositioning

WANGNingbo(1987—)，male，PhDcandidate，majorsinmulti-GNSSdifferentialcodebias(DCB)processingandionosphericTECmodeling.

P228

A

1001-1595(2016)08-0919-10

國家自然科學(xué)基金(41231064；41304034；41574033；41321063)；北京市自然科學(xué)基金(4144094)

2015-11-17

王寧波(1987—)，男，博士生，研究方向?yàn)槎嗄NSS差分碼偏差處理及電離層TEC建模。

引文格式：王寧波，袁運(yùn)斌，張寶成，等.GPS民用廣播星歷中ISC參數(shù)精度分析及其對(duì)導(dǎo)航定位的影響[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2016,45(8)：919-928.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150554.

WANGNingbo,YUANYunbin,ZHANGBaocheng,etal.AccuracyEvaluationofGPSBroadcastInter-signalCorrection(ISC)ParametersandTheirImpactsonGPSStandardPositioning[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2016,45(8):919-928.DOI:10.11947/j.AGCS.2016.20150554.