李 冉,胡小工,曹月玲,唐成盼,孟 鑫,常志巧
(1.中國科學(xué)院上海天文臺,上海200030; 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049; 3.同濟大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院,上海200092; 4.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京100094)
為了提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位服務(wù)精度,很多國家或地區(qū)分別建立了針對GPS (global positioning system)和GLONASS (global navigation satellite system)的星基增強系統(tǒng),如美國的廣域增強系統(tǒng)(wide area augmentation system, WAAS)、歐盟地球靜止導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)(European geostationary navigation overlay service, EGNOS)、日本的多功能衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)(multi-functional satellite augmentation system, MSAS)、印度的GPS 輔助型靜地軌道增強導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS-aided GEO augmented navigation, GAGAN)等。這些星基增強系統(tǒng)可通過地球靜止軌道(geostationary orbit, GEO)衛(wèi)星搭載的衛(wèi)星導(dǎo)航增強信號轉(zhuǎn)發(fā)器,向用戶實時提供廣播星歷、鐘差改正信息以及電離層格網(wǎng)改正信息,最終實現(xiàn)對原有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的提高。與其他GNSS 星基增強系統(tǒng)不同,北斗區(qū)域?qū)Ш叫腔鰪娤到y(tǒng)將軌道誤差和鐘差誤差綜合為一體,以等效鐘差的形式提供星歷和鐘差的綜合差分改正。這種處理方法簡便易行,能夠保證一定精度,但忽略了衛(wèi)星星歷誤差在不同方向的投影差異。當(dāng)衛(wèi)星軌道誤差較大時,等效鐘差的改正精度會迅速降低。為了提高北斗星基增強系統(tǒng)的精度,在北斗全球系統(tǒng)的星基增強系統(tǒng)建設(shè)中,需要分別提供衛(wèi)星軌道和鐘差改正信息。由于在雙頻多系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)下,新一代星基增強系統(tǒng)可以采用雙頻觀測量消除大部分電離層誤差[1],不再需要電離層格網(wǎng)改正,因此,我們將主要研究星基增強系統(tǒng)中星鐘和星歷誤差的修正方法。
研究如何優(yōu)化星歷和鐘差差分改正模型,可以有效提高系統(tǒng)的服務(wù)性能,對新一代北斗星基增強系統(tǒng)有重要意義。對于星基增強系統(tǒng)中星歷和鐘差改正算法,國內(nèi)外專家已開展了一些研究,例如,美國的WAAS 系統(tǒng)中,人們采用了最小方差估計的快照算法和基于動態(tài)軌道模型的濾波方法來計算衛(wèi)星軌道誤差改正數(shù),然后計算衛(wèi)星鐘差改正數(shù)[2];陳劉成等人[3]在北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)動力學(xué)定軌的基礎(chǔ)上,提出了快速處理星歷和星鐘改正數(shù)的模型和方法;Cao 等人[4]利用北斗系統(tǒng)特有的星地雙向時間同步測量,將衛(wèi)星軌道誤差和星鐘誤差進行分離,提高了北斗差分改正精度;吳顯兵[5]深入研究了實時軌道和鐘差改正數(shù)解算的動力學(xué)模型和方法,并采用基于非差和歷元間差分組合模式的實時高頻衛(wèi)星鐘差估計算法,利用北斗實驗分析,得到了實時鐘差確定精度優(yōu)于0.2 ns 的結(jié)果;宋偉偉[6]提出了一種混合差分精密鐘差估計方法,并采用偽距單差與相位雙差方程同時估計,解決了歷元間差分估計方法中忽略初始衛(wèi)星鐘差偏差的問題。Lou 等人[7]基于BETS (BeiDou experimental tracking station)和MGEX (multi-GNSS experiment)數(shù)據(jù)對北斗衛(wèi)星精密定軌問題進行了分析和研究,所得到的IGSO (inclined geosynchronous satellite orbit)和MEO (medium Earth orbits)衛(wèi)星三維重疊軌道定位精度分別優(yōu)于20 cm 和14 cm。目前,在單系統(tǒng)精密定軌的基礎(chǔ)上,多模GNSS 精密定軌的研究已大范圍開展。人們基于其全球分布的100 多個監(jiān)測站數(shù)據(jù)聯(lián)合解算GPS, GLONASS, GALILEO 和北斗軌道,結(jié)果表明,除北斗GEO 衛(wèi)星切向重疊軌道差異較大外,其他系統(tǒng)定軌精度都較高[8]。本文將分別采用動力學(xué)和運動學(xué)兩種模式計算衛(wèi)星星歷和鐘差改正數(shù),并基于北斗實測數(shù)據(jù)對兩種差分處理模式的改正精度進行對比分析。
衛(wèi)星軌道誤差具有變化緩慢,且有系統(tǒng)性的特點,人們可以先對衛(wèi)星進行動力學(xué)精密定軌,并外推精密軌道,然后將衛(wèi)星軌道固定為已知值,利用偽距相位觀測值計算精密衛(wèi)星鐘差。通過這種方法,人們可以將外推軌道的剩余誤差合并到衛(wèi)星鐘差中,以確保差分改正信息的一致性,從而保證用戶的定位精度。動力學(xué)廣域差分改正計算可分成兩個獨立的計算過程:軌道改正數(shù)計算和鐘差改正數(shù)計算,即通過預(yù)報精密軌道來計算軌道改正數(shù),以及在固定預(yù)報精密軌道的基礎(chǔ)上計算鐘差改正數(shù)。因此在計算鐘差改正數(shù)時,我們減少了太陽光壓等代估參數(shù),從而提高了鐘差改正數(shù)的計算速度。動力學(xué)廣域差分改正數(shù)的計算流程如圖1所示。
圖1 動力學(xué)廣域差分改正數(shù)計算流程
Tang 等人[9]提出了一種約束衛(wèi)星雙向測量鐘差解算衛(wèi)星軌道的定軌處理方法,其結(jié)果表明,該定軌策略可以減小GEO 衛(wèi)星的用戶等效測距誤差(user equivalent range error,UERE)和IGSO 衛(wèi)星的激光殘差,并能保證GEO 衛(wèi)星在春/秋分點期間的軌道精度并不明顯下降。
采用Tang 等人給出的精密定軌處理方法,人們可以進行精確軌道確定,并可外推衛(wèi)星預(yù)報軌道,通過將衛(wèi)星預(yù)報軌道與對應(yīng)歷元的廣播星歷進行比較,生成衛(wèi)星軌道改正數(shù)。
其中,(?x,?y,?z)是三維軌道改正數(shù);orbitTWSTFT?based是預(yù)報精密軌道,由約束衛(wèi)星雙向測量鐘差的多星定軌生成;orbiteph是利用廣播星歷計算的衛(wèi)星軌道。
取更新周期內(nèi)的衛(wèi)星軌道改正數(shù)序列,并采用線性模型計算擬合參數(shù),作為衛(wèi)星軌道改正信息,以發(fā)播給用戶使用。
利用非差消電離層組合觀測值進行粗差剔除、周跳探測和修復(fù),然后固定外推的預(yù)報軌道,采用批處理方式估計衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差參數(shù),可得到精密衛(wèi)星鐘差。由于該方法不需要估計軌道及光壓參數(shù),參數(shù)估計數(shù)量減少,因此,計算速度明顯提高。但為了保證鐘差改正信息的實時性要求,還需要對計算的精密衛(wèi)星鐘差進行短時預(yù)報。我們采用線性擬合模型,即在一般情況下,任意時刻鐘差改正數(shù)dx與參考時刻的關(guān)系,用線性表達式表示:
其中,dx0和dx1分別是參考時刻t0的鐘差改正數(shù)的常數(shù)項和速度項。
設(shè)dx表示鐘差改正數(shù),在tk參考時刻,觀測誤差為vk,則誤差方程為:
在已經(jīng)公布的北斗用戶接口控制文件(interface control document, ICD)[10]中指出,通過對授權(quán)用戶發(fā)播等效鐘差改正數(shù),可統(tǒng)一修正衛(wèi)星鐘差誤差和軌道誤差在視向的投影。該模型具有算法簡單且計算量小的優(yōu)點,但對軌道誤差的修正精度有限。本文采用等效鐘差和衛(wèi)星三維軌道改正數(shù)計算方案,分離鐘差改正數(shù)和軌道改正數(shù),利用高精度相位數(shù)據(jù)進行歷元間改正約束,提高了軌道改正數(shù)處理精度。此外,還對該運動學(xué)差分改正算法的用戶改正精度進行了分析研究。
運動學(xué)差分改正不依賴于衛(wèi)星軌道動力學(xué)建模,而是依據(jù)衛(wèi)星觀測模型解算衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù),其計算流程如圖2 所示。
圖2 運動學(xué)廣域差分改正數(shù)計算流程
我們采用經(jīng)CNMC (code noise and multipath correction)算法[11]平滑后的偽距觀測量以減小偽距多路徑影響,然后消除星地幾何距離及傳播路徑的大氣改正等公共誤差,計算偽距殘差,并以此為基礎(chǔ)計算鐘差改正信息,如式(5)所示。
其中,?是接收機i與衛(wèi)星j之間的偽距殘差,c是光速,δti是監(jiān)測站鐘差,εsatclk是衛(wèi)星鐘差誤差,εorb是軌道誤差在視向的投影,為觀測噪聲。
以等效鐘差改正數(shù)ESclkcor統(tǒng)一修正衛(wèi)星鐘差誤差和軌道誤差在視線方向上的投影,具體可以表示為:
在運動學(xué)衛(wèi)星鐘差誤差監(jiān)測方程(5)中,我們固定主控站的站鐘,并利用最小二乘法實時解算其他監(jiān)測站δti和等效鐘差改正數(shù)ESclkcor。
因為衛(wèi)星鐘差誤差和軌道誤差耦合在一起,所以同時求解將令法方程病態(tài)影響解算值的準(zhǔn)確性。因此,在偽距殘差中,我們先消除已解算的等效鐘差改正數(shù),再解算衛(wèi)星軌道改正數(shù)。
其中,δεorb是星歷誤差在測站視線方向上的投影誤差,ai,bi,ci分別是星歷誤差在該監(jiān)測站方向上的投影系數(shù),x,y,z為三維軌道誤差。
假設(shè)監(jiān)測站連續(xù)跟蹤某顆衛(wèi)星,在沒有周跳發(fā)生的情況下,對歷元間的相位觀測值差分能夠消除模糊度參數(shù),從而可以通過相位殘差歷元間差分數(shù)據(jù)計算軌道改正數(shù)歷元間變化。
其中,?是雙頻無電離層載波相位殘差,λ為波長,N為模糊度,為載波相位噪聲,d(?)是相位殘差歷元間差分結(jié)果,d(δt)是歷元間接收機鐘差的差值。人們可以利用衛(wèi)星共視法實現(xiàn)站間時間同步[12],從而將各監(jiān)測接收機的鐘差消除。
其中,dxi, dyi, dzi分別為軌道誤差在三個方向上的歷元間變化量。
通過以上偽距殘差計算軌道改正數(shù)絕對值,再利用相位殘差歷元間差分計算軌道改正數(shù)歷元間變化,最終可將高精度的軌道改正數(shù)歷元變化和偽距計算的軌道改正進行綜合,獲取軌道改正數(shù)。
本文比較動力學(xué)廣域差分與運動學(xué)廣域差分的差異,并分別通過差分后用戶測距誤差和雙頻實時偽距單點定位,對兩種差分改正模型的處理精度進行對比分析。同時,我們還將北斗星基增強服務(wù)性能與國際上成熟的星基增強系統(tǒng)WAAS 和EGNOS 的服務(wù)性能進行對比分析,并研究星基增強差分改正信息在精密單點定位中的應(yīng)用。研究結(jié)果可為中國星基增強系統(tǒng)建設(shè)提供參考。
無論是運動學(xué)廣域差分模型,還是動力學(xué)廣域差分模型,都是采用中國區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)6 個監(jiān)測站的北斗觀測數(shù)據(jù)進行計算,監(jiān)測站分布在北京、三亞、喀什、成都、哈爾濱和烏魯木齊。兩種差分改正模型的計算方法見第2 章和第3 章,其中動力學(xué)模式下精密定軌的預(yù)報軌道徑向精度約為0.24 m,精密鐘差處理精度約為0.2 ns。通過對運動學(xué)和動力學(xué)差分改正數(shù)計算模式進行對比分析,我們總結(jié)了兩種差分改正模式的差異,如表1 所示。
表1 兩種差分改正數(shù)計算模式的區(qū)別
利用中國區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)6 個監(jiān)測站的北斗實測數(shù)據(jù),我們對動力學(xué)和運動學(xué)差分改正的服務(wù)精度進行對比分析。
導(dǎo)航系統(tǒng)定位服務(wù)精度可以通過兩個指標(biāo)描述:精度衰減因子DOP(dilution of precision)和用戶等效測距誤差UERE(user equivalent range error),其定位精度為DOP ×UERE。DOP與星座設(shè)計和用戶位置有關(guān),衛(wèi)星星座設(shè)計確定后,不同位置用戶的DOP就已經(jīng)確定。UERE指用戶測距信號上的殘余誤差,由空間信號的用戶測距誤差URE(user range error)和用戶設(shè)備誤差UEE(user equipment error)引起,與衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差誤差、大氣模型誤差、多路徑噪聲、接收機鐘差誤差等相關(guān)。在現(xiàn)有星座設(shè)計條件下,只能通過降低UERE的方式來提高導(dǎo)航用戶定位精度[12]。而用戶差分測距誤差UDRE(user differential range error)反映了差分后的偽距殘差,可用來評估差分模型的改正精度。
對于用戶定位,同歷元不同衛(wèi)星的UERE間相同的部分可被接收機鐘差吸收,而差異部分將影響用戶的定位參數(shù)計算。通過對同歷元各衛(wèi)星的UERE之間偏差的時間序列進行統(tǒng)計,人們可了解其對定位精度的影響。
我們選取了2016年7月27日中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實測偽距相位觀測數(shù)據(jù),并分別計算了雙頻用戶在開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)下用戶等效測距誤差。相對于開放用戶,授權(quán)用戶可接收實時解算的差分改正數(shù),以提高定位精度[13],其中授權(quán)服務(wù)下的差分改正數(shù)分別采用動力學(xué)廣域差分模型和運動學(xué)廣域差分模型解算。我們統(tǒng)計了在中國區(qū)域均勻分布的6 個地面監(jiān)測站所觀測到的對所有可見衛(wèi)星的UERE的均方根RMS(root mean square)誤差,如圖3 所示,其中UEREos為開放服務(wù)下的UERE,UDREkin表示采用運動學(xué)差分改正數(shù)后的UDRE,UDREdyn表示采用動力學(xué)差分改正數(shù)后的UDRE。
圖3 不同監(jiān)測站的UERE 統(tǒng)計
由圖3 可以看出,與開放服務(wù)下各監(jiān)測站的UERE相比,無論采用動力學(xué)差分改正數(shù),還是運動學(xué)差分改正數(shù),監(jiān)測站的UERE都得到有效降低,并且兩種方法對不同監(jiān)測站的UERE降低程度不同。表2 統(tǒng)計了6 個監(jiān)測站的UERE結(jié)果。
統(tǒng)計結(jié)果顯示,通過動力學(xué)廣域差分方法,監(jiān)測站的平均UERE由0.92 m 降為0.55 m,定位精度比改正前提高了40%;通過運動學(xué)廣域差分方法,監(jiān)測站的平均UERE降為0.60 m,定位精度比改正前提高了35%。
表2 不同監(jiān)測站的UERE 統(tǒng)計 m
我們利用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實測偽距相位數(shù)據(jù),分別計算了在開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)下,監(jiān)測站雙頻實時偽距單點定位結(jié)果,其中,授權(quán)模式下分別采用動力學(xué)廣域差分改正數(shù)和運動學(xué)廣域差分改正數(shù),計算雙頻實時偽距單點定位精度。
由于監(jiān)測站的坐標(biāo)已由GPS 精確測定,位置精度優(yōu)于10 cm,因此,可以此作為準(zhǔn)確值評估定位誤差。
為全面分析北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)用戶定位精度,我們計算了在中國區(qū)域均勻分布的6 個監(jiān)測站24 h 定位結(jié)果,如圖4 所示(以北京、三亞和成都為例),其中紅色為公開服務(wù)下的定位精度,綠色為增加運動學(xué)改正數(shù)后的定位精度,藍色為增加動力學(xué)改正后的定位精度。
圖4 不同廣域差分模式定位結(jié)果時間序列
從圖4 可以看出,在授權(quán)模式下運動學(xué)和動力學(xué)差分改正模型都有效地提高了定位精度。表3 分別統(tǒng)計了6 個監(jiān)測站分別采用動力學(xué)和運動學(xué)差分改正數(shù)后的定位精度。
表3 不同監(jiān)測站的定位結(jié)果統(tǒng)計
從6 個監(jiān)測站的統(tǒng)計結(jié)果可以看出,經(jīng)過差分改正之后,用戶的定位精度均有所提高,其中運動學(xué)差分雙頻平均定位誤差由2.57 m 降至1.78 m,定位精度提高了31%;動力學(xué)差分雙頻平均定位誤差降至1.76 m,定位精度提高了32%。
我們用同樣的方法對其他國家和區(qū)域的星基增強系統(tǒng)的服務(wù)性能進行了精度分析。我們分別選擇了EGNOS 和WAAS 覆蓋范圍內(nèi)的國際GNSS 服務(wù)(International GNSS Service,IGS)的3 個監(jiān)測站的實測數(shù)據(jù),結(jié)合EGNOS 和WAAS 系統(tǒng)發(fā)播的差分信息進行實時偽距單點定位。我們采用位于歐洲境內(nèi)的HUEG 站、SOFI 站和GRAS 站2016年7月27日的觀測數(shù)據(jù),驗證了EGNOS 系統(tǒng)的服務(wù)性能;采用美國境內(nèi)的WIDC 站、WCH1 站和AMC2站的觀測數(shù)據(jù),驗證了WAAS 系統(tǒng)的服務(wù)性能,以分別試驗監(jiān)測站在基本導(dǎo)航和增加差分改正數(shù)模式下的定位精度。
從圖5 和圖6 可以看出,采用WAAS 及EGNOS 系統(tǒng)播發(fā)的差分改正信息,定位精度均得到提高。表4 統(tǒng)計了監(jiān)測站在基本導(dǎo)航和增加WAAS/EGNOS 差分改正數(shù)模式后的定位精度。
圖5 WAAS 的定位結(jié)果
圖6 EGNOS 的定位結(jié)果
表4 WAAS/EGNOS 的定位結(jié)果統(tǒng)計
從統(tǒng)計結(jié)果可以看出,WAAS 和EGNOS 提供的差分改正數(shù)有效提高了監(jiān)測站的定位精度,其中利用WAAS 提供的差分改正信息,監(jiān)測站平均定位精度為1.54 m;利用EGNOS提供的差分改正信息,監(jiān)測站的平均定位精度為1.76 m,這與北斗衛(wèi)星增強系統(tǒng)實時偽距單點定位精度相當(dāng)。
我們選取了位于中國武漢的MGEX 監(jiān)測站中的JFNG 站進行試驗。JFNG 站配備TRIMBLE NETR9 接收機,可以接收北斗觀測數(shù)據(jù),并且監(jiān)測站的精確坐標(biāo)可以從網(wǎng)站ftp://ftp.cddis.eosdis.nasa.gov/獲取。利用在中國區(qū)域均勻分布的6 個地面監(jiān)測站(北京站、三亞站、喀什站、成都站、哈爾濱站和烏魯木齊站),分別采用動力學(xué)和運動學(xué)方法計算的差分改正數(shù)進行精密單點定位,同時采用IGS 分析中心發(fā)布的北斗精密軌道和鐘差進行精密單點定位,以驗證PPP 結(jié)果的可靠性。
我們選取了2016年7月27日JFNG 站的北斗觀測數(shù)據(jù),圖7 為采用運動學(xué)和動力學(xué)差分改正信息的精密單點定位結(jié)果。
圖7 不同模式精密單點定位結(jié)果
在圖7 中,紅線為IGS 的定位結(jié)果,綠線為采用動力學(xué)廣域差分改正數(shù)的定位結(jié)果,藍線是使用運動學(xué)廣域差分改正數(shù)的結(jié)果。
可以看出,采用IGS 和動力學(xué)廣域差分改正數(shù),定位結(jié)果均快速收斂,而采用運動學(xué)方式,則收斂時間較長。表5 中,我們列出了收斂后能夠達到的定位精度。
表5 收斂后精密單點定位精度統(tǒng)計 m
從表5 可以看出,增加兩種廣域差分模式改正數(shù)后的精密單點定位結(jié)果都可達到分米級,且動力學(xué)模式精密單點定位結(jié)果明顯好于運動學(xué)模式,這是因為動力學(xué)模式用到了相位數(shù)據(jù),而運動學(xué)模式只用到相位歷元間差分數(shù)據(jù),仍受未被模型化的對流層誤差的影響。
針對北斗星基增強系統(tǒng),我們分別研究了用動力學(xué)方法和運動學(xué)方法解算衛(wèi)星軌道和鐘差改正數(shù)的兩種模式,同時重點闡述了用這兩種模式解算衛(wèi)星軌道改正數(shù)和鐘差改正數(shù)的算法,并利用北斗地面監(jiān)測接收機實測數(shù)據(jù),對兩種處理模式的差分服務(wù)精度進行了評估,結(jié)果顯示:采用動力學(xué)廣域差分模型和運動學(xué)廣域差分模型,差分改正后UDRE分別為0.55 m 和0.60 m,比差分改正前用戶測距精度分別提高了40% 和35%;差分改正后雙頻實時偽距單點定位精度分別為1.76 m 和1.78 m,與基本導(dǎo)航用戶相比,精度分別提高了32%和31%。以上結(jié)果表明,兩種差分改正模型對于基于偽距的導(dǎo)航服務(wù)性能大致相當(dāng)。
采用動力學(xué)和運動學(xué)差分改正,基于雙頻偽距的北斗星基增強服務(wù)的精度與WAAS 和EGNOS 差分服務(wù)的精度相當(dāng)。利用運動學(xué)和動力學(xué)差分改正結(jié)果,均可得到分米級的精密單點定位結(jié)果,其中,使用動力學(xué)廣域差分改正信息,收斂后定位精度可達到15 cm。
動力學(xué)廣域差分改正數(shù)精度依賴于多星定軌生成的精密軌道,在高精度的軌道基礎(chǔ)上才能得到更好的差分改正數(shù),因此,軌道定位精度的提高對廣域增強系統(tǒng)非常重要。隨著北斗全球系統(tǒng)的發(fā)展,星間觀測數(shù)據(jù)的使用,海外監(jiān)測站的增加,以及北斗光壓模型的精化,北斗衛(wèi)星精密定軌精度可進一步提高,從而可望獲得更高精度的北斗廣域差分改正信息,以提高北斗廣域差分系統(tǒng)的服務(wù)性能。
致謝
審稿人提出的修改建議使本文質(zhì)量得以提高,在此致謝。同時也感謝《天文學(xué)進展》期刊編輯在論文審稿和接收過程中的細致工作。