将SBAS轨道参数和卫星钟差改正数用于精密单点定位外文翻译资料

 2022-08-08 14:44:12

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将SBAS轨道参数和卫星钟差改正数用于精密单点定位

摘要：基于精确单点（PPP）方法的实时GPS定位质量极大地取决于GPS卫星轨道和卫星钟差改正数的可用性和准确性。星基增强系统（SBAS）提供了此类改正数，但实际上它们是用于定位精度达1m的广域差分GPS（WADGPS）的。然而，基于载波相位的PPP可以利用相同的改正数值获得更准确的结果。我们将SBAS改正数应用于双频PPP，并比较了使用其他实时改正数据流的PPP的定位结果（例如GPS广播星历，来自法国国家空间研究中心（CNES）的精密改正数和德国德国航空航天公司（DLR））。在现有的三个SBAS中，北美广域增强系统（WAAS）获得了最好的定位结果：静态观测24小时观测数据的水平和垂直定位精度远小于10cm，而连续观测2小时的逐周期解算结果则小于30cm。欧洲对地静止导航覆盖服务（EGNOS）和日本的多功能卫星增强系统（MSAS）产生的定位结果有几十公分。MSAS与WAAS相比,每厘米1厘米的变化幅度大2到4倍。

关键词：GPS,精密单点定位，星基增强系统

引言

使用精密单点定位的方法（PPP，Zumberge等，1997）来计算接收来自GNSS（全球导航卫星系统）信号的接收机的位置在最近几年变得流行。通常，双频GNSS接收机是使用精密轨道参数和钟差改正数进行处理的。这些产品来自例如国际GNSS服务（IGS，陶氏等，2009）等。这些轨道参数和钟差改正数可用于后处理，但至少有几个小时延迟。在不久的将来计划推出实时IGS产品（Dow等，2009）。

但如今，已经有几种来源提供实时GNSS轨道参数和钟差改正数。并非它们全部旨在达到IGS产品的精度，并且它们通常并非旨在用于PPP模式。尽管如此，它们仍可以成功地与这些算法一起使用。

测试星际增强系统（SBAS）的改正数是我们的主要目标，即美国广域增强系统（WAAS，GPS WAAS PS 2008），欧洲对地静止导航覆盖服务（EGNOS，Ventura-Traveset等，2006年），以及日本多功能卫星增强系统（MSAS，Nakaitani，2009年）。 这些广域差分GPS（WADGPS）系统分别为北美，欧洲和日本提供轨道改正数，钟差改正数和电离层改正数。这些系统的主要目标是提供具有生命安全质量的完整定位，以及与单独使用GPS定位约1-2 m的精度相比，具有更高的精度（Ventura-Traveset等，2006）。 我们希望将它们与单频代码观测一起使用。 但是，我们使用了SBAS轨道参数和钟差改正数，以及双频代码和载波相位观测来计算PPP结果。

Rho和Langley（2007）引发了这项研究的想法，他们研究了使用WAAS改正数来进行PPP实验。他们成功地将WAAS轨道和时钟校正应用于基于载波相位的ppp。他们能够从24小时静态观测数据中获得厘米级精确的水平位置。

在我们的研究中，我们将分析拓展到了三个现有的SBAS系统，并且处理了来自34个连续运行参考站（CORS）的101天的观测数据。因此，我们能够呈现基于SBAS的PPP具有统计学意义的发现。两种解决方案产生了：用于24小时数据集的静态解，以及用于模拟接收机运动的2小时数据集的逐周期解。

为了提供一张更完整的使用实时改正数进行PPP实验的图像，我们将研究进一步扩展到精度较低的GPS广播星历表以及从法国国家太空研究中心（CNES）和德国宇航中心（DLR）获得更精密的实时改正数。

我们不打算详细讨论各种用于传输不同校正数据流频道的通讯方式的优缺点。显然，将改正数与GPS测距信号一起播放，不但减少用户的额外费用而且保证了最大的可用性。

我们所有的数据处理都是在后处理模式下进行的。由于所有必需的实时信息已存档并可以免费访问，使得该处理成为可能。

精密单点定位（PPP）

PPP是一种定位算法，可处理一台独立GNSS接收机的无差异码和载波相位观测值。 如果引入精密卫星轨道参数和钟差改正数而且收集到连续的双频载波相位观测值，则在全球各处都能实现一到几厘米的定位精度。

PPP解决方案的收敛时间长达数分钟甚至数小时，具体取决于预期的定位精度以及接收机的工作模式，即静态或动态定位。通过修正载波相位整周模糊度，可以大大减少收敛时间。但是，这需要有关信号延迟的其他信息，目前这些信息还不是轨道参数和钟差数据流的一部分（Geng等，2010）

PPP解算方案包括估计的位置坐标，时间信息和对流层延迟。我们仅处理了位置信息。位置是由卫星星历的参考帧确定的，因此在不同的轨道数据集之间可能会有所差异。

PPP本身是一种全球技术，因为卫星轨道和钟差信息通常来自全球的参考站观测资料。但是，如果轨道和钟差信息是基于参考站的区域网络，就像各种SBAS系统的情况一样，那么这些轨道和时钟信息仅在相应区域中支持PPP

卫星轨道参数和钟差信息

GPS卫星实时轨道参数和钟差信息有多种来源。通常绝对卫星轨道参数和卫星钟差参数不播发。取而代之的是卫星广播星历得以传播。

对于实时应用，存在几种数据格式：广播星历的GPS导航消息（IS-GPS-200 2010），三个SBAS使用的RTCA DO229（RTCA 2006）和由CNES和DLR使用的RTCM 3.1（RTCM 2011）。存档的轨道参数和卫星钟差信息，例如储存在SP3的IGS产品（轨道或带有时钟校正的轨道，Hilla 2010）和RINEX-CLK中 （仅限时钟校正，Ray and Gurtner 1998）格式。 CNES和DLR使用的相同格式将其实时产品的信息存档。 GPS广播星历通常是 以RINEX格式存储（Gurtner和Estey 2007）。 SBAS消息以各种格式存储， 例如 EGNOS讯息伺服器（EMS，Toran-Marti和Ventura-Traveset 2004）或RINEX（Suard等，2004）。

RTCA DO229格式的轨道参数和钟差分为长期修正和快速修正。长期改正数包含有关缓慢变化的卫星轨道和时钟误差的信息，而快速校正可提供有关快速变化的时钟误差的其他信息。 长期改正仅包含位置和时钟偏移值（EGNOS），或者还包含速度和时钟漂移校正（WAAS，MSAS）。 长期位置校正的分辨率以及快速校正为0.125 m，这限制了PPP结果可达到的精度

各种卫星轨道参数和钟差产品的定义可能有所不同，因此在执行PPP解算时必须要加以考虑。区别之一在于参考点位于卫星。IGS产品的参考点是卫星的质心（Kouba 2009）。因为对电离层自由线性的视在卫星天线相位中心进行测量结合双频观测，必须进行改正，必须与IGS使用的相同。这些改正数以文件形式发布在IGS互联网站点上，包含卫星和接收机天线校正（例如，在文件igs08.atx中）。 不使用这些改正数产生的位置误差目前在高度分量中约为4厘米。CNES和DLR遵循相同的约定，因为它们不生产自己的轨道产品，而是利用IGS超快速轨道的预测部分（Hauschild，2010； Laurichesse，2011）。

GPS广播星历是指卫星天线的相位中心（IS-GPS-200 2010），因此，在使用这一资源时，无需在PPP数据处理中应用卫星天线相位中心改正。我们找不到任何有关SBAS系统如何处理卫星天线相位中心的信息。然而，我们的处理结果表明，如果未进行卫星天线相位中心改正，则WAAS结果的高差仅为5.5 cm（表1）。应用这些改正数时，高度偏差会增加3厘米以上。有了EGNOS，平均高度偏差为-41.1 cm（表1）的大高度偏差无法有效解释哪种解决方案是更好的。使用MSAS时，高度误差的巨大差异导致了较大的15.6厘米的偏差（表2），这使得难以确定最佳处理方法。我们决定对所有3个SBAS系统使用相同的方法，因此我们没有应用天线相位中心 SBAS产品的更正。

卫星星历表的各种来源之间的第二个差异是P1-C1码延误。C/A（C1）码和P1码伪距之间的取决于卫星的差异可以达到约3.0 ns（90 cm）。 因此必须确定卫星轨道和钟差改正数产品是否正确。P1/P2，C1/P2或C1/P2acute;的无电离层线性组合，其中P2acute; = C1 P2-P1是可以由一台互相关接收器观察到的。最初，IGS钟差产品使用C1/P2acute;观测值，但在2000年4月2日改为使用P1/P2观测值（Kouba 2009，IGS邮件＃2744，网址：www.igs.org）。 预计CNES和DLR也将遵循此惯例。GPS广播产品属于P1/P2组（IS-GPS-200 2010），与使用C1 / P2acute;（柯林斯的WAAS产品，2008）不同 。 我们找不到有关EGNOS和MSAS遵循哪种惯例的任何消息。

这些与卫星有关的码偏差仅影响码观测的处理过程。在处理载波相位观测值时，这些偏差被估计的浮动模糊度所包含。在测距码观测值的情况下，这些偏差差异可以通过使用长期的平均P1-C1值来改正。 这样的估计数由位于瑞士伯尔尼的欧洲轨道确定（CODE）IGS分析中心档案室的差分代码偏差（DCB，www.aiub.unibe.ch / download / CODE /）所提供。这样的改正也是接收机所需要的，因为当今的接收机要么提供C1，P1和P2码观测值，要么仅提供C1和P2码观测值。在第一种情况下，我们选择P1和P2进行数据处理。在第二种情况下，我们更正了可观察到的C1。

在预分析中，我们估算了各种观测值集，卫星轨道参数和各种形式的应用P1-C1改正钟差产品的代码残差，以找出最佳拟合方案。因此，我们可以确认GPS广播改正数以及IGS，CNES和DLR 产品全部属于P1/P2组。假设C1/P2acute;钟差改正数时，三种SBAS系统中的每一种都产生最小的残差

另一个潜在的差异涉及由卫星位置所实现的大地参考系，卫星位置与确定卫星轨道参数地面站的坐标位于同一参考系中。在我们选定使用参考系IGS05（这是一种不同的实现方式，但与ITRF2005具有相同的基准）来研究IGS的时间段内，直到2011年4月16日（一天） （106/2011年），之后是IGS08，是对ITRF2008的一种实现。这些实现方法之间的差异是在1 cm的水平上（Altamimi等，2011； Rebischung等，2012），因此对于我们的应用程序来说可以被忽略。CNES和DLR在其改正文件中指出他们没有执行此操作并且在2011年3月至2011年6月的整个时间段内更改并使用了IGS05。 令人怀疑的是，这两个数据产品均基于IGS超快速轨道

GPS广播轨道参数在参考系统WGS84（IS-GPS-200 2010）中定义。它的礼物 实作的名称为WGS84（G1150），包含一套测站坐标和速度(指的是2001.0的纪元)。 相对于 49个IGS参考站的ITRF2000坐标,测站速度取自ITRF2000速度。因此，WGS84在几厘米的水平上与ITRF2000相同（Merrigan等。 2002）。

WGS84被用作国际空中航行的水平参考系统（ICAO，2010年）。 因此，WAAS播发了涉及WGS84的卫星星历和钟差改正数。（WAAS 2001）。EGNOS通过维持EGNOS地面参考框架（ETRF）作为国际地面参考框架（ITRF）的独立实现来满足此要求。 根据EGNOS（2009）和Plag等人的说法（2006），测距的天线坐标和完整性监测站（RIMS）每年至少确定一次，因此使用WGS84/ITRF时具有一致性,均保持在几厘米的水平。我们找不到任何日本MSAS采用的具体的参考系信息，但与WGS84保持一致是可以预见的，因为必须满足国际空中航行的要求。

总之，由于卫星轨道使用了各种参考系（WGS84，ITRF2000，IGS05，IGS08等），我们的坐标解决方案的参考框架有所不同。 但是，差异不应超过几厘米，以便在许多应用中可以忽略它们。在结论章节中，我们会介绍解决方案之间特定于站点的偏差，以便使两者之间的实际差异变得清晰。

观测数据集和数据处理

为了能够使用不同的卫星轨道和钟差改正数集来测试和比较PPP结果，我们从美国大陆（14个站），欧洲（13个）和日本（7）选择了多个CORS; 参见图1。他们的观测值由IGS，美国国家大地测量局（NGS）或EUREF永久网络（EPN）及其数据中心公开提供。对于这34个站中的每个站均具有连续101天（2011年3月1日至6月9日）的所有观测值被评估。

图1：本研究中使用的连续运行参考站（CORS）的地理分布

这些数据集对于使用高质量的接收机和天线是理想的，而在测站和低多径情况下几乎没有任何信号障碍。因此，它们特别适合于分析轨道和钟差改正数据流的质量。另一方面，在实际应用中可实现的定位精度通常不能被复制。

在图1所示的每个观测站，静态定位结果是基于最多101个独立的24小时坐标解决方案。实际上，由于观测值差距和2011年3月11日日本东北地震后缺乏MSAS改正数，而获得的结果较少。下一节中介绍的24小时静态PPP结果内容是基于WAAS的1064解决方案，EGNOS的1074解决方案，以及MSAS的577个解决方案。

逐个时间的结果基于每天和每个选定站点的2个2h数据集。总的来说，我们对于EGNOS使用了4346个2小时数据集，对于WAAS使用了4384个数据集，对于MSAS使用了2274个数据集。

数据处理由第二作者的PPP软件Wappp进行。该后处理软件能够处理以静态或动态模式收集的单频或双频GPS和GLONASS观测值。最初，该软件只能处理SP3的轨道参数和钟差信息，RINEX-CLK和RINEX格式的信息。对于本研究，它被拓展为也能接受 SBAS GPS轨道和时钟信

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