GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响.docx

GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响.docx

《GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响

第19卷第1期

2004年3月数据采集与处理JournalofDataAcquisition&ProcessingVol.19No.1Mar.

2004

文章编号:

100429037（2004）0120107204

GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响

帅　平1,陈定昌2,江　涌2

（1.中国航天科技集团第五研究院,北京,100086;

2.中国航天科工集团第二研究院,北京,100854）

摘要:

利用国际GPS地球动力学服务（InternationalGPSservice（IGS）forgeodynamics）提供的广播星历和精密星历数据,全面分析GPS卫星轨道及其钟差修正量误差的变化规律。

前者具有6h的短周期正弦波动和1个GPS周的长周期线性递增特性;后者以12h为周期作正弦波动变化,这对用户导航定位精度将产生周期性影响。

若使用IGS预报星历代替广播星历数据进行导航定位计算,可以使定位精度提高5m。

关键词:

全球定位系统;导航定位精度;广播星历;精密星历

中图分类号:

V24913;V474125;P228　　　　文献标识码:

A

ErrorsofGPSBroadcastEphemidesonNavigationandSHP,CHD2GYong

TCorporation,Beijing,100086,China;

TheSecondResearchAcademyofChinaAerospaceScienceand

IndustryCorporation,Beijing,100854,China）2（FChinaAerospaceScienceand

Abstract:

UsingthebroadcastephemeridesandprecisiononesprovidedbytheinternationalGPSserviceforgeodynamics（IGS）,thechangelawoftheorbittheerrorsandthecorrectedclockerrorsofGPSsatellitescanbeanalyzed.Theformerpossessesthefeaturesof6hshortperiodsinewavingandoneGPS2weeklongperiodlinearincreasing.Thelatter,hasonlythesinewavefeaturesof12hperiod.Therefore,theyhavealsoanperiodicaleffectonusernaviga2tionandpositioningaccuracy.IfIGSpredictingephemeridesareappliedtonavigationcalcula2tioninsteadofthebroadcastones,thepositioningaccuracycanbeincreasedby5m.

Keywords:

globalpositioningsystem;navigationandpositioningaccuracy;broadcast

ephemeris;precisionephemeris

　　实时获取卫星的位置、速度和钟差修正量是利

用全球定位系统（Globalpositioningsystem,GPS）

进行导航定位的前提条件,而卫星的位置、速度及

其钟差修正量又是由卫星广播星历与相应的时钟

改正参数计算而得到的。

因此,卫星广播星历及其

时钟改正参数质量的好坏直接决定着用户的导航

定位精度。

为了叙述方便,本文将卫星广播星历及

其时钟改正参数统称为广播星历数据。

当前,GPS

系统拥有28颗在轨卫星,包括4颗Block卫星,18颗BlockA卫星和6颗BlockR卫星。

用GPS广播星历数据计算的卫星位置（轨道）及其钟差修正量能达到多高的精度,对用户导航定位精度有何种影响,需要深入研究。

这样,才有利于采取合理的改进措施,选取有利的观测时段,获得高精度、安全可靠的导航定位信息,满足实际工程应用要求。

本文利用国际GPS地球动力学服务（InternationalGPSservice（IGS）forgeodynamics）提供的广播星历和精密星历数据,计算GPS卫星轨道及其钟差修正量,并　基金项目:

国家863高技术（GA211201202）资助项目。

　收稿日期:

2003206212;修订日期:

2003209216

108数据采集与处理第19卷

分析其误差时间序列特征对用户导航定位结果的影响规律。

最后,探讨利用IGS预报星历代替GPS广播星历进行导航定位的可行性。

的。

而GPS系统的广播星历采用的是1984年世界

大地坐标系（WGS284）。

ITRF与WGS284之间存在约10cm的平移量和微小转动角的差异,可以利用相应的坐标变换参数进行相互转换。

1　数据来源

使用的GPS数据由两个部分组成:

一是由IGS提供的全球监测与处理数据;二是使用Javad

4020通道的GPSGGD双频、GLONASS接收机以30s的采样间隔和5°的卫星截止高度角,在某

一已知坐标的观测墩上连续采集8d的GPS数据。

IGS是1993年在国际大地测量协会（Interna2tionalassociationofgeodesy,IAG）的倡议下成立

2　用GPS广播星历数据计算卫星轨

道与卫星钟差修正量

计算GPS卫星轨道实际上就是利用广播星历

数据实时求解卫星在WGS284坐标系中的位置坐标,这是利用GPS卫星进行导航定位的前提条件。

GPS用户接收机对接收到的卫星信号进行解扩和解调处理后,得到导航电文信息,从中可以获取星历参数,标[2]。

以获得较高精度的卫星轨道[3]。

同时,若对计算卫星轨道的各公式分别进行微分,就可以得到卫星的瞬时运动速度。

从GPS导航电文中,提取卫星时钟改正参数（Α时钟数据参考历元（toc）和群延迟参数0,Α1,Α2）、

（TGD）等信息,用于计算卫星钟差修正量,即有

∆tΑtoc）+Αtoc）+0+Α1（t-2（t--2c

es

assinEs-TGD

的,于1994年1月正式运作,是一个非营利性质的国际组织。

其主要任务是利用GPS空间对地观测技术研究地壳运动、监测海（冰）。

IGSGLONASS对卫星进行连续跟踪观

测,其测量数据被发送到IGS数据分析与处理中心,该中心统一解算GPS卫星星历,并向全球用户提供3种星历类型:

最终星历、快速星历和预报星历,相应的精度、采样间隔和获取时间见表1,数据格式为IGS专用的sp3格式[1]。

其中,预报星历是每日3∶00和15∶00（UTC时间）两次发布未来48h的GPS卫星外推星历。

实测GPS广播星历数

（1）

式中:

t为卫星发射信号时刻;GM为WGS284椭球

定义的引力常数与地球质量的乘积;c为光速;es为卫星轨道偏心率;as为卫星轨道长轴半径;Es为卫星轨道偏近点角。

在众多的文献中,忽略了上式中的后2项改正,这可能导致5～20m的定位误差[3]。

据可以通过综合IGS全球跟踪站的导航数据文件而得到。

表1　IGS提供的GPS卫星星历概况卫星轨

星历类型道精度

cm

最终星历快速星历预报星历

<5525

卫星钟差精度ns

0.10.25

采样间隔min

151515

获取时间

13d17h

更新时间

1星期1d

3　GPS广播星历误差监测

当前,GPS系统拥有28颗在轨卫星,卫星编

号为从1～32的伪随机噪声（Pseudo2randomnoise,PRN）编号,其中缺失PRN12,PRN16,PRN19和PRN32卫星。

利用GPS广播星历数据

实时每天2次

从表1中可以看到,IGS提供的卫星星历精度是相当高的,可以作为监测广播星历误差的基准数据。

值得一提的是,IGS提供的卫星星历是基于国际地球参考框架（Internationalterrestrialrefer2enceframe,ITRF）而产生的,ITRF是一个考虑地

计算卫星轨道及其钟差修正量,并与IGS最终星历相比较,从而得到当前GPS卫星轨道及其钟差修正量误差。

在图1,2中分别展示了7d的卫星轨道及其钟差修正量误差时间序列（2002.7.23～7.29）,其横轴为以月、日、时、分和秒表示的UTC时间。

同时,

在表2中还给出了相应的每日标准差统计结果（1Ρ精度指标）。

从图1,2和表2中可以看到:

球极移、章动和岁差年平均结果的动坐标系,例如,2002年的IGS星历是在ITRF2000框架下得到

第1期帅　平,等:

GPS

广播星历误差及其对导航定位精度的影响109

（1）用GPS广播星历数据计算的卫星轨道具有6h的短周期正弦波动误差和7d（1个GPS周）

的长周期线性递增误差。

在一个长周期内,轨道标准差日增加量约为1010m,星期日的轨道误差最小,星期六的轨道误差最大。

（2）卫星钟差修正量误差仅以12h为周期作正弦波动变化,每日统计标准差变化量不超过1ns,说明用广播星历数据计算的卫星钟差修正量比

较稳定,精度保持在1817ns左右。

但是,有时个别卫星钟差修正量误差可能会超过100ns,如7月23日23～24时PRN22卫星出现较大的钟差修正量误差,这将带来30m的伪距测量误差。

当然,对于这种突发性误差,可以通过GPS接收机自动完整性检测（Receiverautonamousintegritymonitor2ing,RAIM）算法将该卫星数据剔除,以确保导航定位精度

。

图1

图2　用GPS广播星历数据计算的卫星

钟差修正量误差

表2　用GPS广播星历数据计算的卫星轨道标准差及其钟差修正量标准差统计

日　　期

统计类型

7.23.Tues

7.24Wed.33.519.1

7.25Thur.43.018.9

7.26.Fri53.118.9

7.27Sat.64.418.4

7.28Sun.6.418.7

7.29Mon.15.418.6

卫星轨道标准差m卫星钟差修正量标准差ns

24.018.6

4　GPS广播星历误差对导航定位精

同样,可以采用最小二乘方法进行测速计算,得到的m。

GPS速度测量误差具有以12h周期的正弦振荡特

度的周期性影响

利用本文在已知坐标的观测墩上连续采集的

8dGPS数据（2002108113～08120）,采用标准的电离层和对流层延迟修正模型[4],用最小二乘方法进行定位计算,得到定位误差与相应的每日统计标准差分别如图3,4所示。

若忽略个别观测历元随机误差的影响,从图3中可以看到:

GPS定位误差呈现出明显的周期性变化,具有24h的短周期和1个GPS周的长周期。

前者主要受GPS卫星与观测站的几何构图以及卫星轨道误差的短周期正弦波动影响;后者是卫星轨道误差长周期变化的结果。

从图4中还可以看到,每个GPS周开始时的定位标准差较小,精度较高;而周末的定位标准差较大,精度较低。

其中,最大标准差与最小标准差之间相差912

性[3],说明GPS测速误差与卫星轨道误差的长周期变化无关,而与卫星时钟修正量误差具有类似变化规律。

5　利用GPS广播星历和IGS预报星

历的导航定位结果比较

图5给出GPS广播星历和IGS预报星历数

据,由最小二乘方法得到24h的定位误差序列,其定位精度分别为1616m和1117m。

可见,用IGS预报星历的定位精度比用GPS广播星历提高约5m（1Ρ）。

从图5（b）中看到,对于少数观测历元,用IGS预报星历的定位误差可能达到40m,比用广播星

110数据采集与处理第19

卷

方法的改进,将增强IGS预报星历的完整性和可

用性,进一步提高利用IGS预报星历的GPS用户

导航定位精度。

6　结　　论

（1）用GPS广播星历数据计算的卫星轨道及

图3　GPS

定位误差其钟差修正量存在周期性误差,前者具有6h的短周期正弦波动和1个GPS周的长周期线性递增特性;后者仅以12h为周期作正弦波动变化,从而对用户导航定位精度产生相应的周期性影响。

（2）用IGS预报星历代替GPS卫星广播星历

进行导航定位是可行的,可以提高GPS用户的导

航定位精度。

IGS预报星

历,GPS,,、。

,但是GPS卫星轨道及其钟差修正量误差的

周期性变化是客观存在的。

因此,无论是静态用户,

还是动态用户,利用GPS广播星历数据进行导航

定位计算,其结果都具有类似的影响规律。

当然,考

虑到动态环境角运动误差的影响,实际动态用户的

导航定位误差可能会大于本文给出的具体数值。

参考文献:

[1]　NeilanRE,MooreA.InternationalGPSservice

Proceedingsofthe图4　GPS

定位标准差统计2000:

LifeWithoutSA[A].

13thInternationalTechnologyMeetingoftheSatel2

liteDivisionoftheInstituteofNavigation[C].Salt

～446.Lake,UT,20001438

[2]　ParkinsonBW,SpilkerJrJJ.Globalpositioning

system:

theoryandapplication（Volume）[M].

Washington:

PublishedbytheAmericanInstitute

ofAeronauticsandAstronautics,Inc,19961109～

133.

[3]　帅平.GPSSINS组合导航系统理论与实现技术研

图5　GPS定位误差究[D].中国航天科工集团第二研究院,2002.

[4]　BraaschMS.AsignalmodelforGPS[J].Journalof

theInstituteofNavigation,1990,37（4）:

363～

377.历的定位误差大。

这是由于IGS的GPS跟踪站全球分布不够均匀,而一些关键站的观测数据又不能

及时传送到IGS数据处理与分析中心,因而不能

计算某些卫星的钟差预报值,以致这些卫星数据不

能参与定位计算（一般在2颗以上）,几何精度因子

较大,定位精度下降。

随着IGS全球跟踪站数量的

增加,数据传输手段的完善,以及数据处理和分析作者简介:

帅　平（19712）,男,博士后,研究方向:

卫星导航系统技术,E2mail:

xumin9989@;陈定昌（19372）,研究员,研究方向:

雷达系统、精密制导技术、系统总体技术等;江　涌（19632）,研究员,研究方向:

制导与控制系统总体技术。