GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响.docx

1、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)0120107204GPS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

2、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:AErrorsofGPSBroadcastEphemidesonNavigationandSHP,CHD2GYongTCorporation,Beijing,100086,China;TheSecondResearchAcademyofChin

3、aAerospaceScienceandIndustryCorporation,Beijing,100854,China)2(FChinaAerospaceScienceandAbstract:UsingthebroadcastephemeridesandprecisiononesprovidedbytheinternationalGPSserviceforgeodynamics(IGS),thechangelawoftheorbittheerrorsandthecorrectedclockerrorsofGPSsatellitescanbeanalyzed.Theformerpossesse

4、sthefeaturesof6hshortperiodsinewavingandoneGPS2weeklongperiodlinearincreasing.Thelatter,hasonlythesinewavefeaturesof12hperiod.Therefore,theyhavealsoanperiodicaleffectonusernaviga2tionandpositioningaccuracy.IfIGSpredictingephemeridesareappliedtonavigationcalcula2tioninsteadofthebroadcastones,theposit

5、ioningaccuracycanbeincreasedby5m.Keywords:globalpositioningsystem;navigationandpositioningaccuracy;broadcastephemeris;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

6、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Block A卫星和6颗Block R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(GA211

7、201202)资助项目。收稿日期:2003206212;修订日期:2003209216108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Javad40 20通道的GPS GGD双频、GLONASS接收机以30s的采样间隔和5的卫星

8、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

9、取卫星时钟改正参数(时钟数据参考历元(toc)和群延迟参数0,1,2)、(TGD)等信息,用于计算卫星钟差修正量,即有ttoc)+toc)+0+1(t-2(t-2cesassinEs-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300和15

10、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520m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1IGS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 ns0.10.25采样间隔 min151515获取时间13d17h更新时间1星期1d3GPS广播星历误差监测当前,GPS系统

11、拥有28颗在轨卫星,卫星编号为从132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

12、道及其钟差修正量误差时间序列(2002.7.237.29),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(1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

13、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2324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

14、7.23.Tues7.24Wed.33.519.17.25Thur.43.018.97.26.Fri53.118.97.27Sat.64.418.47.28Sun.6.418.77.29Mon.15.418.6卫星轨道标准差 m卫星钟差修正量标准差 ns24.018.64GPS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(200210811308120),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

15、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

16、,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(1)。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3GPS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

17、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:1NeilanRE,MooreA.InternationalGPSserviceProceedingsofthe图4GPS定位标准差统计2000:LifeWithoutSAA.13thInt

18、ernationalTechnologyMeetingoftheSatel2liteDivisionoftheInstituteofNavigationC.Salt446.Lake,UT,200014382ParkinsonBW,SpilkerJrJJ.Globalpositioningsystem:theoryandapplication(Volume )M.Washington:PublishedbytheAmericanInstituteofAeronauticsandAstronautics,Inc,19961109133.3帅平.GPS SINS组合导航系统理论与实现技术研图5GPS

19、定位误差究D.中国航天科工集团第二研究院,2002.4BraaschMS.AsignalmodelforGPSJ.JournaloftheInstituteofNavigation,1990,37(4):363377.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。