IGS精密星历Word文档格式.docx

1、1.1.4综合分析中心 - 1 -1.1.5中心局 - 2 -1.2 IGS 的现状与产品发展 - 2 -1.2.1 IGS 产品概述 - 2 -1.2.2 IGS 服务 - 2 -1.2.3 IGS 精密星历和钟差产品 - 2 -二、 GPS 精密星历文件 - 4 -2.1 SP3 格式精密星历数据文件 - 4 -2.2 clk 格式精密卫星钟差文件 - 9 -三、精密星历内插方法 - 10 -3.1 数学模型 - 11 -3.1.1 拉格朗日插值 - 11 -3.1.2 牛顿插值 - 11 -一、IGS机构概述1.1 国际 GPS 服务（IGS）机构的由来与演变 国际大地测量协会（IAG）

2、为了加强国际间 GPS 地学研究合作应用，于 1993 年成立了国际 GPS 服务（IGS）机构（下称 IGS），于 1994 年 1 月正式运作。成立之初的英文全名为International GPS service for Geodynamics（国际地球动力学服务机构），缩写为 IGS。其目的是为全球科研机构及时提供 GPS 数据和高精度的星历，以支持世界范围内的地球物理学研究。IGS 的组织机构包括：跟踪网站、数据中心、分析中心、综合分析中心、中心局等几部分。1.1.1全球跟踪站网（Tracking stations） 全球跟踪站网由全球 24 小时全天候观测的 GPS 跟踪站站网组成

3、。跟踪站大都装备了精密大地测量型接收机，所有的观测站以连续跟踪方式，并通过专门线路、网络或卫星信道传送数据，以保证每日观测数据快速地自动传送到数据中心。2000 年底 IGS 的 GPS卫星跟踪网中有 248 个跟踪站。其中有 92 个站为“全球级跟踪站”，至少有 3 个数据分析中心对它们的观测资料进行长期连续的分析计算。建立连续观测跟踪站网的目的是计算卫星轨道，确定地球参考框架及地球自转参数等。1.1.2数据中心 数据中心分为三类:全球数据中心（Global Data Cenier）、区域数据中心（Regional Data Center）和地方数据中心（Loea l Data Center

4、）。操作中心与跟踪站直接相连，他们的任务是对数据进行格式转换、压缩数据、备份数据及把数据传输至地区中心。地区中心的目的是负责收集规定区域内的 GPS 观测资料，满足本地区的需求，减少数据传输流量，然后将数据传输至全球数据中心。全球数据中心的主要任务是负责收集全球各 GPS 跟踪站的观测资料以及分析中心所生产的 GPS 产品。1.1.3分析中心 分析中心的任务是接收和处理 GPS 跟踪站的数据，独立的进行计算以生成 GPS 卫星星历、地球自转参数、卫星钟差、跟踪站的站坐标、站坐标的变率以及接收机钟差等 IGS产品。分析中心共七个：CODE：瑞士伯尔尼大学的欧洲定轨中心 NRCAN：加拿大自然资源

5、部的大地资源部GFZ：德国地球科学研究所ESA：欧洲空间工作中心NGS：位于马里兰州的美国国家大地测量局JPL：位于美国加州的喷气推进实验室SIO：位于美国加州的斯克里普斯海洋研究所1.1.4综合分析中心 综合分析中心的任务是对分析中心的产品进行评价和质量分析，根据 7 个分析中心独立给出的结果取加权平均值，求的最终的 IGS 产品。再将这些产品传送给全球资料中心和中心局的信息中心，免费的、公开的供用户使用。1.1.5中心局 中心局主要负责 IGS 日常工作，包括组织会议、制定标准及出版相关出版物等。发布中心则负责发布 IGS 产品及相关出版物等。1.2 IGS 的现状与产品发展 1.2.1

6、IGS 产品概述 在过去的几年里，随着研究的深入及研究领域的扩大，IGS 取得了很大的进展。IGS全球跟踪站也发展到了 300 多个，站的分布也得到了很大的改善，其站的坐标精度也提高到 23cm。所示为全球 IGS 的跟踪站分布图 图 1.1 全球 IGS 跟踪站分布图 1.2.2 IGS 服务 IGS 目前提供的服务有：高精度的 GPS 卫星星历；地球自转参数；IGS 跟踪站在 ITF 下的坐标和速率；卫星和 GPS 跟踪站的时钟信息；电离层数据；对流层数据； 所有 GPS 卫星的高质量轨道（以优于 5cm 的精度）和预测轨道（25cm）；以 RINEX格式提供每个 IGS 跟踪站的日和/或

7、小时相位和伪距观测。1.2.3 IGS 精密星历和钟差产品 目前，IGS 事后精密星历的精度已优于 5cm，精密卫星钟差的精度已经达到 0.1ns。其提供的精密卫星星历和卫星钟差产品包括：超快速产品（Ultra-Rapid）、快速产品（Rapid）和最终产品（Final）3 种，它们在精度、时延、跟新和采样方面是不同的，如表 1.1 所示： 表 1-1 GPS 精密卫星星历和卫星钟差产品质量指标 IGS 提供的另一个重要的信息是 IGS 跟踪站的坐标、相应的参考框架、参考历元和跟踪站坐标变化速度。IGS 跟踪站坐标目前所采用的坐标参考基准属于 ITRF2000 参考框架。IGS 提供超过 13

8、0 个跟踪站的地心坐标及其变化速度，其精度和更新情况，如表 1.2 所示： 表 1-2 GPS 跟踪站的地心坐标、变化速度以及它们的精度二、 GPS 精密星历文件 精密卫星星历和钟差是精密单点定位的基础。目前，能够提供精密卫星星历和钟差的主要有美国地球空间局（NGA-National Geospatial-Intelligence Agency）、亥姆霍兹波茨坦中心 ， 德 国 地 学 中 心 （ GFZ-Helmholtz-Centre Potsdam-German Research Centre for Geosciences）、国际 GPS 服务组织 IGS、美国国家大地测量委员会（NG

9、SNational Geodetic Survey）等。 IGS 精密星历采用 SP3 格式给出 15 min、5min 或 30 s 等时间间隔点上的卫星坐标和卫星钟差改正数据，坐标参考基准属于 ITF 参考框架。2.1 SP3 格式精密星历数据文件 SP3 精密星历数据格式的全称是标准产品第 3 号（Standard Product #3）,它是一种在卫星大地测量中广泛采用的数据格式，由美国国家大地测量委员会（NGS-National Geodetic Survey）提出，专门用于存储 GPS 卫星的精密轨道数据。 SP3 格式的精密星历于 1991 年正式公布，其文件格式是文本格式，在此

10、格式中给出所有可用卫星的位置都是每隔 15min 给出（坐标分量单位为 km） 和钟差（钟差单位为 ns）和卫星钟改正信息有时还给出卫星的速度和钟的变率。在 SP3 中文件第一行中有 P 表示文件中未含有卫星的运行速度，若文件的第一行中含有 V 则表示文件中有卫星的运行速度和钟的变率。如果需要也可以将轨道数据文件从一种格式转换成另外一种格式，除了 GPS 卫星SP3 还可以表示其他卫星的轨道信息。 表 1-3 SP3 文件中第一行格式说明表 1-4 SP3 文件中第二行格式说明表 1-5 SP3 文件中第三行格式说明表 1-6 SP3 文件中第四行格式说明表 1-7 SP3 文件中第五-七行格

11、式说明表 1-8 SP3 文件中第八行格式说明表 1-9 SP3 文件中第九行格式说明表 1-10 SP3 文件中第 10 行格式说明表 1-11 SP3 文件中第 1112 行格式说明表 1-12 SP3 文件中第 23 行格式说明表 1-13 SP3 文件中第 24 行格式说明表 1-14 SP3 文件中第 25 行格式说明2.2 clk 格式精密卫星钟差文件 怎样应用 IGS 所提供的精密卫星钟差参数是精密单点定位基础，由于 IGS 及数据分析中心仅提供 15min 和 5min 和 30s 间隔的精密卫星钟差参数，而在实际定位中，GPS 接收机的采样率一般为 30s、15s，甚至更密。

12、因此，必须采取一定的措施对精密卫星钟差进行内插。下表列出了 5 分钟间隔的精密卫星钟差数据文件块说明：表 1-15 5min 钟差的格式说明三、精密星历内插方法 精密单点定位是利用全球 IGS 及其他的数据中心计算出精密卫星轨道参数和卫星钟差，再利用所求得的卫星轨道参数和卫星钟差，对单台接收机采集的非差相位数据进行定位解算，得到高精度的待测点在 ITRF 框架下的坐标。由此可知，确定卫星轨道参数和卫星钟差是精密单点定位的首要任务。当卫星钟差达到 lns 时，同时由误差所引起的距离误差可以达到 300km，所以我们怎样能获得精确的卫星钟差值在 GPS 精密单点定位中是很重要的。目前 IGS 及其

13、他数据分析中心所提供的精密星历为 15min 或者 5min，而精密卫星钟差为 15min、5min，有的提供 30s 间隔的钟差。而在实际定位中，接收机一般采用 30s、15s甚至 1s 以内的采样率进行定位，因此我们需要采用合理的数学模型计算所需历元的坐标和钟差。 目前，国内外较常用的方法是插值或者拟合来获得高精度的卫星坐标，其中最常用的方法为拉格朗日插值、Neville 插值、牛顿插值、切比雪夫拟合等，对于而对于卫星钟差，可以通过参数估计的方法或内插或拟合得到。3.1 数学模型 3.1.1 拉格朗日插值设有 n+1 个插值时间节点t0,t1，.,tn对应的精密星历坐标分量为y0，y1,.

14、,yn, 利用公式可以对 X、Y、Z 三个方向上分别插值计算出坐标。该数学模型简单，计算效率高，是经典的插值方法，而其缺点是在增加或者删除一个插值节点我们必须需要重新构造多项式，并且当阶数过高时有可能会出现“龙格”现象，因而影响插值精度。3.1.2 牛顿插值 为了解决上述拉格朗日插值的增加或者删除一个插值节点要重新构造多项式的缺点，我们引入牛顿插值。设有 n 个插值时间节点t0,t1，.,tn,对应的精密星历坐标分量为：f（t1）,f（t2），.,f（tn）,那么在任意时刻t的精密星历的坐标可以表示为：牛顿法通过构造差商表，解决了动态添加节点的问题。高阶差商是对第一阶差商的再次差商，定义：实际计算中我们可以把各阶差商保存为一个差商表，当增加节点时只需要在差商表的最下面增加一行就可以了。计算插值点的结果时只要把差商表中对角线上的元素带入牛顿多项式就可以了。