GPS精密定轨产品的载波相位单点定位

GPS精密定轨产品的载波相位单点定位P. Hroux, J. Kouba, P. Collins and F. Lahaye Natural Resources Canada 加拿大自然资源大地测量部Geodetic Survey Division615, Booth Street, Room 458A Ottawa, Ontario K1A 0E9加拿大安大略省渥太华市布思街615号，458A室履历皮埃尔，弗朗索瓦拉艾和保罗柯林斯是加拿大自然资源加拿大测绘大地测量部主动控制系统科的研究人员，扬库巴已从该部门退休。摘要精确的卫星轨道和来自国际GPS服务的时钟(IGS)成为具有更高的精度和时效性。由于SA政策被永久取消，这些产品可以满足最苛刻的GPS用户在高速率的数据观察。利用双频伪距和载波相位观测值，独立的GPS用户现在可以完成在后期处理和全球范围内的厘米到分米级的静态和动态定位。当GPS用户需要非常精确的卫星钟进行轨道估算，这一精度水平用来计算影响他们的观测数据的系统误差是可能的。这种方法被称为精密单点定位（PPP）。因为它不涉及观测差分异差分，PPP不同于较传统的差分定位技术，需要从一个或多个已知坐标的地面参考站观察。加拿大自然资源(NRCan)大地测量部(GSD)已经支持PPP在后处理模式，目前正在加强它的实时GPS改正的轨道和时钟产品（GPS）服务，包括IGS的超快速轨道预测和从一个广域网处理载波相位数据。本文介绍了GPS非差观测与IGS精密轨道和时钟产品的PPP处理，总结了调整平差平差过程，并指定了必须实现的模型。从静态和动态模型的后处理定位结果表明，在经度，纬度和高度上可实现从1-10厘米的RMS精度。对流层天顶延迟可修复大约1厘米的RMS精度，站时钟改正可恢复0.1-0.2纳秒的RMS精度。利用GPS* C实时轨道和时钟产品，10和30厘米之间的RMS精度可以达到。1.引言加拿大大地测量部自1992年以来（Hroux，1993）已使用PPP处理非差与固定精确的卫星轨道和时钟平滑伪距。由于米级的定位要求的应用，这种方法已经满足了用户的数量。在从选定的IGS站在15分钟间隔30秒跟踪数据得到的精密IGS卫星时钟与稳定原子时钟相结合，30秒精确卫星时钟也产生了(Hroux and Kouba, 1995)。这些产品满足GPS用户在高数据速率高频高频米级精度要求的应用模式中进行静态或动态观测。由于GPS用户寻求实现大地测量精度，如GIPSY , BERNESE和GAMIT的精细处理软件是必需的。利用IGS精密轨道产品，结合GPS载波相位与基准站的观测数据，大地测量用户实现精确定位，同时纳入到国际地球参考框架（ITRF）。只要观测站和轨道数据按标准格式输入，接收器制造商提供的软件也可使用。在数年内，使用非差载波相位观测的精密单点定位算法也可以用吉卜赛GIPSYGIPSYGPS分析软件实现（Zumberge等，1997）。最近，他们已被添加到传统的双差分伯尔尼BERNESE软件。用户现在可以选择从单站的数据处理，获得由IGS轨道产品提供参照系内厘米精度的位置。加拿大自然资源部PPP软件也发生了变化，从它的原始版本（Hroux等，1993）到提供日益精密的精度。PPP降低从参考（基）站或网络站同步跟踪数据的需求。它已经上升至集中的大地测量定位服务，提交用户需要的简单的请求和有效的GPS观测文件（Zumberge，1999年）。这里介绍的方法是提供便携式的软件，可用于在个人电脑上，并利用通过IGS轨道产品提供的高度精确的全球参考框架，有效地分配处理PPP的实现。2. 国际GPS服务（IGS）的轨道产品IGS的精密定轨的产品有三种来源：最终，快速和超快速。其不同主要是由他们不同的精度和他们的计算中使用的跟踪网络的程度延迟。IGS最终轨道由7家特约IGS的分析中心（ACS）相结合，通常是最后观察后的第十七天为有效的。快速轨道产品的时延为十七小时。延迟是由于轨道计算时间和提供24小时的跟踪数据文件的全球IGS跟踪网络的延迟。最近，数据中心已要求转发每小时的跟踪数据，以加快产品交付。这个新提交计划需要创造一个超快速的产品，只有几个小时的延迟，以满足气象界和未来的低地球轨道（LEO）的任务更为苛刻的需求。据预计，IGS的产品将继续在未来更及时交付(Neilan et al., 1997, Kouba et al., 1998)。IGS的最终产品是最准确的GPS轨道。在过去的8年（图1），目前交流的一些质量有所改善的IGS最终轨道实现了从大约30厘米达到3-5厘米的精度水平（库巴，1998年）。这也很有趣地注意到，快速轨道相结合的产品是更少跟踪站和更快的交货时间（17小时）的最终解决方案这一事实证实了，提高全球GPS跟踪站的数量并不一定转化为更高的轨道精度。最后，超快速的产品，每天3小时的延迟交付两次，毫不逊色于快速产品的估计部分，包含预测的24小时实时使用时段。IGS轨道产品的GPS卫星时钟的质量估计是一个尚未受到重视的元素。检查由IGS分析中心协调员制作的IGS最终汇总报告，我们注意到不同的分析中心同意在0.1-0.2纳秒的RMS精度，或3-6厘米，这是与卫星时钟相一致的精度水平。结合精确的GPS轨道，并根据各自的不确定性加权时钟，是PPP所必需的，给予了用户适当的测量和观察模型的正确实施。图1 IGS的快速和交流最终轨道解决方案方面的IGS最终轨道产品的加权轨道有效值3. 非差码/载波处理3.1. 非差码/载波观测方程无电离层组合双频GPS伪距（P）和载波相位观测值（）根据用户的位置，时钟，对流层和模糊参数简化观测方程：其中：是L1和L2伪距无电离层组合(2.54P1-1.54P2),是L1和L2载波相位的无电离层组合(2.541-1.542)，是卫星（XS，YS，ZS）和站（X，Y，Z）之间的几何距离，C是真空中光速，dt是从GPS时间补偿的站时钟，dT是从GPS时间补偿的卫星时钟，M是对流层从倾斜到天顶映射函数，ztd是由于中性大气信号对流层天顶总延迟，是载体或者组合载体，波长，N为载波相位的无电离层组合的模糊性，P，相关测量噪声成分，包括多路径。几何量是一个卫星坐标（XS，YS，ZS）和站坐标（X，Y，Z）坐标的函数：3.2. 精密单点定位调整模型给定GPS卫星的轨道和时钟的精度，方程（1）和（2）简化为：线性观测方程（3）和（4）、已知参数和观察值（X0，）成为矩阵形式：，其中A是设计矩阵，未知参数X的改正数， W = f（X0，）是闭合差，V是残差。观测方程的偏导数与向量未知参数X含有站的位置（X，Y，Z），时钟（dt），对流层天顶总延迟（Ztd）和载波相位实值含糊（N），形成了设计矩阵A.带有先验加权约束参数（Px）的最小二乘解决方案来自：因此估算参数为： ，3.3.精密单点定位的调整过程成熟的调整过程，实际上是一个连续的过滤，以适应不同的用户。实施时并使用适当的随机过程，更新观测时期与使用时的参数状态的变化。使用下标i表示一个特定的时间的时期，我们看到，时期之间没有观测值，在i时期的初始参数大约为i-1时期的参数：。协方差信息从i-1传播到i，时间间隔为t，包括噪声处理的协方差矩阵更新为：噪声处理可通过用户使用、接受时钟的状况和大气活动来调整。在所有情况下，噪声处理分配给模糊参数，因为载波相位模糊参数随时间保持不变。在静态模式下，用户的位置也保持不变，因此C（x）t=C（y）t=C（z）t= 0。在动泰模式，它增加了用户动态功能。频率稳定度的根据的接收时钟噪声可以改变的，但通常被设置为含大量C（dt）t值的白噪声，以适应不可预知的时钟复位发生。5毫米/小时随机游走过程噪声通常被分配到天顶路径延迟C（Ztd）t。4. 非差处理校正模型当试图结合卫星轨道和时钟精确到含电离层无载波相位观测值（毫米分辨率）的几厘米时，考虑到差分相位一些微小的相位处理的影响是很重要的。对载波相位点位有重要意义的卫星姿态和位置校正模型在下面进行总结，并详细解释 (Kouba, et al.,2000)。下面列出的一些更正的要求月球或太阳的位置，可以从现成的行星历文件获得，或者从简易公式中获得，因为相对精度约为1/1000对于更正的毫米级精度已经足够。下面讨论修正条款，厘米级的差分定位和小于100公里的基线，可以安全地忽略。4.1.卫星姿态的影响4.1.1.卫星天线偏移基于基点改正的卫星需要发源于GPS卫星质量中心和卫星天线相位中心的分离。因为力模型用于卫星轨道模型，即指其质量中心，IGS的GPS精密卫星坐标和时钟产品也指大规模的卫星中心，不像GPS导航电文中播出的轨道是指卫星天线相位中心。测量天线相位中心时，必须使用已知或传统卫星相位中心偏移和监视太空中的卫星绕地球方向偏移向量。大多数卫星的相位中心偏移，无论是在Z坐标方向（朝向地球），并在在包括太阳的水平X坐标方向都被抵消（见图2）。图2.卫星的IGS的常规天线相位中心固定参照系（米）4.1.2.相位缠绕 GPS卫星发射的无线电波右圆偏振光（RCP）是波动的，因此，观测到的载波相位取决于相互的卫星接收天线方向。无论是接收器或围绕孔轴的卫星天线的旋转会改变载波相位的一个周期（一个波长），这相当于一个完整的天线旋转。这种现象被称为“相位缠绕”(Wu et al.,1993) 。一个接收天线，除非移动，不会旋转，它是面向一个参考方向（通常为北方向）。然而，由于太阳帆板面向太阳和卫星站的几何形状的变化，卫星天线进行缓慢的旋转。在大多数精密定位软件中，相位缠绕改正普遍的被忽略，因为在基线/网络上跨越几百公里的双差定位时它是微不足道的，尽管它已被证明，它可以达到4厘米每4000公里的基线 (Wu et al., 1993)。在固定IGS的卫星钟非差单点定位时，因为它可以达到波长的一半，这种影响是相当显著的。忽视它，固定IGS的轨道/钟表将导致在分米级的位置和时钟误差。由于接收天线旋转（例如，在动态定位/导航），相位缠绕应完全被纳入到站时钟解决方案。4.1.3.中午和午夜轮流 除了逐渐的相位缠绕，卫星也在不同季节快速旋转，成为“中午”和“午夜”轮流，用以调整太阳帆板面向太阳。在不到半小时内，这可以代表一转的天线旋转了。在这样的中午和午夜轮流，相位数据需要改正(Bar-Sever, 1992)或编辑。4.2.测站位移的影响在全球性的意义上，一个站点的真实或表面的周期性变动到达不包括在ITRF框架上相应的几分米。因此，如果一个获得与目前ITRF框架公约一致的精确的站坐标的解决方案，这些站点的移动必须以加入测站位移改正的ITRF框架坐标惯例为蓝本。并且在下文中如大气和积雪等小于1厘米级的影响没有被考虑。4.2.1.固体潮汐 固体地球实际上在受到与海洋潮汐相同的重力时是相当柔软的，由潮汐引起的定期的水平和垂直站位移用球谐程度和以勒夫数hnm和志田数lnm为特征的秩序（n，m）表示。这些数字的有效值依赖于站纬度和潮汐频率（Wahr，1981），在确定站位置需要1毫米的精度时，是需要考虑在内的（如国际地球自转服务公约组织（IERS，1996）。当需要5毫米的精度，只有辅以高度校正项第二级潮汐是必要的。潮汐改正，可以达到约径向30厘米，在水平方向上5厘米。它由一个依赖永久位移的纬度和半昼夜和昼夜周期变化幅度为主的周期性部分组成。周期部分主要是在24小时内静态定位的平均值。然而，保持不变的一部分，它仍然在这样一个24小时的中纬度（沿径向方向）的平均位置可以达到12厘米。不管平均多长时间，在忽略了单点定位的潮汐改正时，会导致定位的系统误差在径向和北部方向分别高达12.5和5厘米的。请注意，差分基线定位（ 1000公里）。否则，海洋负荷影响将映射到对流层的Ztd/时钟解决方案（Dragert，2000），特别在沿海站可能更显著。根据国际地球自转服务公约组织（IERS，1996年）的修正条款，海洋负荷的影响可以在每一个主要的方向进行建模。4.2.4.地球自转参数IGS轨道产品意味着ERP的基础。因此，IGS用户修复或严重制约IGS轨道和在ITRF框架下日常工作，无需对ERP的关注。固定的IGS轨道下，即同样受周日和半周日海潮来源支配的所谓ERP模型，在陆地框架内的点定位处理，任然需要到达厘米级以下定位精度。来自国际地球自转服务公约的地球自转参数，即IERSIGS地球自转参数系列和ITRF框架位置，不包括精度在地球表面可达到3厘米的地球自转参数的变化。然而，IGS轨道意味着完整的ERP系统，即传统的ERP加上每天的ERP模式。为了保持一致，特别是时间间隔远小于24小时的精密静态定位，每日的效果是需要考虑的。请注意，就像海潮负荷，每日地球自转参数超过24小时期间几乎平均为零。4.2.5.其他注意事项 已知的天线相位中心变化即传入GPS信号的方位角和仰角的函数的天线的选择是必要的，必须申请的。根据接收卫星信号的方位角和仰角的函数有所不同GPS天线相位中心的位置的变化可高达2厘米。海拔高度依赖相对天线相位中心，其采用的标准已由IGS编制并包括现场校准值的最精确的应用程序使用的天线模型。它也被观察和发现，天线保护罩的添加也显著地影响了相位中心的变化。最后，如果站时钟解决方案是必需的，需要使用一套具体的与IGS时钟产品一致的伪距观测，否则对时钟解决方案有着明显影响。 这是依赖可达2纳秒（60厘米） L1 C/A (PC/A) 和P (P1) 码伪距差异的卫星的结果。5. 精密单点定位后处理结果 5.1.静态精密单点定位处理 自2001年1月1日起，使用IGS快速轨道/时钟产品的精密单点定位每天处理来自在加拿大约20个GPS连续运行跟踪站的24小时的信息。观察数据每15分钟进行处理，即精确的轨道/钟表在最终（IGS）和快速（IGR）精密星历（SP3）文件的时间。每日ITRF框架坐标下的经度、纬度和高度的差异是每天精密单点定位的精度评估标准。表1和图3显示了GPS周1111（4.22-28,2001），每周平均站坐标差异（，H）和超过7天的标准偏差（，H）。这些结果表明，使用24小时数据集合IGS或IGR轨道的静态精密单点定位在ITRF框架标准下水平分量达到亚厘米级和垂直1-2厘米。标准偏差表明对于大多数站的所有部分的子厘米级是每日重复的。 表1.GPS周1111 静态PPP平均坐标的差异和标准偏差图3.静态PPP每日重复性，周1111 5.2.站天顶的对流层延迟精密单点定位可解决站天顶对流层延迟（ZTD）。使用每隔15分钟的精确轨道和时钟，得到在GPS周1111加拿大网站ZTD估算数据。为评估它们的质量，选择结合ZTD预算的IGS站点用来相互比较。自1997年结合每个2小时的ZDT预算的IGS的生产分布在全球各地100多个站点。站天顶对流层延迟是IGS分析中心主要处理解决GPS卫星轨道、侧站坐标和全球性地球物理参数的副产品。因此，必需的IGS天顶对流层延迟预算的全球站点数量是有限的，因为IGS分析中心一般仅处理30到100个全球性站点。IGS分析中心的估算和合并的平均值的ZDT一致性是在4毫米的水平（Gendt，1998）。根据在并列站点的水汽辐射（WVR）的测量 ，GPS衍生的可降水量（PWV）的绝对精度显示为1毫米的水平（换算为7毫米ZTD），与无线电高空测候器显示类似的精度水平（Seglenieks，2001）。图4显示了在GPS周1111（一年112-118天）在每隔2小时的IGS和精密单点定位ZTD时间序列。在表2中总结，该一致性是显而易见的，含有5毫米的最大周平均差异和子厘米的标准偏差。图4.IGS和精密单点定位ZDT估算，周1111，监测站 ALGO, DRAO, YELL, STJO 表2.结合PPP-IGS的ZDT平均差异和标准偏差，GPS周11115.3.站时钟精密单点定位也解决了GPS接收机的时钟，包括它的内部和外部。由于缺乏绝对的质量指标作标准，评估PPP时钟的质量是困难的。这样做是考虑从PPP接收机估算的线性回归残差，并假设每百米超过24小时有一个稳定和不变的频率偏移（线性时钟偏移）。周的天内的每分钟时钟接收机的线性回归残差在图中显示。时钟残差的均方根是在0.0-0.2纳秒级（3-6厘米），这是兼容的GPS卫星时钟的IGS快速和最终轨道产品质量。在站和天的纳米级偏差是由接收器跟踪问题的不利几何条件所引起的。 图5PPP接收器时钟残差，周1111，监测站ALGO, DRAO, NRC1,YELL5.4.动态单点定位 精密单点定位也可用于在动态模式下，根据不同用户动态收集处理的GPS数据。加入站坐标参数的噪声处理，静态定位模式很容易改编为单一接收器的动态应用。在后期处理中，反替换法（平滑）给出了最理想的效果。动态精密单点定位的数据来自于GPS周1111在监测站ALGO，DRAO，STJO和YELL的静态模式。虽然在静态模式下的GPS采集的数据并不完全反映所有的GPS接收机可能会遇到真正的动态条件下的条件，但位置估计的质量是一致的，给予了相应的数据质量和连续性和足够的GPS卫星几何参数。在表3中给出了可在动态精密单点定位实现的定位精度。在这4个站中，我们看到，GPS周1111中除了耶洛奈夫的所有站点都实现了分别为5和10厘米的水平和垂直精度。图6和图7更详细的显示了含有相关精密估算的超过7天的周期内15分钟的站位置因为它估算载波相位模糊。当一个站点，如YELL站，发生频繁的数据中断或相位不连续，定位质量会降低。表3.动态PPP平均坐标差异和标准偏差，GPS周1111图6.动态精密单点定位，周1111，DRAO站图7. 动态精密单点定位，周1111，YELL站 6. 广域实时载波相位处理 在实现PPP后处理中，大地测量部目前正在加强其实时广域差分GPS（WADGPS）载波相位处理。这种发展的目的是在提高GPS卫星时钟改正的质量，以使实时载波相位精密单点定位更加容易。这种发展的另一作用是对于无论是广域参考站还是任何用户可能的位置的站时钟和对流层天顶延迟的精确估算。初步结果表明，对流层天顶延迟可以得到约1厘米的RMS精度，站时钟改正，可以恢复0.1-0.2纳秒，和卫星时钟改正，可以恢复约1纳秒RMS精度。 定位试验与双频数据产生经度，纬度和高度在10至30厘米的RMS精度（Collins，2001）。 7. 总结本文对使用IGS轨道时钟产品的GPS精密单点定位的观测方程、估算技巧和校正模型进行了描述。从测站双频伪距的处理和固定在加拿大20个站点的GPS接收机处理的载波相位观测值的结果反映了厘米级的定位精度和亚厘米级的日重复性。此外，站对流层天顶路径延迟获得了厘米级精度，GPS接收机时钟估算精确到100PS。动态精密单点定位也应用于固定的GPS接收机的数据集，并显示了取决于数据质量、连续性和GPS卫星几何参数的厘米到分米级的单历元定位精度。精密单点定位对载波相位观测和解决模糊性的能力的依赖使它有数据中断的弱点，这是差分载波相位处理技术的用户所经历的相似的环境。虽然在此提供每隔15分钟的IGS轨道/时钟，但值得注意的是现在结合卫星时钟提供5分钟IGS产品。自从2000年5月SA政策取消，这些时钟可内插至厘米到分米级精度和用于处理GPS数据间隔采样，并在没有参考或基站数据的情况下实现厘米到分米级的静态和动态定位精度。IGS的快速和最终轨道产品获得了类似的结果，这意味着这些精度是目前数据收集的24小时内可提供的。现在的挑战是使GPS精密单点定位实时化，GSD目前正致力于广域载波相位处理策略，将提供厘米级的实时GPS轨道和时钟。8. 鸣谢 感谢大地测量部的操作和维护加拿大主动控制系统的GPS站点的工作人员和许多对国际GPS服务做出贡献的个人和组织。IGS数据和产品是前所未有的成果，也是继续为科学和GPS定位群体提供宝贵服务的努力方向。9. 参考文献Bar-Sever, Y. 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