GPS广播星历误差及其对导航定位精度的影响Word下载.docx
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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。
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- GPS 广播 星历 误差 及其 导航 定位 精度 影响