楊 霞，李建成

（武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢 430079）

一、引 言

隨著GPS技術(shù)的開發(fā)和利用，星載GPS已成為當(dāng)今低軌衛(wèi)星發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)，CHAMP、GRACE等低軌衛(wèi)星上都搭載了GPS接收機(jī)。Yunck等科學(xué)家提出了一種基于GPS觀測(cè)值的非動(dòng)力（non-dynamic）軌道確定方法，又稱幾何法定軌［1］。隨著精密GPS衛(wèi)星軌道及精密衛(wèi)星鐘改正參數(shù)解算精度的提高，利用精密星歷（IGS）所提供的事后精密衛(wèi)星軌道、精密衛(wèi)星鐘改正信息和星載GPS雙頻觀測(cè)值對(duì)低軌衛(wèi)星進(jìn)行定軌已逐漸成為研究的熱點(diǎn)問題之一。對(duì)星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)及星歷的正確分析是低軌衛(wèi)星軌道確定的一個(gè)必要條件。本文分析了CHAMP、GRACE衛(wèi)星星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，計(jì)算了可視GPS衛(wèi)星數(shù)目，并分析了精密星歷（IGS）、快速星歷（IGR）、超快速星歷（IGU）的特點(diǎn)及其切比雪夫擬合結(jié)果。

二、星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

GPS觀測(cè)值包括地面觀測(cè)值和星載觀測(cè)值，RINEX（receiver independent exchange）是目前國際通用的GPS數(shù)據(jù)交換格式，CHAMP、GRACE兩種低軌衛(wèi)星用于事后處理的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件分別采用2.10、2.20版本的RINEX格式。地面和星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示。

圖1 地面GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)示例

圖2 GRACE星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)示例

1.星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

結(jié)合產(chǎn)品用戶手冊(cè)［2-4］，將星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)與常規(guī)地面雙頻P碼數(shù)據(jù)對(duì)比，可以得出星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)具有以下特點(diǎn):

1）GRACE星載GPS觀測(cè)文件命名方式為:PRDID_YYYY-MM-DD_S_RL.EXT，依次對(duì)應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)項(xiàng)、年、月、日、GRACE衛(wèi)星標(biāo)識(shí)符、數(shù)據(jù)產(chǎn)品版本號(hào)、文件擴(kuò)展名。如 GA-OG-1B-GPSDAT+JPLGPS1B_2010-09-01_A_01.dat，表示 2010年 9月 1日GRACE A的01版本、二進(jìn)制格式的星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。而地面GPS觀測(cè)文件命名方式為:ssssdddn.yyt，依次對(duì)應(yīng)4位測(cè)站名、觀測(cè)時(shí)間的3位年積日、測(cè)站觀測(cè)當(dāng)天測(cè)段序列號(hào)、2位表示的年及文件種類。如dlft0010.08d，表示dlft站2008年第001個(gè)年積日的壓縮RINEX格式，測(cè)段號(hào)為1。JPL給出的GRACE Level1B星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)（*.dat）是二進(jìn)制格式的，需利用GPS1X2RNX軟件轉(zhuǎn)換為RINEX格式（*.rnx）；常規(guī)地面GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)給出的是壓縮RINEX格式（*.YYd），需利用CRX2RNX軟件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)RINEX格式（*.YYo）；GFZ給出的CHAMP星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)是RINEX格式，無需進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如CH-OG-1-SST+2010_244_00_R.9.rnx。

2）目前，CHAMP、GRACE衛(wèi)星只搭載了 GPS接收機(jī)，因而只有GPS觀測(cè)值；而地面站除GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)外，還有GLONASS數(shù)據(jù)，如圖1所示。其中，GPS衛(wèi)星用G表示，GLONASS衛(wèi)星用R表示，若還包含Galileo衛(wèi)星，則用E表示。

3）星載GPS觀測(cè)值與常規(guī)地面GPS觀測(cè)值一樣具有（L1 L2 C1 P1 P2 S1 S2）7個(gè)觀測(cè)值類型，但這里L(fēng)1指的是CA通道上的載波相位觀測(cè)值。此外，還多了（LP1 SA）兩個(gè)觀測(cè)值類型，LP1指L1上的相位觀測(cè)值，SA指CA通道的信噪比（signal to noise ratio，SNR）。對(duì)于常規(guī)地面觀測(cè)值，原始信號(hào)強(qiáng)度sn_raw的單位是dBHz，RINEX信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)識(shí)sn_rnx為0～9，它們的轉(zhuǎn)換關(guān)系是sn_rnx=min（max（int（sn_raw/6），1），9）。對(duì)于星載GPS觀測(cè)值，原始信號(hào)強(qiáng)度的單位是V/V（Volts/Volts），RINEX信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)識(shí)sn_rnx為0～9，二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

4）CHAMP星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)中沒有失鎖標(biāo)識(shí)符（loss of lock indicator，LLI）和反欺騙（antispoofing，AS）標(biāo)識(shí)，也沒有信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)識(shí)。GRACE星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)有LLI標(biāo)識(shí)和信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)識(shí)。

5）CHAMP星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)和GRACE Level 1 B星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣率為10 s，常規(guī)地面GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)則有30 s采樣率、10 s采樣率及1 s采樣率。

2.星載GPS衛(wèi)星可視性分析

地面上利用GPS定位必須至少觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星［5］，低軌衛(wèi)星上利用GPS定軌也必須滿足這一條件。文中選取10 s采樣率的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了一天時(shí)間內(nèi)的衛(wèi)星可視性狀況。

圖3是2010年9月1日全天可視衛(wèi)星數(shù)目變化，歷元間隔10 s。

圖3 24 h星載GPS可視衛(wèi)星數(shù)目變化

由圖3可以看出，星載GPS可視衛(wèi)星數(shù)目范圍集中在4到10顆，且大多數(shù)時(shí)間可以保證至少6顆衛(wèi)星可視，這完全可以滿足GPS定位的需要。筆者也對(duì)其他日期的數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果類似。由圖3還可以看出，GRACE A觀測(cè)的GPS衛(wèi)星數(shù)目最多，GRACE B次之，CHAMP最少。此外，GRACE B出現(xiàn)了可視GPS衛(wèi)星只有一顆的歷元，這一時(shí)刻可以采用軌道擬合或自主定軌的方式進(jìn)行彌補(bǔ)。

三、星載GPS精密星歷分析

目前IGS中心（ftp:∥igs.ensg.ign.fr）向全球用戶提供3種星歷類型:精密星歷（IGS）、快速星歷（IGR）、超快速星歷（IGU），其相關(guān)信息見表 1［6］。幾何法定軌依賴于高精度的GPS衛(wèi)星軌道和鐘差，有了這兩個(gè)參數(shù)，這一方法將變得非常簡(jiǎn)單、可靠。IGS超快速產(chǎn)品的開發(fā)和精度進(jìn)一步提高，可用于低軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)定軌，極大地滿足了諸如衛(wèi)星導(dǎo)航和近實(shí)時(shí)大氣監(jiān)測(cè)等任務(wù)的需要［7-8］。

表1 IGS提供的GPS衛(wèi)星星歷和鐘差產(chǎn)品（2009年更新）

IGS精密星歷用SP3格式給出了15 min等間隔點(diǎn)上的衛(wèi)星位置和衛(wèi)星鐘差，衛(wèi)星軌道屬于ITRF參考框架。軌道精度由高到低依次為IGS星歷、IGR星歷、IGU星歷；實(shí)時(shí)性則恰好相反［9］。而星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的采樣間隔為10 s，因而要通過插值的方式將精密星歷進(jìn)行處理。研究表明，采用10階切比雪夫擬合的方法可以獲取精度較高的IGS精密星歷［10］。文中采用10階切比雪夫擬合的方法對(duì)2010年9月1日全天的IGR、IGU星歷進(jìn)行了擬合，并與IGS最終星歷進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4～圖7所示，其中歷元間隔15 min。

圖4 IGR精密星歷擬合結(jié)果

圖5 IGU預(yù)報(bào)星歷擬合結(jié)果

圖6 IGU精密星歷擬合結(jié)果

圖7 重組的IGU精密星歷擬合結(jié)果

由圖4可以看出，10階切比雪夫擬合后的IGR星歷 x、y、z 3個(gè)方向與 IGS最終星歷的殘差在2.5 cm以內(nèi)，且大部分時(shí)間擬合殘差小于1.5 cm，全天的擬合殘差隨機(jī)震蕩，x、y、z 3個(gè)方向精度沒有明顯差異。

IGU星歷每天發(fā)布4次，間隔6 h，每個(gè)星歷文件軌道弧長(zhǎng)48 h，前24 h是基于跟蹤站的觀測(cè)值計(jì)算得到的精密星歷，而后24 h星歷則是外推預(yù)報(bào)得到的預(yù)推星歷，預(yù)報(bào)星歷帶有標(biāo)識(shí)符“P”，如圖8所示。同一時(shí)段可以利用的IGU星歷不是唯一的，因而應(yīng)用起來更靈活，可以根據(jù)需要在實(shí)時(shí)性與精度之間選擇。

圖8 超快速星歷

首先利用2010年9月1日前一天發(fā)布的最早預(yù)報(bào)星歷進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。IGU預(yù)報(bào)星歷擬合殘差在50 cm以內(nèi)，這超過了廣播星歷的100 cm［6］的精度，可以利用其對(duì)基線進(jìn)行解算，初步獲得點(diǎn)坐標(biāo)。此外，擬合預(yù)報(bào)星歷在前6 h精度較高，但隨著時(shí)間的推移誤差呈增大趨勢(shì)，特別是最后6 h急劇增大，這也體現(xiàn)了預(yù)報(bào)星歷時(shí)刻越遠(yuǎn)精度越差的特性。

再利用2010年9月1日03:00:00發(fā)布的IGU星歷中前24 h的精密星歷進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖6所示。IGU精密星歷擬合殘差在6 cm以內(nèi)，前6 h擬合精度最高，不超過1 cm，隨著時(shí)間的推移擬合殘差呈增大趨勢(shì)，這也與星歷本身的精度變化一致。

然后利用2010年9月1日發(fā)布的4個(gè)IGU星歷文件中的前6 h進(jìn)行組合，得到2010年9月1日全天的精密星歷，對(duì)其進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示。組合IGU精密星歷擬合殘差在1.5 cm以內(nèi)，且大多數(shù)時(shí)間不超過1 cm。此外，在文件組合歷元?dú)埐畎l(fā)生跳變，說明利用一天發(fā)布的這4個(gè)IGU星歷對(duì)精度不斷進(jìn)行修正，從而避免了圖6中出現(xiàn)的殘差增大趨勢(shì)。

圖5～圖7的切比雪夫擬合結(jié)果顯示，IGU星歷x、y、z 3個(gè)方向與IGS最終星歷的殘差均在厘米級(jí)，且與星歷本身精度變化相符，這也從另一個(gè)方面說明了擬合方法的有效性。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)對(duì)星歷精度要求不是特別嚴(yán)格，希望獲得實(shí)時(shí)結(jié)果，或者暫時(shí)不能獲得IGS最終星歷時(shí)，可以利用IGU星歷代替最終星歷，以滿足低軌衛(wèi)星定軌的需要。

四、結(jié)束語

星載GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)及GPS星歷質(zhì)量直接決定了利用星載GPS進(jìn)行定軌的精度。本文研究表明，星載GPS實(shí)際可視衛(wèi)星數(shù)目大部分時(shí)間超過4顆，能夠滿足定位需要；IGS中心發(fā)布的IGR、IGU星歷經(jīng)過10階切比雪夫擬合后精度保持在厘米級(jí)；最終星歷精度最高，但時(shí)延較長(zhǎng)，而超快速星歷可實(shí)時(shí)獲得，且擬合后精度可以滿足低軌衛(wèi)星實(shí)時(shí)軌道確定的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體需要選擇IGS、IGR或者IGU星歷。本文只是針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷本身進(jìn)行分析，沒有具體應(yīng)用到定位定軌中，如何更好地應(yīng)用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行低軌衛(wèi)星定軌是下一步需要研究的重點(diǎn)。

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