曹炳強(qiáng),許長輝,成英燕,余新平,逄曉東,李宇博

(1.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100830;2.山東科技大學(xué),山東 青島 266000; 3.青島市勘察測繪研究院,山東 青島 266000)

?

基于GAMIT/GLOBK的衛(wèi)星定軌研究

曹炳強(qiáng)1,許長輝1,成英燕1,余新平2,逄曉東3,李宇博3

(1.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100830;2.山東科技大學(xué),山東 青島 266000; 3.青島市勘察測繪研究院,山東 青島 266000)

本文介紹了GAMIT/GLOBK軟件在衛(wèi)星定軌中的應(yīng)用,詳細(xì)介紹了GAMIT/GLOBK定軌的參數(shù)設(shè)置以及步驟,然后分別以廣播星歷作為初始軌道信息進(jìn)行了全球和區(qū)域的定軌,最后將全球解和區(qū)域解進(jìn)行了疊加定軌。并分別對其定軌精度進(jìn)行了進(jìn)一步的統(tǒng)計分析。

IGS;全球解;區(qū)域解;疊加定軌;精度

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)導(dǎo)航星座的定軌結(jié)果能夠影響到導(dǎo)航衛(wèi)星的定位應(yīng)用精度。我國目前正在進(jìn)行新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的組網(wǎng)工作,借鑒國際GNSS服務(wù)(IGS)的經(jīng)驗,建立自己的分析中心,利用全球觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道的精化,提供高精度領(lǐng)域的應(yīng)用[1-3]。目前國際上比較出名的數(shù)據(jù)處理軟件,如GAMIT/GLOBK,BERNESE和PANDA都可以用來進(jìn)行定軌,國內(nèi)外的學(xué)者基于這幾種軟件也進(jìn)行了大量研究,并得出了許多有益結(jié)論,但是對于全球網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)疊加定軌的研究很少,尤其在進(jìn)行疊加定軌時,對全球解的IGS站的選擇及數(shù)量的多少研究很少[4-5]。

目前全球共有300多個IGS站,這些臺站在各個地區(qū)的數(shù)量及分布密度是不一樣的,如何合理有效地選擇出穩(wěn)定分布均勻的臺站來進(jìn)行衛(wèi)星的定軌顯得尤為重要[6]。本文,首先簡單介紹了進(jìn)行GAMIT/GLOBK定軌的方法流程以及如何快速有效的選出精度高的IGS站,然后分別進(jìn)行了全球解和區(qū)域解定軌,最后將全球解與區(qū)域解進(jìn)行了聯(lián)合定軌,并分別對其定軌精度進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 定軌原理

衛(wèi)星定軌的基本原理為:首先利用給定的衛(wèi)星軌道初值以及力學(xué)模型的近似值,利用合適的積分方法求得衛(wèi)星運動方程、衛(wèi)星的位置、速度向量、以及對衛(wèi)星軌道初值和力模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。然后通過建立線性觀測方程精確的衛(wèi)星軌道初值、力模型參數(shù)和其它待估參數(shù)。最后利用求解出的衛(wèi)星軌道初值和力學(xué)模型參數(shù)對衛(wèi)星運動方程進(jìn)行積分,得到精確的衛(wèi)星軌道[7]。

1.2 處理方法

GPS定軌采用的是從定軌日的中心弧段時刻的軌道參數(shù)向兩邊積分的方法,一般為單天積分、3天積分、5天積分以及7天積分等,本文主要計算了單天解、三天解以及七天解。

單天解的解算在進(jìn)行單天軌道改進(jìn)時,直接將單天計算結(jié)果生成的T文件由ttongs程序轉(zhuǎn)換為sp3格式的地固系星歷文件,然后運行orbdif模塊,與當(dāng)天的精密星歷比較,得到GPS定軌的外符合精度文件。

多天解的解算是利用多日軌道弧段的疊加來獲取較高精度的常用方法。距離中心弧段越遠(yuǎn),定軌精度越低。三天解為例子,一般對于由連續(xù)3天的觀測資料確定中間一天的衛(wèi)星軌道的做為[8-9]:

1) 廣播星歷獲得先驗軌道信息,對于其他兩天弧段的估計都以計算中間一天獲得的軌道參數(shù)作為基礎(chǔ);

2) 將單天生成的h文件通過GAMIT/GLOBK的平差模塊進(jìn)行軌道綜合,生成平差結(jié)果的org文件;

3) 執(zhí)行g(shù)lbtog腳本命令生成一個新的g文件;

4) 新的g文件代入中間一天,通過ARC模塊對g文件進(jìn)行一次積分生成T文件;

5) 同上單天解的方法。這樣就可以獲得較為精確的衛(wèi)星軌道。

1.3 處理策略

本次計算所采用的軟件為GAMIT10.50,采用RELAX解,解的數(shù)據(jù)類型為LC-HELP,衛(wèi)星截止高度角為10°,每2 h設(shè)置一個對流層延遲參數(shù),對基準(zhǔn)站和衛(wèi)星軌道分別進(jìn)行強(qiáng)約束和松弛約束,對基準(zhǔn)站坐標(biāo)X、Y、Z方向的約束為5 mm、5 mm、10 mm.采用BERN光壓模型,J2000慣性系,ARC參考系統(tǒng)為IGS92[10].

2 基準(zhǔn)站的選擇

全球共有300多個IGS站,首先要進(jìn)行IGS站的選擇。按照連續(xù)性原則、穩(wěn)定性原則、高精度原則、多種解原則、平衡性原則和精度一致性原則6個方面對臺站進(jìn)行選擇。首先利用站點的時序等資料按照一定標(biāo)準(zhǔn)對各臺站的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析,并對測站進(jìn)行初步的篩選。然后使用七參數(shù)法站點進(jìn)行精選,發(fā)現(xiàn)這樣選擇的站點在局部地區(qū)(例如歐洲地區(qū))分布仍然很密集。因而又對精選的測站進(jìn)行了監(jiān)督分類,使其在全球的分布符合均勻化的原則[11]。選完之后的測站分布如圖1所示。

3 定軌算例

本次計算的數(shù)據(jù)為2009年,年積日181～187共計七天的觀測數(shù)據(jù)。選用的IGS站如圖2所示。

3.1 區(qū)域站定軌

算例一：利用中國區(qū)域內(nèi)的7個IGS站進(jìn)行單天弧長的軌道改進(jìn)計算。定軌結(jié)果如圖3所示。

算例二：中國區(qū)域內(nèi)的7個IGS站進(jìn)行三天弧長的軌道改進(jìn)計算,定軌結(jié)果如圖4所示。

算例三：利用中國區(qū)域內(nèi)的7個IGS站進(jìn)行七天弧長的軌道改進(jìn)計算,定軌結(jié)果如圖5和表1所示。

表1 定軌精度對比

由上可以得出,在進(jìn)行區(qū)域定軌時,多天解的精度明顯高于單天解的精度。這是由于進(jìn)行多天軌道法方程合并的時候,相當(dāng)于增加了衛(wèi)星弧段的觀測值,衛(wèi)星約束條件增強(qiáng),這樣可以得到中間一天的精度較高的軌道。其中三天解的綜合定軌精度要高于七天解的精度,原因是七天的初始軌道是合并的七天的廣播星歷,這樣導(dǎo)致了衛(wèi)星的軌道弧線增長,因而星歷精度降低,致使最終定軌結(jié)果精度略差于三天解;其中衛(wèi)星徑向的精度要明顯高于切向和法線的精度,原因是徑向的受力更容易用模型模擬。

3.2 全球站定軌

算例一：利用全球范圍內(nèi)的90個IGS站進(jìn)行三天弧長的軌道改進(jìn)計算,定軌結(jié)果如圖6所示。

算例二：為研究測站數(shù)量對于定軌精度的影響,對上述的90個IGS站進(jìn)行了均勻分布化處理,得到了45個IGS站,如圖7所示。利用 45個IGS站進(jìn)行三天弧長的軌道改進(jìn)計算,定軌結(jié)果如圖8所示，定軌精度所表2所示。

表2 全球范圍內(nèi)定軌精度對比

由表2可以看出,增加了IGS站的數(shù)量及分布范圍,衛(wèi)星軌道在徑向、切向和法向方向的精度較區(qū)域解都有很大改善。當(dāng)同時用全球分布的測站進(jìn)行定軌時,90個基準(zhǔn)站的定軌精度在徑向上高于45個基準(zhǔn)站的結(jié)果,但是在其他兩個方向的定軌結(jié)果都要低于45個基準(zhǔn)站的結(jié)果。而且在用90個基準(zhǔn)站進(jìn)行解算時,解算效率也變很低,所以綜合來說,在進(jìn)行定軌時如何選取適當(dāng)數(shù)量和合理地理分布的基準(zhǔn)站顯得尤為重要。對于我國的第二代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)來說,增加定軌基準(zhǔn)站的區(qū)域數(shù)量以及擴(kuò)大基準(zhǔn)站的全球分布范圍是提高其定軌精度的關(guān)鍵。

3.3 疊加定軌

將183～185天的全球站和區(qū)域站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了獨立解算,然后利用globk進(jìn)行全球45個IGS站解和區(qū)域解的聯(lián)合平差,具體步驟如下:

1) 首先將兩種解的H文件利用GLOBK的htoglb模塊將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件;

2) 將轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的*.glx文件做一個列表文件,然后將同一天的*.glx文件后面加“+”,需要注意的是每一天的最后一個*.glx不用加“+”;

3) 修改控制文件,將控制文件globk-comb.cmd中的“out-glb H-SCAL.GLX”命令行打開;

4) 執(zhí)行g(shù)lred合并:“glred 6 glred.prt glred.log *.gdl globk-comb.cmd”,得到每天1個的全球二進(jìn)制H文件;

5) 執(zhí)行g(shù)lobk平差,注意進(jìn)行定軌時一定要進(jìn)行卡爾曼反向濾波,“globk 6 globk.prt globk.log *gdl globk-comb.cmd”,得到org文件。

然后從求解得到的org文件中提取出軌道信息。聯(lián)合定軌的測站分布以及定軌結(jié)果如圖9所示,圖10所示，定軌精度如表3所示。

表3 不同區(qū)域定軌精度對比

從圖中可以看到,對于全球解而言,進(jìn)行全球和區(qū)域聯(lián)合定軌之后,衛(wèi)星在徑向的精度有了2 mm的提高,但是在切向和法向上,因為某些衛(wèi)星精度比較差,導(dǎo)致衛(wèi)星的平均精度都要比全球解低。原因可能是在進(jìn)行聯(lián)合定軌時,測站在局部密度比較大,觀測值的分布不均勻,使法方程求得的部分衛(wèi)星軌道信息在整個弧段上并不是最優(yōu)的。對于區(qū)域解而言,進(jìn)行全球和區(qū)域聯(lián)合定軌之后,衛(wèi)星在每個方向上的精度都有了大幅度的提高,尤其在切向和法向上的精度提高了46.8 cm與41.9 cm.總體來說,因為利用了全球的基準(zhǔn)站,所有的衛(wèi)星弧段都可以被跟蹤,所以聯(lián)合全球IGS站解進(jìn)行區(qū)域定軌,大大增加了區(qū)域定軌的精度。

4 結(jié)束語

詳細(xì)介紹了GAMIT/GLOBK的定軌流程,并利用GAMIT/GLOBK軟件做了幾個定軌實例,可以得出的幾點結(jié)論:在進(jìn)行區(qū)域定軌時,多天解可以提高定軌的精度,其中三天解的軌道精度最好;在進(jìn)行全球IGS站定軌時,因為所有的衛(wèi)星都可以被跟蹤,所以全球范圍內(nèi)的基準(zhǔn)站定軌精度比區(qū)域基準(zhǔn)站定軌的精度有較大的提高,但是隨著測站數(shù)量的增加,精度改善不明顯;進(jìn)行全球與區(qū)域聯(lián)合定軌時,全球解對于區(qū)域定軌的精度提高有很大的改善。

[1] Herring T A、KING R W、MCLUSKYl S C.GAMIT reference manual,release 10.35[R].Massachusetts Institute of Technology at Australia Nationnal University, 2009:78-83.

[2] 姚宜斌. GPS精密定位定軌后處理[M].北京:測繪出版社,2008:72-75.

[3] 李濟(jì)生.人造衛(wèi)星精密軌道確定[M].北京:解放軍出版社,1995:45-47.

[4] 陳慧杰，杜瑞林，趙齊樂，等.關(guān)于區(qū)域定軌對于全球定軌的的研究[J].大地測量與地球動力學(xué),2011,31(6):85-89.

[5] 周善石，胡小工，吳斌.區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)精密定軌與軌道預(yù)報精度分析[J].中國科學(xué):物理學(xué)力學(xué)天文學(xué),2010,40(6):800-808

[6] 張睿.基于地面基準(zhǔn)站觀測技術(shù)的GPS衛(wèi)星定軌研究及程序設(shè)計[D].西安:長安大學(xué),2013:35-48.

[7] 王武星，顧國華.利用基準(zhǔn)站觀測資料確定GPS衛(wèi)星軌道[J].大地測量與地球動力學(xué),2003,23(3):112-115.

[8] 秘金鐘，黨亞民，蔣志浩，等.基于國家測繪局GPS連續(xù)運行參考站的定軌[J].遼寧工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2009,28(2):202-205.

[9] 任鍇，賈小琳，宋小勇.Gamit定軌軟件分析[C]//第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會,2011:1-4.

[10] 曹炳強(qiáng)，成英燕，許長輝.海潮模型對連續(xù)跟蹤參考站數(shù)據(jù)解算的影響[J].測繪科學(xué),2015,40(12):108-111.

[11] 高樂，成英燕，鄭作亞，等.GNSS數(shù)據(jù)處理框架點的選取方法研究[J].大地測量與地球動力學(xué), 2011,31(2):133-136.

Research of Orbit Determination Based on GAMIT/GLOBK

CAO Bingqiang1,XU Changhui1,CHENG Yingyan1,YU Xinping2,PANG Xiaodong3,LI Yubo3

(1.ChineseacademyofSurveyingand,Mapping,Beijing100830,China; 2.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266000,China; 3.QingdaosurveyingandMappingInstitute,Qingdao266000,China)

This paper introduces the application of GAMIT/GLOBK in satellite orbit determination,the parameter setting and the steps of GAMIT/GLOBK orbit determination are introduced in detail. Then the global and regional orbit determination is carried out based on the broadcast ephemeris as initial orbit information. And the accuracy of the orbit determination is analyzed further.

IGS; Global solution; regional solution; superposition of orbit determination; precision

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.01.016

2016-06-20

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：41374014); 國家基礎(chǔ)測繪科技項目(編號：2016KJ0205); 國家公益性行業(yè)專項(編號：B1503)； 國家重點研發(fā)計劃(編號：2016YFB0501405)

P228.4

A

1008-9268(2017)01-0077-05

曹炳強(qiáng) (1990-),男,碩士生,主要從事GPS數(shù)據(jù)處理及多系統(tǒng)衛(wèi)星定軌研究。

許長輝 (1981-),男,副研究員, 主要從事GNSS精密單點定位研究。

成英燕 (1965-),女,研究員,主要從事參考框架維持與更新研究。

余新平 (1992-),男,碩士生,主要從事時間序列的研究。

聯(lián)系人： 曹炳強(qiáng) E-mail: 1182609094@qq.com