基于Bernese软件对卫星定轨实时计算

段淑珍,郭 英,韩晓冬,王 琦,毕京学

(山东科技大学测绘科学与工程学院,山东 青岛 266590)

0 引 言

全球卫星定位系统的迅速发展,引起了各国军事部门和广大民用部门的普遍关注，同时,也对GPS卫星星历的精度和实时性提出了越来越高的要求。星历按照精度可分为精密星历和广播星历，由于精密星历只能在卫星观测的11天后获得,无法为实时定位、精确导航等提供有效服务,所以要实时计算卫星的位置只能利用GPS卫星广播星历,其中含有开谱勒轨道参数、轨道摄动参数等信息[1]。由于用广播星历每一个小时发布一次,每2 h每颗卫星有一组独立的参数,用相邻两组星历计算同一时刻的卫星位置,将会有不同的结果,因此，计算卫星轨道是一项繁琐的过程[2-4]。

本文主要根据Bernese软件叙述了利用FORTRAN语言编译的卫星轨道程序处理广播星历的步骤,利用自编程序处理广播星历并与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历和精密星历的轨道坐标进行精度比较，并得出结论。

1 卫星轨道的概述

由瑞士伯尔尼大学天文研究所研究开发的GPS数据处理软件——Bernese GPS 4.2软件,是目前国际上比较成熟的高端GPS精密应用软件之一，升级后的 5.0 版本既可以进行 GPS 精密定位定轨、电离层和对流层监测应用, 也可以应用到低轨卫星定轨和卫星钟差的计算,以及高精度时频比对等[5]，由于Bernese GPS软件的源代码是开放的,也便于为大学、研究机构和高精度的国家测绘机构等单位进行研究以及二次开发。

其中轨道部分的源代码与其他部分相对独立,便于进行研究。Bernese GPS软件在进行轨道定轨时,既可以利用精密星历,也可以利用广播星历,前者主要应用在高精度GPS数据处理中并针对长基线,后者主要针对短基线进行数据处理。根据Bernese软件利用FORTRAN语言编译的卫星轨道程序主要是处理广播星历,任务是生成标准轨道、精密轨道等;程序中轨道由 15 个参数描述,分别为初始时刻的 6 个轨道根数和 9 个光压模型参数,其详细说明见文献[6]。

2 处理步骤

2.1 数据文件的准备

在卫星轨道处理中使用的GENERAL files:其中部分文件都不需要修改,例如常数文件CONST.,地球重力场模型文件JGM3.(BPE运算)或者GEMT3.(手工)等,直接使用默认的即可,但针对个别文件需要修改并应该经常更新。

这些文件[7]包括:

① 卫星参数文件(SATELLIT. EX1),应该改成SATELLIT. TTT并及时更新;

② 地球自转参数信息文件(C04_＄ JJ2. ERP),"＄JJ2"为具体的年份,可根据实际处理数据情况将其改成相应的年份(如2006),应该下载与观测值时间相符的相关文件;

③ 卫星问题文件(SAT_＄ JJ2. CRX),包括坏卫星和它们的观测值。"＄JJ2"为具体年份,可将其改成2006等形式的年份,需要根据所处理数据的实际情况经常更新此文件。

上述这些文件都可以从 ftp://ftp.unibe.ch/aiub/BSWUSER/下载得到。

2.2 格式的转换

广播星历可以从 ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/网站上下载得到,一般的格式为RINEX格式,需要经过RXOBV3程序,由RINEX格式转化为Bernese格式。

2.3 生成标准轨道文件

Bernese GPS软件在卫星轨道处理部分有两个主要的程序。

第一个程序是BRDTAB,其主要工作是把广播星历从地心地固坐标框架转换为惯性坐标框架,同时生成一个二进制的轨道列表文件,内容为J2000惯性系统下的卫星位置的数据文件,被ORBGEN程序调用，该文件中卫星位置单位表示为km,历元属于一项特殊的记录,被作为记录的序号,并记录某一时段内的卫星位置。

第二个程序是ORBGEN,其工作为由轨道列表文件产生标准轨道文件，该文件是一个二进制文件,含有所有的计算轨道位置、轨道速度以及卫星的时间微分等信息。轨道信息是以多项式系数的形式保存,每一组系数为一小时，一个标准轨道可以含有每颗卫星的多个弧段[8]。

2.4 生成精密星历文件

STDPRE程序是由标准轨道文件转化为精密星历文件,该程序只可以实现大于1 s的内插,而且时间范围和时间间隔可以按照用户的需求进行定义。

综合上面的各个步骤,图1为卫星轨道处理的流程图。

图1 数据处理流程图

3 问题及解决方法

编译过程中遇到的主要问题就是恒星文件(DE200.EPH)的读取，在运行ORBGEN程序时DE200.EPH数据的读取是最主要的问题,因为读取方式的错误,在运行程序时总会出现如图2所示的提示错误。

图2 错误提示

这主要是因为读取方式的不对,导致这种错误，DE200.EPH文件是美国喷气推进实验所(JPL)研究提出的一个恒星星历文件,该文件是一个ANSI-C软件包,公开发布在网站上,用来访问星历、计算相关的重心改正等,文件格式为美国信息交换标准码(ASCII)格式，该软件包不断进行修复定位,最新更新于2001年1月25日,所以需要从相关网站上下载更新[9]。

该文件使用广泛,可以用于Unix、Windows等操作平台,对不同的操作系统使用不同的文件格式，此次编译的卫星处理程序是在Windows系统下操作的,使用的DE200.EPH文件是Ascii码数据格式,在读取时要注意读取格式的正确性，对于32位的Windows操作系统,打开恒星星历文件方式要正确,尤其图3中RECL的值(IRECSZ)要设置正确。

图3 打开恒星星历文件的方式

4 算例与分析

4.1 算例

GPS卫星接收机所接收到的广播星历的时间间隔为2 h,即所获得的广播星历的时间是0时0分0秒、2时0分0秒直到23时59分44秒(24时0分0秒为第2天精密星历的开始时刻)。由IGS提供的精密星历的时间间隔仅为15 min,即从0时0分0秒、0时15分0秒直到23时45分0秒，由于广播星历和精密星历的时间点不同,因此一般采用星历外推的方法,外推时间为上下各1 h,本文主要是采用下推一个小时进行分析(例如2时0分0秒的广播星历外推得出2时0分0秒到2时59分59秒的轨道坐标)。

以2013年1月1日PRN12卫星在历元时刻2、14时的广播星历参数文件和PRN6卫星历元时刻8、20时的广播星历参数文件为例,由编译的卫星轨道程序计算出2时至3时、8时至9时、14时至15时、20时至21时之间的相关坐标值,其中12号卫星广播星历是多个时段的参数文件,而6号卫星是单个时段的广播星历文件,处理的结果与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历、精密星历的相应时间坐标值进行对比,并比较其精确度。

4.2 结果分析

图4～图7分别给出了编译程序处理的12号卫星在2:0:0-2:59:59,14:0:0-14:59:59时间段的轨道坐标和6号卫星在8:0:0-8:59:59,20:0:0-20:59:59时间段的轨道坐标与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历、精密星历的相应时间坐标的三坐标误差值。表1示出了6、12号卫星在一天中部分时段的三坐标误差均值,表2、表3分别示出了6、12号卫星在这一天中相应时段与IGS精密星历的坐标差值及均值。

图4 2-3时12号卫星三轴坐标误差

图5 8-9时6号卫星三轴坐标误差

图6 14-15时12号卫星三轴坐标误差

图7 20-21时6号卫星三轴坐标误差

图中:dx1为编译结果与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历在X方向的坐标差;dy1为编译结果与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历在Y方向的坐标差;dz1为编译结果与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历在Z方向的坐标差;dx2为编译结果与Bernese GPS 5.0软件处理的精密星历在X方向的坐标差;dy2为编译结果与Bernese GPS 5.0软件处理的精密星历在Y方向的坐标差;dz2为编译结果与Bernese GPS 5.0软件处理的精密星历在Z方向的坐标差。

表1 统计平均误差

表2 与精密星历相比的坐标误差

表3 与精密星历相比的坐标误差均值

由图4～7和表1、2、3可以得出:

1)计算得出的12号卫星的轨道坐标与Bernese GPS 5.0软件处理的广播星历和精密星历计算的轨道坐标相比,误差最大不超过±2.5 m,计算得出的平均误差最大不超过2 m;

2)06号卫星的轨道坐标与广播星历、精密星历计算的轨道坐标最大误差不超过±2.5 m,计算得出的平均误差最大不超过1.5 m.

3)06、12号卫星的轨道坐标与IGS(国际GPS服务)精密星历给出的坐标相比,三坐标分量最大误差均不超过±1.5 m,计算得出的一个时段的平均误差最大也不超过1.5 m.

5 结束语

对于精密定位或地球动力学应用来说,利用广播星历计算出来的卫星的轨道位置坐标与精密星历提供的卫星轨道位置坐标的误差应达到±2 m以至分米级的精度[10],由以上分析中不难看出,卫星参考时刻的附近点上,卫星位置的误差均在±1.5 m以内,满足精度要求，而在其他点上之所以误差会大于±2 m,是由于这些点上的数据是由广播星历参考时刻时间点上的数据,利用时间外推的方法推算出来的,由于在参考时刻上广播星历中存在卫星钟差的影响,进而也使外推点上的误差进一步增大,所以误差才会超过±2 m.而以前的各种方法得出的卫星位置误差一般在20 ～40 m，因此,可以说明利用FORTRAN语言编译的卫星轨道程序不仅可以同时处理一个时段或者多个时段的广播星历文件,而且在处理广播星历计算卫星轨道位置坐标精度方面比以往有了一定的改善。

[1] 李征航,黄劲松.GPS测量与数据处理厂[M].武汉:武汉大学出版社,2010.

[2] 余 鹏,孙学金,赵世军.GPS卫星广播星历轨道误差的探讨[J].测绘通报, 2004(4):6-8.

[3] 郭秋英,胡振琪. GPS卫星坐标的计算[J]. 全球定位系统, 2006,31(3):13-15.

[4] 汤均博.基于单组广播星历的GPS卫星在轨位置的拟合计算[J].海洋测绘,2006, 26(1):34-36.

[5] 韩 菲,程传录,王小瑞.BERNESE 5.0 软件及其在高精度GPS 数据处理中的应用[J].测绘信息与工程,2011,36(2):46-47.

[6] 张守信. GPS 卫星测量定位理论与应用[M].长沙:国防科技大学出版社, 1996.

[7] 郑作亚. Bernese GPS 4. 2 版本数据处理软件的介绍与探讨[J]. 中国科学院上海天文台年刊,2004(24):147-148.

[8] 周 利,匡翠林. Bernese高精度 GPS数据处理软件介绍及其应用实例 [J]. 测绘与空间地理信息, 2007,30(5):112-113.

[9] 郭 英.基于BERNESE V4.2软件的GPS动态定位研究[D].山东:山东科技大学硕士, 2004.

[10]刘 磊,盛 峥,王迎强,等. 利用广播星历计算GPS卫星位置及误差分析[J].解放军理工大学学报,2006,7(6):595-596.