PANDA软件在高频数据 P PP动态定位中的应用研究＊

陈克杰 方荣新 李 敏 祝会忠

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

PANDA软件在高频数据 P PP动态定位中的应用研究＊

陈克杰 方荣新 李 敏 祝会忠

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉 430079)

结合具体算例分析了 PANDA的定轨、钟差计算精度,并利用 PANDA计算的轨道、钟差产品,对汶川地震期间的高频 GPS观测数据实施动态精密单点定位。结果表明,PANDA应用于高频动态精密单点定位中具有实时性强,定位精度高等优势。

PANDA软件;高频 GPS;动态精密单点定位;钟差;实时性

1 引言

GPS精密单点定位 (Precise Point Positioning, PPP)采用单台接收机独立作业,由于作业方式灵活,无需基准站,被广泛运用于大地测量和地球动力学研究。从运动状态的角度,PPP可分为静态定位和动态定位,其中动态定位模式可获取测站的瞬时动态坐标。随着 GPS观测精度和处理方法的不断改进和提高,高频(1 Hz)和超高频(20～50 Hz)GPS接收机的相继出现,高频动态 PPP成为监测瞬时地壳运动的有效手段之一[1-3]。

PPP需要采用精密轨道和钟差产品,为了便于终端用户研究,目前 IGS组织通过 Internet发布精密星历、钟差产品,主要分为 3种类型：超快速产品、快速产品、最终产品。它们的精度、时延、更新率、采样间隔如表 1所示[4](本信息更新至 2011年 3月)。

由表 1可知,各种产品的轨道均达到 cm级精度,能够满足 cm级精密单点定位精度需求。但钟差产品精度差别较大[5],如超快速产品的外推部分约为 3 ns,等效距离误差约 0.9 m,对位置估值带来的误差影响较大。快速产品虽和最终产品精度相当,但分布的钟差是 5分钟采样间隔。对于高频GPS精密定位而言,观测时刻的卫星星历和钟差均需内插得到,由于卫星轨道变化平缓,一般采用拉格朗日多项式插值公式等方法即可内插出观测瞬间卫星的精确位置,而卫星钟差存在短周期或不规则变化,其变化具有随机性,若用 5分钟采样间隔的钟差通过内插用于高频精密单点定位,很难满足 cm级的定位精度要求。

除了 IGS提供的精密星历、钟差产品外,也可利用全球分布的 IGS观测站数据,自行对 GPS卫星进行定轨、获取钟差。目前较为著名的定轨软件有BERNESE、EPOS、GAM IT、GIPSY等。武汉大学卫星导航定位技术研究中心自主研发的卫星导航系统综合处理软件(PANDA)在卫星精密定轨、PPP等方面达到了国际著名软件的同等水平[6,7],可应用于卫星精密定轨和动态定位研究。

表1 IGS提供的轨道和钟差产品信息Tab.1 Orbit and satellite clock information provided by IGS

PANDA软件采用非差处理模式,数据编辑采取与Blewitt[8]一致的单站数据自动方法,尽可能探测与修复周跳并剔除异常值。对未修复的周跳引入新的模糊度参数,对未完全探测出的小周跳与粗差,在残差编辑模块的质量控制中进行处理。

PANDA软件具备处理包括 GPS、SLR、KBR、卫星姿态与加速度计等多种类型观测数据的能力,这些数据可以单独或联合用来估计地面站坐标、天顶延迟、GPS卫星精密轨道与钟差、低轨卫星精密轨道、地球自转参数等。

各类卫星的定轨精度可以达到 cm级、地面跟踪网的相对定位可达mm级。该软件不仅可以应用于我国一系列卫星计划,同时可以作为科研平台,应用于大地测量学、地球动力学、气象学等科学研究领域。

2 实验结果及分析

2.1 观测数据

2008年 5月 12日 (年积日第 133天),汶川发生8.0级地震。GPS观测站 XANY距震中约 570 km,其采样率为 1 Hz,考虑到该站受地震的影响较大,为了捕捉到该点的同震形变,对其进行动态精密单点定位。为验证 PANDA软件在高频动态精密单点定位中的应用价值,精密星历和钟差产品分别采用 IGS提供的最终产品、快速产品以及使用 PANDA软件定轨得到的轨道、钟差产品。本文选取全球均匀分布的 77个 IGS站(图 1)的观测数据进行定轨, IGS站的 GPS数据采样间隔为 30 s。

图1 IGS站点分布图Fig.1 Distribution of IGS stations

2.2 定轨结果及精度分析

基于 IGS基准站提供的 GPS观测数据,利用PANDA软件的定轨模块,对年积日 131～137的连续 7天数据进行定轨,卫星钟差产品间隔为 30 s,由于 1号卫星因故停止服务,该卫星不参与计算。为了评价轨道和钟差精度,将结果与 IGS提供的最终产品进行比较。对于钟差而言,由于二者基准钟选择不同导致两套钟差之间存在系统性偏差,但是这种系统性偏差在定位中被模糊度和接收机钟差吸收,不影响最终定位结果,本文以 2号卫星作为基准钟。轨道和钟差的RMS值按

计算。式中,Δi为第 i个历元卫星坐标 (钟差)之差,为其平均值,n为历元数。

表2给出了 31颗卫星每天定轨的切向、法向、径向以及三维的 RMS值的均值,表 3则给出了钟差RMS值的均值。结果表明,与 IGS精密产品相比, PANDA软件定轨精度稳定、可靠,算例中,卫星三维坐标互差在 4 cm以内,钟差在 0.13 ns左右。

2.3 动态精密单点定位结果

利用 PANDA软件的 PPP模块,对XANY站进行动态 PPP处理。鉴于比较定位结果的考虑,轨道和钟差分别使用 IGS最终和快速产品以及 PANDA定轨产品,其中PANDA得到的产品以“WHU”作为前缀标识。为便于提取同震形变,仅截取地震前后30分钟的结果进行比对。

表2 PANDA定轨结果与 IGS精密轨道互差 RM S均值(单位:cm)Tab.2 M ean RM S of differences between the orbit determ i nation results by PANDA and precise orbit provided by IGS(un it:cm)

表3 PANDA钟差结果与 IGS精密钟差互差 RM S均值Tab.3 M ean RM S of differences between satellite clock error results by PANDA and precise satellite clock error by IGS

图2 利用 IGS最终轨道、30 s钟差产品动态精密单点定位结果Fig.2 Results of kinematic PPP by using the IGS final products of orbit and satellite clock error with 30 s interval

图2～4给出了使用 IGS最终产品、快速产品以及WHU产品的动态精密单点定位结果。由图 2～4可知,XANY站在地震前后水平方向上发生了明显的位移,E方向达 22 cm左右,N方向达 30 cm左右。其中,使用 IGS最终产品得到的位移序列最为平滑,而 IGS快速产品由于只能提供 300 s钟差,进行高频精密单点定位时钟差内插不准确,导致定位精度很差,无法准确反映同震形变信息,这也限制了IGS快速产品在高频动态精密单点定位中的应用。使用WHU产品则能较好地提取形变信息,与 IGS最终产品高度吻合。IGS最终产品需要延迟 12～17天,而PANDA软件定轨获取WHU产品仅延迟7～8小时,其时效性优势非常明显。

图3 利用WHU轨道、30 s钟差产品动态精密单点定位结果Fig.3 Results of kinematic PPP using the WHU products of orbit and satellite clock error of 30 s interval

图4 利用 IGS快速星历、300 s钟差产品动态精密单点定位结果Fig.4 Results of kinematic PPP by using the IGS rapid products of orbit and satellite clock errorwith 300 s interval

3 结语

1)PANDA软件具有卫星精密定轨、钟差计算、精密单点定位等功能,且定轨和计算钟差精度稳定、可靠,其产品可进一步应用于精密单点定位,与 IGS最终产品相比,具有很强的实时性。在高频动态精密单点定位中其优势更加明显,特别在地震瞬时获取地壳形变方面具有巨大的应用价值。

2)用 PANDA软件生成的定轨产品,其钟差采样间隔为 30s,而对于高频 GPS数据 PPP处理而言,钟差采样率越高,其动态定位精度也会随之提高。因此,后续的研究将利用 PANDA软件生成的更高采样率的钟差产品 (如 1 s采样的钟差),应用于高频动态精密单点定位。

1 孟国杰,等.GPS高频数据处理方法及其在地震学中的应用研究进展[J].国际地震动态,2007,343(7)：26-31. (Meng Guojie,et al.Data processing methods of high rate GPS and Its application to seis mology[J].Recent Developments inWorld Seismology,2007,43(7)：26-31)

2 方荣新,施闯,辜声峰.基于 PPP动态定位技术的同震地表形变分析[J].武汉大学学报 (信息科学版),2009,34 (11)：1 340-1 343.(Fang Rongxin,Shi Chuang and Gu Shengfeng.Precise point positioningwith high-rate GPS data applied to seismic displacements analysis[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University,2009,34 (11)：1 340-1 343)

3 方荣新.高采样率 GPS数据非差精密处理方法及其在地震学中的应用研究[D].武汉大学,2010.(Fang Rongxin. High-rate GPS data non-difference precise processing and its application to seis mology[D].Wuhan University,2010)

4 IGS Products[DB/OL].http：//igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.ht ml.

5 冯义楷,等.GPS精密卫星钟差的计算模型研究[J].大地测量与地球动力学,2010,(2)：109-112.(Feng Yikai, et al.Study on calculation mode of precise GPS satellite clock error[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2010, (2)：109-112)

6 M Ge,et al.Resolution of GPS carrier-phase ambiguities in Precise Point Positioning(PPP)with daily observations[J]. J Geod.,2008,82：389-399.

7 赵齐乐,等.用 PANDA对 GPS和 CHAMP卫星精密定轨[J].大地测量与地球动力学,2005,(2)：113-117.(Zhao Qile,et al.Precise orbit determination of GPS and CHAMP satelliteswith PANDA software[J].Journal of Geodesy and Geodynamics,2005,(2)：113-117)

8 Blewitt G.An automatic editing algorithm for GPS data[J]. Geophysical Research Letters,1990,17(3)：199-202.

RESEARCH ON APPL ICATI ON OF PANDA SOFTWARE TO HIGH FREQUENCY KINEMATIC PREC ISE PO INT POSITI ONING

Chen Kejie,Fang Rongxin,LiMin and Zhu Huizhong
(GNSS Research Center of W uhan University,W uhan 430079)

The precision of orbit determination and clock error computation of PANDA(Position And Navigation Data Analysis)is verified through experi ments.The high frequency GPS observation data during Wenchuan earthquake is processed by kinematic precise point positioning with the PANDA products of orbit and clock error. The results indicate that the advantages of using PANDA for high frequency kinematic precise point positioning are good in real time and of high accuracy.

PANDA software;high rate GPS;kinematic precise point positioning;clock error;real time

1671-5942(2011)04-0132-04

2011-03-16

国家自然科学基金(40904007);国家高科技研究发展计划(863)重点项目(2007AA120603)

陈克杰,男,1988年生,硕士研究生,主要从事 GPS数据处理与 GPS地震学研究.E-mail：chen@whu.edu.cn

P227

A