精密钟差天跳变影响及消除方法研究

郭向欣，李 敏

（武汉大学 卫星导航定位技术研究中心，武汉 430079）

1 引言

精密单点定位是采用单台双频全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）接收机的观测数据，并利用后处理的高精度卫星星历和钟差产品进行定位［1］。与差分定位比较，精密单点定位有不需要引入基准站坐标、可直接反映测站点位移信息、保留所有观测值信息等诸多优势。目前，随着GNSS接收机采样率的不断提高和定位技术的不断进步，GNSS精密单点定位精度已达毫米级［2］，它逐渐广泛应用于地震形变监测等领域［3－4］。

通常，精密单点定位需要的高精度卫星星历和钟差产品是由全球卫星导航系统国际服务协会（international global navigation satellite system service，IGS）组织发布的，其钟差产品的时间序列在天与天的交接处存在纳秒级的天跳变现象［5］，这会导致测站定位结果产生厘米级的天跳变影响。天跳变现象发生在零点时刻，在研究过程中往往被忽略，这不利于分析同震地表形变，对确定地震发生时刻也会造成错误判断。

目前，国内外学者对IGS精密钟差产品天跳变现象的研究并不多。文献 ［6］增长了钟差解算的弧段，即利用多天观测数据联合解算来获得连续的精密钟差产品，同时采用模糊度叠加的方法减小天与天之间数据的独立性。文献 ［7］发现多路径效应对天跳变影响并不显著，从伪距噪声角度，消除硬件延迟变化、电缆连接器反射和一些非几何因素的近场影响，从而消除了卫星钟差的天跳变，保证了时间传递的连续性。文献 ［8］提出连续实时载波相位时频传递方法，此方法基于参数先验信息的贝叶斯估计法，利用单差观测值解算可以得到连续的钟差序列。这些方法均可有效的消除天跳变现象，但是算法复杂、数据量大、效率较低。本文针对IGS精密钟差产品的天跳变现象产生原因，提出了采取基于连续观测数据定轨解算卫星钟差进行动态精密单点定位的方法。

2 IGS精密钟差天跳变影响

2.1 天跳变对精密单点定位的影响

2013－04 －20四川省雅安市芦山县发生7.0级地震，地震后中国地震局根据IGS快速轨道文件，迅速发布了地震发生时刻为T 00：02：48的结果［9］。本文根据武汉大学自主研发的PANDA软件，其定位精度可以达到毫米级［10］，基于 “中国大陆构造环境监测网络”（简称 “陆态网络”）基准站1 Hz采样率的观测数据，采用IGS提供的精密卫星星历和采样间隔为30s的钟差产品，进行GNSS动态精密单点定位，以分析芦山地震附近四川小金（SCXJ）基准站的同震地表形变。对该站2013－04－19—20的连续观测值进行动态定位解算，定位结果如图1所示。

图1 SCXJ站根据IGS产品计算E、N、U方向的运动曲线图

从图1可以看出，在连续解算2013－04－19—20 2d的定位结果中，E、N、U方向于2013－04－20 T 00：00：00（UTC时间，地震发生前3min）均发生明显偏移，其中E方向偏移3cm，N方向偏移1cm，U方向偏移6cm。通过与地震局发布的地震时刻比对，发现主震不是该时刻，因而这样的跳变对地震同震形变的分析带来干扰。分析表明，该跳动时刻正好位于T 00：00：00，产生的原因应由IGS精密钟差产品在天与天交接时刻的不连续性（天跳变现象）引起，从而会影响GNSS动态精密单点定位解算的精度和准确性，对定位的影响达到厘米级，严重干扰对基准站同震地表形变的分析，乃至对地震发生时刻和位置产生错误的判断。

2.2 天跳变现象

由于采样间隔为30s的IGS钟差产品间隔较大，不利于对IGS精密钟差产品的连续性进行分析，所以本文对钟差解算策略相同的采样间隔为5s的欧洲定轨中心（center for orbit determination in Europe，CODE）钟差产品进行分析。由SCXJ站2013－04－20T00：00：00的观测值数据可得，此时刻共观测到8颗卫星，观测卫星在2013－04－20T00：00：00前后1min的钟差序列图如图2所示。

从图2可以看出，观测到的全部卫星的钟差在T 00：00：00时刻均有显著的跳动。这种IGS精密钟差的时间序列在天与天交接处出现跳变的现象，称为 “天跳变”现象。钟差产品的天跳变现象，不仅会影响高精度的定位结果分析，还对利用GNSS精密单点定位进行高精度时间传递和时间同步服务等多个领域造成不可忽视的影响［10］。

3 IGS精密钟差天跳变消除方法

3.1 天跳变生成原因

IGS精密钟差产品生成天跳变的现象主要有两个原因［5］，其一：IGS的卫星星历、精密钟差等产品的解算策略是按天提供并且以单天为弧段进行计算，每天的初始条件、大气误差影响、多路径误差影响等不尽相同，这导致接收机钟差吸收了其他误差源造成的系统误差，而卫星钟差为相对量，导致相邻两天的接收机钟差存在跳变，进而直接导致IGS精密钟差产品出现天跳变现象。其次，计算初始钟差的GNSS伪距的观测精度（噪声）也是主要原因。伪距噪声不是一个单纯的白噪声过程，它还受到多路径效应影响以及各种各样的仪器误差影响，这些误差也会被接收机钟差吸收，从而产生天跳变现象。

3.2 天跳变消除方法

分析表明，天跳变的原因主要由于钟差计算分弧段计算引起，因此本文采取IGS跟踪站原始观测数据计算重新估计卫星钟差将可从根本上消除该影响。利用PANDA软件，根据全球均匀分布的80个IGS跟踪站数据，采用包含零点时刻的连续的观测值文件，进行钟差解算，得到包含零点时刻的连续卫星星历和连续钟差产品。在钟差估计过程中，卫星轨道固定为IGS精密轨道，由于轨道动力学平滑特性，其天跳变基本可以忽略，卫星钟差的解算策略［11］如表1所示。

图2 观测卫星的钟差时间序列图

3.3 算例分析

基于 PANDA 软件采用2013－04－19T18：00：00—04－20T00：06：00 的12h连续观测值数据，根据上述方法进行高精度钟差确定，得到采样间隔为30s的精密卫星钟差文件。采用自行解算得到的精密钟差文件，对SCXJ基准站2013－04－19—20的连续观测值进行动态定位解算，并与根据IGS钟差产品解算的定位结果进行对比，定位结果如图3所示。

从图3可以看出，根据连续观测数据精密定轨解算的卫星钟差文件解算的定位结果，E、N、U方向于2013－04－20T00：00：00没有发生明显偏移。与根据IGS钟差产品解算的定位结果相比较，利用重新估计卫星钟差所得的序列表明，动态定位序列连续变化。但由于该地震在SCXJ站的同震形变小［12］，直接从定位序列难以看出，为进一步分析地震发生前后的测站同震地表形变，将定位结果做一次差，测站根据IGS钟差和定轨解算钟差计算E、N、U方向的前后历元位置差时序变化如图4所示。

表1 卫星钟差解算策略

图3 SCXJ站根据IGS钟差和定轨解算钟差计算E、N、U方向的运动曲线图

从图4可以看出，根据定轨解算钟差计算测站前后历元位置差序列，在T 00：00：00没有发生跳变，并且可以有效探测地震对测站造成的形变，避免钟差天跳变现象对分析同震地表形变的干扰。根据IGS钟差产品解算的测站前后历元位置差序列，在T 00：00：00U方向有显著跳变，但是在E、N方向仅有微弱跳变，这是由于计算过程中观测数据是1s采样间隔，而卫星钟差是30s采样间隔，动态历元解算过程将钟差插值，故而跳变不明显。综上所述，利用连续观测数据精密钟差确定获取的卫星钟差产品进行动态精密单点定位，可有效避免IGS精密钟差产品天跳变现象的影响，同时其定位结果是准确和有效的。

图4 SCXJ站前后历元位置差时序图

4 结束语

本文对IGS精密钟差产品的天跳变现象进行了分析，由于钟差序列在天与天交接时刻可以达到纳米级的跳变，这对高精度的精密单点定位以及高精度的时间传递和时间同步服务影响非常显著，是不可忽略的。与此同时，针对IGS精密钟差天跳变生成的主要原因，提出根据连续观测数据估计精密钟差产品的方法。基于PANDA软件，采用改进的历元间差分精密钟差估计方法解算得到连续的精密钟差，并且采用此钟差对SCXJ基准站观测值进行动态单历元解算，结果表明此方法可以有效的避免IGS精密钟差产品天跳变影响，从而保证分析基准站同震地表形变的精度，准确性与连续性。

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