IGS实时服务的车载动态伪距差分定位精度分析

2016-04-11王高靖史俊波李宗华郭际明彭明军

测绘通报 2016年2期

王高靖，史俊波，李宗华，郭际明，彭明军，高　山

(1. 武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079； 2. 武汉市国土资源和规划局，湖北武汉 430014；

3. 武汉市国土资源和规划信息中心，湖北武汉 430014)

IGS实时服务的车载动态伪距差分定位精度分析

王高靖1，史俊波1，李宗华2，郭际明1，彭明军3，高山3

(1. 武汉大学测绘学院，湖北武汉 430079； 2. 武汉市国土资源和规划局，湖北武汉 430014；

3. 武汉市国土资源和规划信息中心，湖北武汉 430014)

Accuracy Analysis of GPS Code-based Vehicle Positioning Based on IGS Real-time Service

WANG Gaojing,SHI Junbo,LI Zonghua,GUO Jiming,PENG Mingjun,GAO Shan

摘要：IGS于2013年4月正式发布针对GPS/GLONASS广播星历的实时改正数产品，进一步扩展了实时精密定位的应用领域。目前对IGS实时改正数的研究主要集中在精密单点定位、GPS气象等方面，还没有动态差分定位方面的研究。本文首先分析了IGS实时轨道和时钟改正数的精度，然后对其用于车载动态伪距差分定位的精度进行了研究。试验结果表明，IGS实时轨道精度可以达到5 cm，时钟精度在0.5 ns以内；使用IGS实时服务的车载动态伪距差分定位平面精度可以达到亚米级，高程精度优于1.5 m。

关键词：IGS实时服务；轨道精度；时钟精度；车载动态伪距差分定位

自1994年以来，IGS为全球GNSS用户提供精密卫星轨道、时钟产品。但IGS精密产品有一定的时延，其中，最终星历需要13 d，快速星历需要7 d，这限制了一些高精度(近)实时的应用[1-3]。2013年4月1日，IGS实时服务(real-time service,RTS)正式提供针对GPS/GLONASS广播星历(卫星轨道和时钟误差)的改正数据。IGS官方声明(http:∥rts.igs.org/)和已有研究表明，IGS实时改正数的轨道精度为4～8 cm，钟差精度为0.2～0.8 ns[4-5]。

目前对于IGS RTS的研究集中在精密单点定位和GPS气象方面，研究结果表明，实时改正数可以满足精密单点定位的精度要求[6]，也可以满足水汽监测应用的需求[7]。但是，目前还没有动态差分定位方面的研究。因此，研究IGS实时改正数在车载动态差分定位应用(如交通测速和车载导航)中的定位性能，具有很好的实用价值。本文首先以IGS最终星历为参考，分析了实时轨道和钟差改正数的精度，然后对IGS实时改正数用于车载动态伪距差分定位的定位精度进行了研究。试验结果表明，使用IGS实时改正产品的车载伪距差分可以达到平面亚米级和高程优于1.5 m的精度。

一、IGS实时轨道和钟差改正数

1. 轨道改正数

IGS实时改正数的轨道改正数是对卫星轨道在星固系下径向、切向和法向的改正值(下文中的dR、dA、dC)[8]，而用户所需的卫星位置是在地固系中的坐标。因此需要先将改正数从星固系转换至地固系，然后对广播星历计算出的地固系坐标进行改正。

首先，由卫星位置和速度计算出卫星相对地心在切向、法向和径向上的单位向量eA、eC、eR

(1)

式中，Vsat和Xsat分别表示卫星在WGS-84地固坐标系中的瞬时速度和坐标。

然后，将星固坐标系的分量投影到WGS-84坐标系中

(2)

式中，dx、dy、dz分别表示dR、dA、dC在X、Y、Z方向上的投影值；eR、eA、eC为单位正交向量。

最后，使用式(2)中得到的卫星轨道在地固系下的改正数dX对广播轨道进行改正，即可获得实时卫星精密轨道坐标

Xsat=XBRDC-dX

(3)

式中，XBRDC为使用广播星历计算的卫星位置[9]；Xsat为最终得到的精密轨道。

2. 钟差改正数

实时钟差改正公式如下

Tsat=TBRDC+Δt/c

(4)

式中，TBRDC为广播星历算出的钟差；Δt为实时产品中对广播星历钟差的改正数；c为光速；Tsat为修正后的实时精密卫星钟差。

二、算例与分析

1. 动态数据采集

本算例采用司南K505接收设备进行车载动态数据采集，沿着南宁市双拥路、青山路、凤岭南路，经过龙岗大桥、五象大道和五象大桥，最后返回起点，共分为3个时段，如图1所示。实线为第1个时段，从市区到郊区；宽虚线为第2个时段，主要在郊区；短虚线为第3个时段，从郊区回市区。

图1　数据采集路线

2. 卫星轨道和钟差精度

由于IGS有多个分析中心，每个分析中心都可以提供实时产品，本文在研究中选择卫星钟差改正数最稳定的分析中心(CNES)发布的产品，在下文简称为CNT。以IGS最终星历为参考，分析各个时段中可视卫星的轨道和钟差精度。计算公式为

(5)

式中，Ri表示每个历元数值与真值之差；n表示观测时段的历元数。

图2显示了3个时段中所有可视卫星的轨道和钟差RMS，每张图代表1个时段，柱状图表达轨道信息，折线图表达钟差信息。3个时段的轨道RMS基本相同，RMS最大值不超过8 cm，大部分卫星的轨道RMS均小于5 cm。在分析钟差精度时，采取二次差法[10-13]。从图中可以看出，3个时段的卫星钟差在0～1.3 ns内波动，大部分卫星的时钟RMS在1 ns之内，平均钟差RMS在0.5 ns以内。

图2　轨道/时钟误差

3. 实时改正数用于车载伪距差分定位

以商用软件GrafNav的载波相位固定解作为真值，分析车载伪距差分定位精度。图3显示了第1时段的可用卫星数、位置精度因子(position dilution of precision,PDOP)、平面误差和高程误差。从第1时段看，可视卫星数并不稳定，因为第1时段时汽车由城内开往城外，周围建筑物较多。随着汽车开出城市，可用卫星数大于6颗，PDOP值小于2，平面和高程定位误差变小。总体上，平面RMS为0.638 m，高程为1.243 m。

表1给出了3个时段伪距差分定位的平均可用卫星数、平均PDOP、平面和高程定位精度。第2时段中，平均可用卫星数明显增多，且PDOP值小于2。这是由于该时段位于郊区，观测环境好。该时段精度最高，平面为0.608 m，高程为1.019 m。第3时段是从郊区开回市区，观测环境变差，平均可用卫星数减少，且PDOP值大于2。该时段精度最差，平面为0.768 m，高程为1.301 m。

三、结束语

本文首先以IGS最终星历为基准，对3个测段中可视卫星的实时轨道和时钟改正数的精度进行了分析：实时轨道精度在5 cm以内，时钟精度在0.5 ns以内。其次对实时改正数用于车载伪距差分定位的精度进行了分析。结果表明，使用实时改正数进行车载动态伪距差分定位，可以达到平面亚米级和高程优于1.5 m的定位精度。

本文研究仅限在5～7 km的短基线。对于短基线，星历误差可以通过差分削弱对定位结果的影响。但已有研究表明，随着基线长度的增加，星历精度对差分定位精度的影响越来越大。因此，今后的工作将会研究实时改正数用于长基线动态差分定位的精度性能。

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中图分类号：P228

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2016)02-0072-03

作者简介：王高靖(1991—)，男，硕士，主要研究方向为GNSS实时定位。E-mail: jbshi@sgg.whu.edu.cn

基金项目：数字城市联合实验室项目(2014SL02)