IGS站的数量与几何结构对GNSS星座近实时精密轨道影响研究

肖长伟，曲国鹏，闫高原，李高锋

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.建筑工业化与信息化应用技术研究所，江苏 徐州 221116）

关键字：GNSS近实时精密轨道；IGS站；分布结构

1 引言

随着GNSS系统的稳步建设，目前在全球范围内已经有美国的GPS、俄罗斯的GLOGNSS、欧盟的伽利略以及中国的北斗卫星导航系统可以提供全球或区域的导航定位服务，在上述四大系统中无论哪个卫星系统其导航星座的近实时精密轨道是能够保障GNSS导航卫星系统正常工作的关键技术。GNSS导航卫星近实时精密轨道解算速度和精度是衡量GNSS卫星导航系统性能的重要指标。

随着社会经济的发展，全球导航定位技术应用越来越广泛，社会对卫星导航定位系统的实时性和高精度的要求越来越高，而GNSS导航星座的近实时精密轨道是保障GNSS卫星导航系统实施精密定位和导航的基础，因此，随着GNSS卫星导航技术的快速发展，GNSS卫星导航星座近实时精密轨道解算以及IGS站的数量和几何结构对GNSS导航星座近实时精密轨道的影响研究越来越受到国内外许多专家学者的重视，成为GNSS全球卫星导航定位系统领域重要的研究方向，对GNSS全球卫星导航定位系统近实时精密轨道解算精度和更新速度提出了更高的要求。

2020年7月31日，随着最后一颗北斗三号卫星的成功发射，标志着我国完全自主研发的北斗三号全球卫星导航系统正式开通，但是，由于我国北斗三号卫星导航系统的跟踪站主要分布在国内，因此，我国北斗三号卫星导航系统跟踪站的基准约束条件和几何分布结构相对比较弱，导致我国北斗三号卫星导航星座的近实时轨道精度和更新速率相对比较差，因而，北斗三号卫星导航系统的跟踪网的优化以及北斗三号卫星导航系统近实时精密轨道解算成了当下重要的研究课题。

本文基于2016年年积日99至101天的不同数量和分布结构的IGS站的观测数据，采用滑动数据窗口内（48h）短弧法方程叠加的方法，利用BERNESE软件进行解算GNSS导航星座近实时精密轨道，然后以CODE发布的GNSS近实时精密轨道为标准对解算的GNSS导航星座近实时精密轨道进行精度评定，首先对IGS站的数量相同、几何分布结构不同的情况进行比较以观察IGS站的几何分布结构对GNSS卫星导航星座近实时精密轨道解算精度的影响；然后对IGS站的几何分布结构大致相同、IGS站的数量不同的情况进行比较以观察IGS站的数量对GNSS卫星导航星座近实时精密轨道解算精度的影响[7-10]。

2 GNSS近实时精密轨道解算

图1即为GNSS近实时精密轨道的解算流程，我们利用40个全球分布IGS站提供的每6h的观测数据进行解算各生成一个短弧段法方程，连续生成8个短弧法方程组成滑动窗口，然后我们只需快速处理当前6h的观测数据，快速获得当前6h短弧段法方程，然后利用滑动数据窗口内（48h）法方程叠加方法与前面七个短弧段法方程叠加合并成一个48h长弧法方程，然后我们通过轨道积分进行预报后面6h的GNSS卫星导航星座精密轨道，即GNSS卫星导航星座的近实时精密轨道。以此类推，从而实现GNSS卫星导航星座近实时精密轨道的快速更新，表1为近实时精密轨道解算过程中需要的测量模型和力学模型。

图1 GNSS近实时精密轨道解算流程图

近实时精密轨道解算所需测量模型和力学模型 表1

3 近实时精密轨道影响因素分析

3.1 IGS站数量与几何结构设计

为了研究IGS站的数量和几何结构对GNSS导航星座近实时精密轨道的影响，我们设计了三种方案。方案一如图2所示，40个IGS站在全球范围内均匀分布，几何结构优化且其稳定性和数据质量相对比较好。

图2 几何结构优化的40个IGS站的几何分布

方案二在方案一的基础上增加ALBH站、BJFS站、BORL站、BRST站、CAGZ站、CEDU站、GRAS站、NICO站、RABT站、WTZR站10个IGS站，去掉DGAR站、KOKB站、ISPA站、OHI2站、TIXI站、VESL站、SANT站、IRKT站、TSKB站、PIMO站10个IGS站，如图3所示，其中增加的10个IGS的数据质量和稳定性和去掉的10个IGS站的数据质量和稳定性非常相似。为了对IGS站的几何结构进行量化评价，我们将IGS站分布图分成左、右、上、下、左上、右下、左下、右上、中心和外围10个区域，统计以上10个区域内的IGS站数量，形成一个向量，向量的方差越大，说明IGS站的几何结构越差，反之，GIS站的几何结构越好，方案一形成的向量为（17,23,24,16,20,20,24,16,21,19），方案二形成的向量为（14,26,28,12,24,16,30,10,25,15），通过计算我们得出方案一的几何结构要比方案二的好。

图3 几何结构比较差的40个IGS站发的几何分布

方案三在方案二的基础上增加ANTC站、CONZ站、DRAO站、FAIR站、HERT站、HOB2站、MEDI站、MCIL站、MKEA站、SYOG站10个IGS站，如图4所示。采用上述方法，方案形成的向量为（34,16,20,30,31,19,34,16,30,20），通过计算我们可以得出方案三的几何结构与方案二的相当。

图4 50个IGS站的几何分布

3.2 算例分析

本文分别解算了三种方案下的GNSS导航星座近实时精密轨道，然后与CODE发布的近实时精密轨道做差进行精度评定，如表2所示。

三种方案近实时精密轨道精度评定 表2

表2为三种方案下的GNSS导航星座近实时精密轨道，R、T、N分别表示GNSS导航星座近实时精密轨道在径向、切向、法向的RMS值。由表格2可知，无论哪种方案，GNSS导航星座近实时精密轨道精度都比较高，说明本文采用的滑动数据窗口内（48h）短弧法方程叠加的方法是可行的且具有良好的稳定性；采用几何结构优化的全球均匀分布的40个IGS站的观测数据解算GNSS导航星座的近实时精密轨道，然后与CODE发布的近实时精密轨道做差进行精度评定，其精度可以达到0.087m。

对比方案一和方案二我们可以得出，方案一条件下GNSS导航星座近实时精密轨道精度优于方案二，精度由0.111m提高到0.087m，由此可见，IGS站的几何分布结构是影响GNSS导航星座近实时精密轨道精度的关键因素。

对比方案一、方案二、方案三我们可以得出，方案三相对于方案二GNSS导航星座近实时精密轨道精度有一定的提高，由0.111m提高到0.102m，而方案一相对于方案二精度由0.111m提高到0.087m，因此我们可以得出，IGS站的数量对GNSS导航星座近实时轨道精度有一定的影响，但影响有限，在几何分布结构相同的情况下，仅仅增加IGS站的数量并不能有效地提高GNSS导航星座近实时精密轨道的精度，反而会使近实时轨道解算的时间增长，影响其更新效率，因此，在IGS站的选择过程中要对IGS站的几何结构进行优化。

4 结论

①本文详细阐述了利用滑动数据窗口内（48h）短弧法方程叠加的方法解算GNSS导航星座近实时精密轨道解算过程，采用全球均匀分布的40个IGS站的观测数据解算GNSS导航星座的近实时精密轨道，其精度可以达到0.087m，并且导航星座中每颗卫星的近实时轨道精度都非常稳定，说明我们采用的滑动数据窗口内（48h）短弧法方程叠加的方法是可行的。

②IGS站的数量固定，进一步优化IGS站的几何分布结构可以提高GNSS导航星座近实时精密轨道的精度，因此，在IGS站的数量不变的情况下，IGS站的几何分布结构是影响GNSS导航星座近实时精密轨道精度的关键因素。

③IGS站的几何分布结构相似（方案二与方案三），增加了10个IGS站，GNSS导航星座的近实时轨道精度由0.111提高到0.102，但与优化几何结构相比，提高精度有限，因此，只是一味地增加IGS站的数量并不能有效地提高GNSS导航星座近实时精密轨道的精度，反而会影响GNSS导航星座近实时精密轨道的更新速率。