低轨卫星星载GPS数据分析

杨 霞，李建成

（武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430079）

一、引 言

随着GPS技术的开发和利用，星载GPS已成为当今低轨卫星发展的一项重要技术，CHAMP、GRACE等低轨卫星上都搭载了GPS接收机。Yunck等科学家提出了一种基于GPS观测值的非动力（non-dynamic）轨道确定方法，又称几何法定轨［1］。随着精密GPS卫星轨道及精密卫星钟改正参数解算精度的提高，利用精密星历（IGS）所提供的事后精密卫星轨道、精密卫星钟改正信息和星载GPS双频观测值对低轨卫星进行定轨已逐渐成为研究的热点问题之一。对星载GPS观测数据及星历的正确分析是低轨卫星轨道确定的一个必要条件。本文分析了CHAMP、GRACE卫星星载GPS观测数据的特点，计算了可视GPS卫星数目，并分析了精密星历（IGS）、快速星历（IGR）、超快速星历（IGU）的特点及其切比雪夫拟合结果。

二、星载GPS观测数据分析

GPS观测值包括地面观测值和星载观测值，RINEX（receiver independent exchange）是目前国际通用的GPS数据交换格式，CHAMP、GRACE两种低轨卫星用于事后处理的观测数据文件分别采用2.10、2.20版本的RINEX格式。地面和星载GPS观测数据如图1、图2所示。

图1 地面GPS观测数据示例

图2 GRACE星载GPS观测数据示例

1.星载GPS观测数据特点

结合产品用户手册［2-4］，将星载GPS观测数据与常规地面双频P码数据对比，可以得出星载GPS观测数据具有以下特点:

1）GRACE星载GPS观测文件命名方式为:PRDID_YYYY-MM-DD_S_RL.EXT，依次对应产品标识项、年、月、日、GRACE卫星标识符、数据产品版本号、文件扩展名。如 GA-OG-1B-GPSDAT+JPLGPS1B_2010-09-01_A_01.dat，表示 2010年 9月 1日GRACE A的01版本、二进制格式的星载GPS观测数据。而地面GPS观测文件命名方式为:ssssdddn.yyt，依次对应4位测站名、观测时间的3位年积日、测站观测当天测段序列号、2位表示的年及文件种类。如dlft0010.08d，表示dlft站2008年第001个年积日的压缩RINEX格式，测段号为1。JPL给出的GRACE Level1B星载GPS观测数据（*.dat）是二进制格式的，需利用GPS1X2RNX软件转换为RINEX格式（*.rnx）；常规地面GPS观测数据给出的是压缩RINEX格式（*.YYd），需利用CRX2RNX软件转换为标准RINEX格式（*.YYo）；GFZ给出的CHAMP星载GPS观测数据是RINEX格式，无需进行转换，如CH-OG-1-SST+2010_244_00_R.9.rnx。

2）目前，CHAMP、GRACE卫星只搭载了 GPS接收机，因而只有GPS观测值；而地面站除GPS观测数据外，还有GLONASS数据，如图1所示。其中，GPS卫星用G表示，GLONASS卫星用R表示，若还包含Galileo卫星，则用E表示。

3）星载GPS观测值与常规地面GPS观测值一样具有（L1 L2 C1 P1 P2 S1 S2）7个观测值类型，但这里L1指的是CA通道上的载波相位观测值。此外，还多了（LP1 SA）两个观测值类型，LP1指L1上的相位观测值，SA指CA通道的信噪比（signal to noise ratio，SNR）。对于常规地面观测值，原始信号强度sn_raw的单位是dBHz，RINEX信号强度标识sn_rnx为0～9，它们的转换关系是sn_rnx=min（max（int（sn_raw/6），1），9）。对于星载GPS观测值，原始信号强度的单位是V/V（Volts/Volts），RINEX信号强度标识sn_rnx为0～9，二者之间的对应关系为

4）CHAMP星载GPS观测数据中没有失锁标识符（loss of lock indicator，LLI）和反欺骗（antispoofing，AS）标识，也没有信号强度标识。GRACE星载GPS观测数据有LLI标识和信号强度标识。

5）CHAMP星载GPS观测数据和GRACE Level 1 B星载GPS观测数据采样率为10 s，常规地面GPS观测数据则有30 s采样率、10 s采样率及1 s采样率。

2.星载GPS卫星可视性分析

地面上利用GPS定位必须至少观测4颗GPS卫星［5］，低轨卫星上利用GPS定轨也必须满足这一条件。文中选取10 s采样率的实际观测数据，计算了一天时间内的卫星可视性状况。

图3是2010年9月1日全天可视卫星数目变化，历元间隔10 s。

图3 24 h星载GPS可视卫星数目变化

由图3可以看出，星载GPS可视卫星数目范围集中在4到10颗，且大多数时间可以保证至少6颗卫星可视，这完全可以满足GPS定位的需要。笔者也对其他日期的数据进行了计算，结果类似。由图3还可以看出，GRACE A观测的GPS卫星数目最多，GRACE B次之，CHAMP最少。此外，GRACE B出现了可视GPS卫星只有一颗的历元，这一时刻可以采用轨道拟合或自主定轨的方式进行弥补。

三、星载GPS精密星历分析

目前IGS中心（ftp:∥igs.ensg.ign.fr）向全球用户提供3种星历类型:精密星历（IGS）、快速星历（IGR）、超快速星历（IGU），其相关信息见表 1［6］。几何法定轨依赖于高精度的GPS卫星轨道和钟差，有了这两个参数，这一方法将变得非常简单、可靠。IGS超快速产品的开发和精度进一步提高，可用于低轨卫星实时或近实时定轨，极大地满足了诸如卫星导航和近实时大气监测等任务的需要［7-8］。

表1 IGS提供的GPS卫星星历和钟差产品（2009年更新）

IGS精密星历用SP3格式给出了15 min等间隔点上的卫星位置和卫星钟差，卫星轨道属于ITRF参考框架。轨道精度由高到低依次为IGS星历、IGR星历、IGU星历；实时性则恰好相反［9］。而星载GPS观测数据的采样间隔为10 s，因而要通过插值的方式将精密星历进行处理。研究表明，采用10阶切比雪夫拟合的方法可以获取精度较高的IGS精密星历［10］。文中采用10阶切比雪夫拟合的方法对2010年9月1日全天的IGR、IGU星历进行了拟合，并与IGS最终星历进行比较，结果如图4～图7所示，其中历元间隔15 min。

图4 IGR精密星历拟合结果

图5 IGU预报星历拟合结果

图6 IGU精密星历拟合结果

图7 重组的IGU精密星历拟合结果

由图4可以看出，10阶切比雪夫拟合后的IGR星历 x、y、z 3个方向与 IGS最终星历的残差在2.5 cm以内，且大部分时间拟合残差小于1.5 cm，全天的拟合残差随机震荡，x、y、z 3个方向精度没有明显差异。

IGU星历每天发布4次，间隔6 h，每个星历文件轨道弧长48 h，前24 h是基于跟踪站的观测值计算得到的精密星历，而后24 h星历则是外推预报得到的预推星历，预报星历带有标识符“P”，如图8所示。同一时段可以利用的IGU星历不是唯一的，因而应用起来更灵活，可以根据需要在实时性与精度之间选择。

图8 超快速星历

首先利用2010年9月1日前一天发布的最早预报星历进行拟合，结果如图5所示。IGU预报星历拟合残差在50 cm以内，这超过了广播星历的100 cm［6］的精度，可以利用其对基线进行解算，初步获得点坐标。此外，拟合预报星历在前6 h精度较高，但随着时间的推移误差呈增大趋势，特别是最后6 h急剧增大，这也体现了预报星历时刻越远精度越差的特性。

再利用2010年9月1日03:00:00发布的IGU星历中前24 h的精密星历进行拟合，结果如图6所示。IGU精密星历拟合残差在6 cm以内，前6 h拟合精度最高，不超过1 cm，随着时间的推移拟合残差呈增大趋势，这也与星历本身的精度变化一致。

然后利用2010年9月1日发布的4个IGU星历文件中的前6 h进行组合，得到2010年9月1日全天的精密星历，对其进行拟合，结果如图7所示。组合IGU精密星历拟合残差在1.5 cm以内，且大多数时间不超过1 cm。此外，在文件组合历元残差发生跳变，说明利用一天发布的这4个IGU星历对精度不断进行修正，从而避免了图6中出现的残差增大趋势。

图5～图7的切比雪夫拟合结果显示，IGU星历x、y、z 3个方向与IGS最终星历的残差均在厘米级，且与星历本身精度变化相符，这也从另一个方面说明了拟合方法的有效性。实际应用中，当对星历精度要求不是特别严格，希望获得实时结果，或者暂时不能获得IGS最终星历时，可以利用IGU星历代替最终星历，以满足低轨卫星定轨的需要。

四、结束语

星载GPS观测数据及GPS星历质量直接决定了利用星载GPS进行定轨的精度。本文研究表明，星载GPS实际可视卫星数目大部分时间超过4颗，能够满足定位需要；IGS中心发布的IGR、IGU星历经过10阶切比雪夫拟合后精度保持在厘米级；最终星历精度最高，但时延较长，而超快速星历可实时获得，且拟合后精度可以满足低轨卫星实时轨道确定的要求。在实际应用中，可以根据具体需要选择IGS、IGR或者IGU星历。本文只是针对观测数据和星历本身进行分析，没有具体应用到定位定轨中，如何更好地应用这些数据进行低轨卫星定轨是下一步需要研究的重点。

［1］ THOMAS Y P，WILLIAM M G，THDENTON C L.GPS-based Satellite Tracking System for Precise Positioning［J］.IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing，1985，GE-23（4）:450-457.

［2］ GURTNER W.RINEX:The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10 ［EB/OL］.2007-12-10［2011-10-10］. ftp:∥ ftp.unibe.ch/aiub/rinex/rinex210.txt.

［3］ KÖHLER W.RINEX Format Observable Extensions for CHAMP SST Data［EB/OL］.2001-06-26［2011-11-18］.http:∥op.gfz-potsdam.de/champ/docs_CHAMP/CHRINEX-EXT.html.

［4］ CASE K，KRUIZINGA G，WU S C.GRACE Level 1B Data Product User Handbook ［EB/OL］.2010-03-24［2011-11-18］.http:∥isdc.gfz-potsdam.de/grace.

［5］ 党亚民，秘金钟，成英燕.全球导航卫星系统原理与应用［M］.北京:测绘出版社，2007:95-96.

［6］ IGS Products［EB/OL］.2009-07-18［2011-10-08］.http:∥igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html.

［7］ 易重海，陈永奇，朱建军，等.一种基于IGS超快星历的区域性实时精密单点定位方法［J］.测绘学报，2011，40（2）:226-231.

［8］ 吴江飞.星载GPS卫星定轨中若干问题的研究［D］.上海:中国科学院上海天文台，2006:2-3.

［9］ 程新民.IGS超快速星历精密轨道精度分析［J］.山西建筑，2007，33（19）:357-358.

［10］ 杨霞，党亚民，成英燕，等.GNSS多卫星系统数据预处理方法研究［J］.大地测量与地球动力学，2009，29（1）:101-105.