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BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析

赵立谦 胡小工 周善石 唐成盼 杨宇飞

赵立谦, 胡小工, 周善石, 唐成盼, 杨宇飞. BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
引用本文: 赵立谦, 胡小工, 周善石, 唐成盼, 杨宇飞. BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
ZHAO Liqian, HU Xiaogong, ZHOU Shanshi, TANG Chengpan, YANG Yufei. Determination of BDS Monitoring Stations Coordinates and Its Influence on Orbit Determination Accuracy[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
Citation: ZHAO Liqian, HU Xiaogong, ZHOU Shanshi, TANG Chengpan, YANG Yufei. Determination of BDS Monitoring Stations Coordinates and Its Influence on Orbit Determination Accuracy[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468

BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析

doi: 10.13203/j.whugis20180468
基金项目: 

国家自然科学基金 41574029

国家自然科学基金 41804030

详细信息
    作者简介:

    赵立谦,博士生,主要从事GNSS数据处理理论与方法研究。zhaoliqian@shao.ac.cn

  • 中图分类号: P228

Determination of BDS Monitoring Stations Coordinates and Its Influence on Orbit Determination Accuracy

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41574029

The National Natural Science Foundation of China 41804030

More Information
    Author Bio:

    ZHAO Liqian, PhD candidate, specializes in the theories and methods of GNSS data processing. E-mail: zhaoliqian@shao.ac.cn

  • 摘要: 对北斗监测站(框架点)坐标的计算方法进行探讨,提出精密单点定位和联合MGEX数据网解两种处理方案确定北斗地面监测网各站在国际地球参考架下的精密坐标。利用北斗观测数据对两种方案进行验证,特别分析了地面监测网各站坐标精化对北斗导航卫星区域网定轨精度的提升。初步计算结果表明:精密单点定位处理方案得到的各地面监测站坐标水平和高程的重复性分别为2.3 cm和3.4 cm,联合MGEX北斗数据网解处理方案得到的坐标水平和高程重复性分别为0.8 cm和2.2 cm。利用网解方案对监测站坐标进行更新后:IGSO(inclined geosynchronous orbit)卫星3D重叠弧段精度平均提升15.4%,MEO(medium earth orbit)卫星3D重叠弧段精度平均提升25.8%;北斗二号卫星平均激光检核残差由0.39 m降至0.24 m,平均精度提升38%;北斗三号卫星平均激光检核残差由0.25 m降至0.18 m,平均精度提升28%。
  • 图  1  PPP多天解算结果重复性

    Figure  1.  Repeatability of PPP Results

    图  2  联合MGEX精密网解多天解算结果重复性

    Figure  2.  Repeatability of Net-Solution Results

    图  3  坐标更新前后各弧段定轨残差

    Figure  3.  Code (Left) and Phase (Right) Residuals of Each Arc Before and After Coordinate Refinement

    图  4  坐标更新前后各星重叠弧段三维轨道互差

    Figure  4.  Satellite Overlap Comparison in the 3D Direction Before and After Coordinates Refinement

    图  5  站坐标更新之前(红色)和之后(蓝色)C01、C08、C29 3颗卫星轨道激光检核残差点

    Figure  5.  SLR Residuals Points Before and After Coordinates Refinement of C01, C08 and C29

    表  1  各星重叠弧段轨道互差情况统计/m

    Table  1.   The Statistic Results of Overlapping Orbit Difference/m

    卫星号 径向 切向 法向 三维
    更新前 更新后 更新前 更新后 更新前 更新后 更新前 更新后
    C01 0.217 0.192 1.288 1.442 0.955 0.859 1.618 1.689
    C03 0.205 0.171 0.958 0.993 0.807 0.708 1.269 1.231
    C06 0.215 0.139 0.839 0.658 0.652 0.597 1.084 0.899
    C07 0.180 0.157 1.012 0.780 0.665 0.527 1.224 0.954
    C08 0.247 0.193 1.011 0.768 0.812 0.588 1.320 0.986
    C09 0.264 0.226 1.040 0.928 0.695 0.618 1.278 1.138
    C10 0.216 0.232 0.979 0.945 0.744 0.754 1.248 1.231
    C27 0.367 0.263 1.887 1.195 0.584 0.542 2.009 1.338
    C28 0.386 0.283 1.735 1.493 0.691 0.538 1.907 1.612
    C29 0.326 0.216 1.778 1.273 0.584 0.385 1.900 1.347
    C30 0.340 0.266 1.458 1.214 0.555 0.492 1.597 1.337
    C31 0.212 0.202 0.977 0.963 0.632 0.647 1.183 1.178
    C32 0.199 0.186 1.148 0.845 0.646 0.582 1.332 1.043
    C33 0.367 0.194 1.795 0.978 0.847 0.643 2.018 1.186
    C34 0.317 0.205 1.513 0.940 0.495 0.392 1.623 1.039
    C36 0.349 0.230 1.192 0.803 0.641 0.451 1.398 0.949
    C37 0.228 0.184 0.832 0.726 0.535 0.450 1.015 0.874
    C38 0.344 0.212 1.221 0.710 0.579 0.415 1.394 0.849
    C39 0.257 0.204 1.067 0.872 0.501 0.466 1.206 1.010
    下载: 导出CSV

    表  2  激光数据可用性情况

    Table  2.   The SLR Data Availability

    类型 卫星 总数据量 有效数据量 剔除率/%
    北斗二号 C01 57 52 8.77
    C08 82 75 8.54
    C10 161 158 1.86
    北斗三号 C29 67 66 1.49
    C30 80 75 6.25
    C37 125 123 1.60
    C38 59 55 6.78
    总计 631 604 4.28
    下载: 导出CSV

    表  3  坐标更新前后定轨结果的激光残差RMS

    Table  3.   RMS of SLR Residuals Before and After Coordinates Refinement

    卫星号 更新前/m 更新后/m 精度提升/%
    C01 0.37 0.24 35
    C08 0.39 0.23 41
    C10 0.42 0.25 40
    C29 0.29 0.13 55
    C30 0.18 0.13 28
    C37 0.29 0.26 10
    C38 0.25 0.21 16
    平均 0.31 0.21 32
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-28
  • 刊出日期:  2020-10-05

BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析

doi: 10.13203/j.whugis20180468
    基金项目:

    国家自然科学基金 41574029

    国家自然科学基金 41804030

    作者简介:

    赵立谦,博士生,主要从事GNSS数据处理理论与方法研究。zhaoliqian@shao.ac.cn

  • 中图分类号: P228

摘要: 对北斗监测站(框架点)坐标的计算方法进行探讨,提出精密单点定位和联合MGEX数据网解两种处理方案确定北斗地面监测网各站在国际地球参考架下的精密坐标。利用北斗观测数据对两种方案进行验证,特别分析了地面监测网各站坐标精化对北斗导航卫星区域网定轨精度的提升。初步计算结果表明:精密单点定位处理方案得到的各地面监测站坐标水平和高程的重复性分别为2.3 cm和3.4 cm,联合MGEX北斗数据网解处理方案得到的坐标水平和高程重复性分别为0.8 cm和2.2 cm。利用网解方案对监测站坐标进行更新后:IGSO(inclined geosynchronous orbit)卫星3D重叠弧段精度平均提升15.4%,MEO(medium earth orbit)卫星3D重叠弧段精度平均提升25.8%;北斗二号卫星平均激光检核残差由0.39 m降至0.24 m,平均精度提升38%;北斗三号卫星平均激光检核残差由0.25 m降至0.18 m,平均精度提升28%。

English Abstract

赵立谦, 胡小工, 周善石, 唐成盼, 杨宇飞. BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
引用本文: 赵立谦, 胡小工, 周善石, 唐成盼, 杨宇飞. BDS监测站坐标确定及对定轨精度的影响分析[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
ZHAO Liqian, HU Xiaogong, ZHOU Shanshi, TANG Chengpan, YANG Yufei. Determination of BDS Monitoring Stations Coordinates and Its Influence on Orbit Determination Accuracy[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
Citation: ZHAO Liqian, HU Xiaogong, ZHOU Shanshi, TANG Chengpan, YANG Yufei. Determination of BDS Monitoring Stations Coordinates and Its Influence on Orbit Determination Accuracy[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(10): 1501-1507. doi: 10.13203/j.whugis20180468
  • 自大地测量技术进入空间时代以来,地球参考系获得了突飞猛进的发展。特别是20世纪80年代以来,在国际大地测量协会(International Association of Geodesy,IAG)的指导下,国际地球自转服务局(International Earth Rotation Service,IERS)利用多种空间技术建立了国际地球参考系(international terrestrial reference system,ITRS)和国际地球参考架(international terrestrial reference frame,ITRF)[1]。作为ITRS的实现,ITRF是目前国际上应用最广泛、精度最高、稳定性最好的全球参考框架,其由一组地球表面的点的坐标与速度实现[2-3]。卫星导航系统坐标系的定义包括原点、尺度、定向及演化以及椭球常数,卫星导航系统坐标系的实现由该系统地面监测站在参考历元的坐标和速度来体现[4]。国际上各大卫星导航系统都有自己的坐标参考框架,如美国GPS(global positioning system)采用WGS-84(world geodetic system-1984),俄罗斯GLONASS(global navigation satellite system)采用PZ-90,欧洲Galileo采用GTRF(Galileo terrestrial reference frame),中国的北斗卫星导航系统采用的是CGCS2000(China geodetic coordinate system 2000)。上述这些参考框架本质上都是地球参考框架,其定义均与ITRS一致,但是所采用的椭球参数存在微小差异,它们的具体实现主要依靠卫星导航系统的观测数据。WGS-84最初是由全球分布的10个监测站的坐标来实现,这些监测站坐标由子午仪卫星导航系统(transit navigation satellite system,TRANSIT)多普勒观测确定,后来随着GPS技术的发展与完善,依靠GPS观测进行了多次精化与更新;PZ-90最初是由利用Geo-IK卫星和Etalon卫星的观测数据解算得到的26个监测站坐标实现,后续主要依赖GPS/GLONASS的观测数据进行更新;GTRF建立时伽利略系统的导航卫星还未发射升空,因此GTRF最初是由GPS观测数据确定的几十个IGS站和13个Galileo监测站的坐标实现的,随着Galileo卫星的不断升空,GTRF也在进行相应的更新[5]。ITRF能够为GNSS(global navigation satellite system)坐标参考框架的建立与维持提供可靠的基准,同时也作为各导航系统坐标框架的媒介,各GNSS框架通过与ITRF对齐来建立联系,进而为实现GNSS兼容互操作打下基础[6]

    中国的北斗卫星导航系统从“北斗二号”开始使用CGCS2000坐标系,是当时科学性和先进性极强的坐标系[7-9]。但是,随着北斗三号全球组网卫星的陆续发射,北斗导航系统也由亚太区域服务迈向全球服务[10-11],虽然CGCS2000所定义的椭球常数仍将继续被北斗三号系统使用,但是CGCS2000坐标系已经无法满足全球系统的高精度导航定位需求,也不再适合继续作为北斗卫星导航系统的坐标参考框架[12-14],主要原因有以下几点:

    1)北斗导航系统面向全球用户,面向各种导航定位应用,而CGCS2000是中国国家大地坐标系,主要面向国内用户和测地应用。面向对象和应用不同,对坐标系的精度要求不同,且北斗导航系统的坐标参考框架要求具备更高的国际互操作性。

    2)GNSS坐标参考框架的框架点应该包含所服务的卫星导航系统的所有地面监测站点,而中国的CGCS2000框架并没有完全囊括北斗地面监测站,这在一定程度上给北斗地面监测站坐标的确定与精化造成了精度损失。

    3)随着将来北斗卫星导航系统性能的提升、全球用户需求的变化以及国际ITRF框架的发展,北斗坐标系势必要不断精化和更新。CGCS2000虽然也要更新,但周期较长(一般15~20 a),更新起来比较复杂,需要数以千万计参考点的复测,而且涉及面广。相比较而言,北斗坐标系的更新周期比较短,因北斗坐标参考框架的框架点数量仅为几十个,更新起来要简单、容易得多。因此,北斗导航系统采用CGCS2000作为坐标系,不利于北斗参考框架的维持和更新。

    4)从国外来看,现有导航系统的坐标系与国家大地坐标系都是分离的。

    基于此,建立专门服务于北斗卫星导航系统且可以实现与其他导航系统兼容互操作的北斗坐标参考框架具有重要意义,也是大势所趋[15]。本文对北斗坐标参考框架(BeiDou terrestrial reference frame,BTRF)的建立方法进行初步探讨,提出精密单点定位和联合境外MGEX数据进行精密网解两种数据处理方案来获取境内北斗监测站精确坐标。仅依赖北斗观测数据,通过计算验证两种方案的可行性,为今后北斗坐标参考框架的建立提供理论基础和方法支撑。此外,本文利用精密网解方案对境内的北斗监测站进行坐标精化,特别分析了坐标更新后北斗导航卫星区域网定轨精度的提升。

    • 考虑到与其他卫星导航系统的兼容互操作,北斗坐标参考框架应保证与ITRF对齐,其具体实现的基础是坐标精确已知的地面框架点,即北斗地面监测站。目前,中国境内的北斗地面监测站的坐标是利用GPS观测数据,通过与邻近陆态网络基准站的观测数据联合解算得到的。由于北斗系统建设时,相当一部分监测站并未建在稳固的基岩上,因此这些站不可避免会有沉降,且地面沉降不是一个线性、有规律的变化,无法通过速度弥补这种沉降,这就给监测站坐标精度造成损失,影响北斗卫星导航系统服务性能。因此,建立北斗坐标参考框架的首要任务是获取这些监测站的高精度坐标信息,对监测站进行坐标精化更新。

      采用德国地学研究中心研发的EPOS(earth parameter and orbit system)软件,分别利用精密单点定位(precise point positioning,PPP)和联合MGEX北斗数据精密网解两种方法获取框架点(北斗地面监测站)在ITRF下的精确坐标,通过北斗实测数据进行试验,由于大部分MGEX站仅有对北斗二号卫星的跟踪观测,其精密轨道钟差产品中也不包含北斗三号组网星,因此本节实验计算仅利用了北斗二号卫星的观测数据。

    • PPP是指用户利用一台GNSS接收机的载波相位和测码伪距观测值,采用高精度的卫星轨道和钟差产品,并通过模型改正或参数估计的方法精细考虑与卫星端、信号传播路径及接收机端有关误差对定位的影响,实现高精度定位的一种方法[16]。PPP的待估参数包括接收机绝对坐标、接收机钟差、对流层天顶湿延迟改正以及相位模糊度等。

    • 选取中国境内4个北斗监测站,分别位于青岛、襄阳、瑞丽和景洪。监测站北斗观测数据时间跨度为2018年5月16日-29日。

      PPP解算采用单天解。固定北斗导航卫星精密轨道与钟差,轨道与钟差分别采用MGEX 5 min精密轨道产品和30 s精密钟差产品(ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps//products/mgex),其空间框架基准为ITRF2014。选取B1I与B2I两个频点的伪距和相位观测数据进行双频无电离层组合,观测数据采样间隔为30 s,截止高度角设置为10°。估计监测站坐标、接收机钟差、大气与模糊度参数等,其中大气参数每2 h估计一组。选用IERS提供的EOP(earth orientation parameter)参数。为了与卫星轨道产品自洽,卫星天线相位中心偏差使用B1I-B2I双频卫星天线相位中心修正值进行修正(http://mgex.igs.org/IGS_MGEX_Products.php)。

    • 图 1给出了4个北斗地面监测站PPP多天解算得到的坐标值的重复性(标准差,下同)。由图 1中统计结果可以看出,各站水平方向的坐标重复性明显好于高程方向的。其中北方向各站解算重复性均在1 cm之内,平均为0.93 cm;东方向重复性在1.5~2.7 cm之间,平均为2.1 cm,水平方向平均为2.3 cm;高程方向景洪站多天解算重复性最好,为2.8 cm,瑞丽站重复性最差,为4 cm,平均为3.4 cm。

      图  1  PPP多天解算结果重复性

      Figure 1.  Repeatability of PPP Results

    • 本文所采用的精密网解方法是指由多个地面监测站组成观测网,以非差伪距与载波相位观测量进行导航卫星精密定轨,同时求解监测站坐标。导航卫星精密定轨时,需要求解的参数主要包括卫星初轨参数、动力学参数以及测量参数。对于观测数据L (t),其可以作为卫星的状态矢量和测量参数的非线性函数,则精密网解的函数模型简要描述如下:

      $$ \mathit{\boldsymbol{L}}\left( t \right) = G\left( {\mathit{\boldsymbol{y}}\left( t \right), \mathit{\boldsymbol{q}}} \right) $$ (1)

      式中,y(t)为卫星的状态矢量,可以根据卫星初轨和动力学参数利用数值积分的方式得到;q为测量参数,包括对流层延迟参数、相位数据模糊度参数、卫星和测站钟差以及测站坐标。将式(1)线性化后可采用最小二乘求解所有待估参数。

    • 选取同PPP方法相同的观测数据时段和境内北斗监测站。选取同时段的45个全球均匀分布且能接收北斗双频伪距和载波相位观测数据的MGEX观测站,固定其中25个站坐标到ITRF2014框架下,采用单天解的方式解算其他MGEX站和4个境内北斗监测站的精密坐标。选取B1I与B2I两个频点的伪距和相位观测数据进行双频无电离层组合,观测数据采样间隔为30 s,截止高度角设置为10°。除接收机坐标外,还需一并解算BDS(BeiDou navigation satellite system)卫星轨道与钟差、接收机钟差、大气和模糊度参数等。大气参数每2 h估计一组,卫星天线相位中心偏差采用与PPP方法相同的值。

    • 图 2给出了4个北斗地面监测站采用精密网解方法多天解算得到的坐标序列的重复性。由图 2统计结果发现,各站水平方向的坐标重复性好于高程方向,这与PPP方法所得到的结论是一致的。各站水平方向重复性平均为0.8 cm,高程方向平均为2.2 cm。由此可以看出,联合MGEX网解的坐标重复性要优于PPP方法,经过分析,可能的原因如下:①PPP方法是固定GFZ的MGEX事后精密轨道钟差产品解算监测站坐标,而精密网解方法是卫星精密轨道、钟差与监测站坐标联合解算,相比PPP,精密网解方法中导航卫星的轨道和钟差与监测站坐标等估计参数具有更好的自洽性;②BDS事后精密轨道钟差产品虽然也是依靠MGEX全球网观测数据计算生成的,但是参与计算的测站几乎没有位于中国境内的,而在精密网解中,中国境内北斗地面监测站的观测数据对北斗导航卫星轨道、钟差的确定具有很大贡献,这也在一定程度上使得精密网解求得的北斗地面监测站坐标精度好于PPP方法。

      图  2  联合MGEX精密网解多天解算结果重复性

      Figure 2.  Repeatability of Net-Solution Results

    • §1的实验结果初步证明,基于北斗观测数据,PPP和精密网解均可以获得厘米级的监测站点位坐标精度。由于网解得到的坐标重复性好于PPP,因此选择联合MGEX的BDS精密网解方式,对中国境内的10个北斗定轨监测站的坐标进行精化,即用§1.2所提到的精密网解方式解算得到ITRF2014框架下的高精度坐标值,用这些坐标替换更新之前CGCS2000下的原始坐标。分别用坐标更新前和更新后的监测站进行北斗区域网定轨,比较定轨精度。

    • 1) 坐标更新前。

      选取10个中国境内北斗监测站2018年8月4日—26日共22 d的B1I与B3I两个频点的伪距与载波相位观测数据组成双频无电离层组合,进行3 d观测弧段的北斗导航卫星定轨,观测数据采样间隔为60 s,截止高度角设置为10°,监测站坐标固定为未更新前的CGCS2000坐标系下的原始坐标。待估参数包括卫星初轨参数、动力学参数、对流层延迟参数、相位模糊度参数、卫星和测站接收机钟差参数。

      2)坐标更新后。

      利用相同的10个监测站,监测站坐标采用BDS网解更新后的坐标,即ITRF2014下的坐标值,所用数据频点、定轨弧段与定轨策略与坐标更新前相同。

    • 分别统计站坐标更新前后各定轨弧段的伪距相位定轨残差,如图 3所示。蓝色为使用更新前的原始坐标定轨的残差,黄色为使用更新后的坐标定轨的残差。可以看到,监测站坐标更新后,每个定轨弧段的伪距相位残差都有明显降低。统计所有弧段均值,伪距残差平均值由87.2 cm降到84.6 cm,相位残差由1.34 cm降到1.05 cm。说明坐标精化后区域网定轨的内符合精度有一定提升。

      图  3  坐标更新前后各弧段定轨残差

      Figure 3.  Code (Left) and Phase (Right) Residuals of Each Arc Before and After Coordinate Refinement

    • 采用3 d的定轨弧长,相邻两个定轨弧段会有2 d的重叠,分别对站坐标精化更新之前和之后的多个重叠弧段的轨道互差进行统计,得到各星多个重叠弧段轨道互差的平均值,如表 1图 4所示。图 4中,蓝色为站坐标更新前的多个重叠弧段三维轨道互差均值,黄色为坐标更新后的轨道互差均值。根据统计结果,除GEO(geosynchronous earth orbit)卫星C01外,其余全部卫星三维轨道重叠弧段精度均有提升,其中IGSO(inclined geosynchronous orbit)卫星(C06、C07、C08、C09、C10)平均三维轨道互差由1.23 m降低至1.04 m,精度提升15.4%,MEO(medium earth orbit)卫星(C27~C34,C36~C39)平均三维轨道互差由1.55 m降低至1.15 m,精度提升25.8%。

      表 1  各星重叠弧段轨道互差情况统计/m

      Table 1.  The Statistic Results of Overlapping Orbit Difference/m

      卫星号 径向 切向 法向 三维
      更新前 更新后 更新前 更新后 更新前 更新后 更新前 更新后
      C01 0.217 0.192 1.288 1.442 0.955 0.859 1.618 1.689
      C03 0.205 0.171 0.958 0.993 0.807 0.708 1.269 1.231
      C06 0.215 0.139 0.839 0.658 0.652 0.597 1.084 0.899
      C07 0.180 0.157 1.012 0.780 0.665 0.527 1.224 0.954
      C08 0.247 0.193 1.011 0.768 0.812 0.588 1.320 0.986
      C09 0.264 0.226 1.040 0.928 0.695 0.618 1.278 1.138
      C10 0.216 0.232 0.979 0.945 0.744 0.754 1.248 1.231
      C27 0.367 0.263 1.887 1.195 0.584 0.542 2.009 1.338
      C28 0.386 0.283 1.735 1.493 0.691 0.538 1.907 1.612
      C29 0.326 0.216 1.778 1.273 0.584 0.385 1.900 1.347
      C30 0.340 0.266 1.458 1.214 0.555 0.492 1.597 1.337
      C31 0.212 0.202 0.977 0.963 0.632 0.647 1.183 1.178
      C32 0.199 0.186 1.148 0.845 0.646 0.582 1.332 1.043
      C33 0.367 0.194 1.795 0.978 0.847 0.643 2.018 1.186
      C34 0.317 0.205 1.513 0.940 0.495 0.392 1.623 1.039
      C36 0.349 0.230 1.192 0.803 0.641 0.451 1.398 0.949
      C37 0.228 0.184 0.832 0.726 0.535 0.450 1.015 0.874
      C38 0.344 0.212 1.221 0.710 0.579 0.415 1.394 0.849
      C39 0.257 0.204 1.067 0.872 0.501 0.466 1.206 1.010

      图  4  坐标更新前后各星重叠弧段三维轨道互差

      Figure 4.  Satellite Overlap Comparison in the 3D Direction Before and After Coordinates Refinement

    • 卫星激光测距(satellite laser ranging,SLR)直接测量地面站激光波束发射端到卫星激光波束接收端的几何距离。扣除利用模型计算的测站潮汐效应、板块移动、偏心改正、大气延迟、相对论效应和卫星质心修正后,测距精度达到厘米级,是检核卫星轨道径向精度的有效工具。

      采用同时段的SLR观测数据,对坐标精化更新前后的定轨结果进行检核。参与观测的激光检核站共11个,其中5个位于亚太地区,5个位于欧洲地区,1个位于美国。选取北斗二号3颗星C01、C08、C10和北斗三号4颗组网星C29、C30、C37、C38进行检核,激光数据截止高度角为20°,激光残差大于1 m的数据不参与统计,各星激光观测数据可用性情况如表 2所示。

      表 2  激光数据可用性情况

      Table 2.  The SLR Data Availability

      类型 卫星 总数据量 有效数据量 剔除率/%
      北斗二号 C01 57 52 8.77
      C08 82 75 8.54
      C10 161 158 1.86
      北斗三号 C29 67 66 1.49
      C30 80 75 6.25
      C37 125 123 1.60
      C38 59 55 6.78
      总计 631 604 4.28

      因篇幅有限,图 5仅给出C01、C08、C29 3颗卫星的激光检核残差点。参与检核的各星激光残差RMS(root mean square)如表 3所示,从表 3结果可以看出,坐标更新后,各星激光检核精度均提升明显,北斗二号卫星平均激光残差由0.39 m降至0.24 m,精度提升38%,北斗三号组网星平均激光残差由0.25 m降至0.18 m,精度提升28%。

      图  5  站坐标更新之前(红色)和之后(蓝色)C01、C08、C29 3颗卫星轨道激光检核残差点

      Figure 5.  SLR Residuals Points Before and After Coordinates Refinement of C01, C08 and C29

      表 3  坐标更新前后定轨结果的激光残差RMS

      Table 3.  RMS of SLR Residuals Before and After Coordinates Refinement

      卫星号 更新前/m 更新后/m 精度提升/%
      C01 0.37 0.24 35
      C08 0.39 0.23 41
      C10 0.42 0.25 40
      C29 0.29 0.13 55
      C30 0.18 0.13 28
      C37 0.29 0.26 10
      C38 0.25 0.21 16
      平均 0.31 0.21 32
    • 本文对北斗监测站(框架点)坐标的计算方法进行探讨,在仅利用北斗观测数据的前提下,尝试了精密单点定位和精密网解两种方法来获取中国境内框架点高精度坐标。初步计算结果表明:PPP方式得到的点位坐标水平方向重复性为2.3 cm,高程方向为3.4 cm,联合全球MGEX站网解方式得到的点位坐标水平方向重复性优于1 cm,高程方向优于2.2 cm,两种方式均可以获得厘米级精度的北斗框架点坐标,网解方式的精度优于PPP方式。

      在上述结论基础上,利用精密网解方法对中国境内的北斗定轨监测站站坐标进行精化更新,替换北斗监测站原始坐标,对坐标更新前后的区域网定轨精度分别进行评估,评估结果表明:坐标精化后,伪距定轨残差平均值由87.2 cm降到84.6 cm,相位残差由1.34 cm降到1.05 cm;IGSO卫星重叠弧段平均三维轨道互差由1.23 m降低至1.04 m,精度提升15.4%,MEO卫星重叠弧段平均三维轨道互差由1.55 m降低至1.15 m,精度提升25.8%;各星平均激光检核残差由0.31 m降低至0.21 m,精度提升32%。坐标精化后区域网定轨精度明显提升,也将大大提升北斗导航系统空间信号精度。

      本文可以为今后建立北斗坐标参考框架提供理论和方法参考,但由于现阶段是初探性的研究,且观测数据积累有限,因此还不能解算得到速度场信息,要建立高精度的北斗坐标参考框架,必须具有速度场信息,因此获取高精度的速度场信息将是后续研究的关键和重点。

参考文献 (16)

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