GPS广播轨道和时钟误差的长期变化分析外文翻译资料

 2022-12-07 16:27:10

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GPS广播轨道和时钟误差的长期变化分析

Mingyu Kim, Jeongrae Kim

School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Gyeonggi-do, 412-791, Korea

摘要：在GPS的定位中导航卫星位置和时钟的计算是一个一般的任务，该任务的数据可以从导航消息和IGS精确星历来获得。从2001年至2013年计算的所有GPS卫星以及该组中韩国可见卫星的轨道和时钟误差中，通过与IGS精密星历对比的变化，分析广播轨道和时钟误差。在阴影的条件下，对轨道和时钟误差与GPS卫星的类型和太阳活动和地磁活动相关性进行了分析。这个表明，在阴影条件下增加了3.2％轨道误差。而且，直到2008年，太阳活动和轨道误差有较高的相关性，但在2009年后相关性就降低。

关键词：GPS广播星历 IGS精密星历 SISRE

1、介绍

导航卫星位置和时钟的计算是全球定位系统的一般任务（GPS）也是计算的用户的位置必要条件。此任务需要的数据可以从广播的导航信息得到。卫星轨道可以通过使用卫星轨道的元素被计算并扰动。

用于应该使用由国际GNSS服务协会（IGS）或国家地理空间情报局（NGA）提供的精确星历数据。IGS是一个拥有大约400个站点的公益组织，可以提供GPS和GLONASS的精确星历。IGS的轨道精度小于0.05m。IGS的精确星历可以在15min内获得。

NGA提供基于GPS的精确星历，其精确度也小于0.05米。随着GPS现代化的一部分，28个II / IIA卫星是1989年至1997年间发射的。他们具有L1和L2频率，它们被设计成具有7.5年的寿命。作为第三代卫星系统， IIR卫星是从1997年到2004年发射的第二颗卫星。IIR-M卫星是2005年和2009年之间发射的，使用L5信号，并设计有12年的寿命。

到21世纪初，主要集中在广播星历的精度变化研究中。到了21世纪中期，它们都集中在广播星历表的故障检测和统计中。 GPS广播星历精度由1999年和2000年由兰利等进行分析。Warren and Raquet分析过去十年（1993- 2002年）的GPS广播星历误差的变化。1994-2003年每日和每年的GPS和GLONASS广播轨道误差是由斯塔尔等进行分析的。此外，在阴影条件下，根据GPS模块和星历误差进行分析，对伪距误差的地理变异进行了研究。 Cohenour和Graas讨论了从2005至2012年GPS信号的空间（SIS）故障概率和误差分布。Montenbruck等人分析GPS和GNSS卫星相位中心偏移（PCO）和2013年的卫星广播误差进行了分析。

我们用从2001年到2013年的IGS精密轨道最终作为真正的轨道，并研究广播星历与IGS精确比较分析轨道和时钟误差的变化。功率谱密度（PSD）广播轨道误差的分析也是在同时进行的。GPS轨道和在韩国境内的可见卫星的两个错误的数据计算分析了地理效应。考虑到太阳活动和地磁活动，各定位系统的轨道误差进行了分析了卫星阴影条件的相关性。

2、数据分析

IGS提供卫星坐标是现在卫星的质量中心，相反，广播星历代表的是卫星天线相位中心坐标。卫星天线相位中心是所有卫星天线相位的平均值，从中心到天线相位中心的距离被定义为相位中心偏移。IGS精密星历的用户需要正确的PCO向量。先前的研究用了不一样的PCO值。Langley等人使用了IGS推荐的PCO值一直到2006年11月份。Warren and Raquet在一项研究中应用了唯一的径向PCO。Cohenour and Graas纠正了NGA的精密星历PCO值。Montenbruck 等人为每种类型的GPS卫星调整了PCO值。

在这项研究中，使用了IGS的精密星历和Montenbruck对PCO值得研究成果。轨道误差在该帧表示转换为径向（R）、横向（T），和正常（N）框架。径向表示从地球中心到卫星的矢量，横向表示卫星的运动方向。垂直方向为径向和横向。由于在全球定位系统的时间尺度上的差异，时钟误差不能直接比较，要正确的时钟，合奏时钟误差应计算和适用于每个卫星的时钟误差。在本文中，合奏时钟误差校正是不进行。为了将该到RTN框架，沃伦和cohenour使用ECFF→RTN方向余弦矩阵（DCM），但是montenbruck用ECEF→地心惯性（ECI）→RTN DCM。在空间方位误差信号（sisre）代表的伪距误差所造成的一个加权的轨道和时钟误差。权重因子依赖于卫星高度,约1/7的中地球轨道（MEO）卫星，约1/11的地球同步轨道（GEO）卫星，径向方向和时钟误差的权重因子为0.98，横向和正常方向误差的因子为1/7。

在阴影条件的相关分析中，将轨道误差的条件分为阴影和太阳光。在这项研究中，无论是本影和半影的条件作为一个阴影条件，由于太阳辐射入射角度的变化，在阴影条件下的轨道误差就增加,。

由于广播星历故障损坏了星历和轨道导致时钟误差增加, 卫星轨道控制或卫星状态检查过程中的健康状况很差, 在本文中，所有的GPS卫星都需要进行健康状况检查, 如果健康状况值超过1，则相应的数据被排除。

3、卫星和时钟的误差分析

PRN的12时钟和R，T，N在2013年10月14日轨道误差如图1所示（一）。R，T，N的轨道和时钟误差分别为0.22m，1.51m，0.45m，和1.72m，因为GPS伪距的径向分量的变

化比其他组成部分的变化敏感，径向误差小于其他方向的错误，三维轨道误差和sisre示于图1（b），sisre变化类似于径向和时钟误差的变化是因为它的径向和时钟误差的变化敏感。计算所有从2013年10月14日到23的轨道误差数据，在2.3times;10-5赫兹的PSD值峰，它对应于一个12小时的GPS轨道周期。另外，在7times;10-5赫兹对应的GPS轨道周期的另一

个PSD峰值的1/3。不同的全球定位系统的轨道和时钟误差如表1所示。（Block II和IIA）和（Block IIR）时钟误差之间的差异是从11%提高到20%。BLOCK II / IIA卫星有两铯和铷原子钟，与此相反，Block IIR卫星只有铷原子钟。统计数据证明的Block IIR铷原子钟的频率准确度比BLOCK II / IIA大，并且随着GPS卫星的新一代sisre而减小。

轨道时钟误差和sisre是为了计算韩国的GPS可见卫星和算局部轨道误差，韩国的俯仰角设置为5。sisre分配有40°纬度和经度间隔60°。表2显示全球卫星轨道误差比韩

（a）

(b)

图一2013年10月14日广播轨道和PRN 12时钟误差：(a)RTN的轨道和时钟误差；（b）三维轨道误差和sisre

表一 广播的轨道、时钟误差和sisre RMS的GPS模块类型

Errors

II

IIA

IIR-A

IIR-B

IIR-M

IIF

R(m)

1.31

0.58

0.22

0.33

0.16

0.22

T(m)

6.06

2.68

1.63

1.36

1.26

1.18

N(m)

1.80

1.32

0.88

0.67

0.51

0.37

Clock(m)

2.78

2.67

2.56

2.56

2.52

1.40

3D(M)

6.46

3.04

1.87

1.56

1.37

1.26

SISRE(M)

2.98

2.69

2.38

2.57

2.53

1.40

表二 全球和本地广播的轨道和时钟误差和平方根

Errors

Global

Korea

R(m)

0.50

0.50

T(m)

2.40

2.36

N(m)

1.10

1.10

Clock(m)

2.53

2.52

3D(m)

2.68

2.66

SISRE9(m)

2.56

2.55

国略高，由于在韩国的四个监测站，全球定位系统的定位精度提高，在轨道和时钟误差的差异分别为0.2%，1.7%，0.3%，0.4%。图2（a）显示，从2001到2013年全球每日

RTN轨道误差。图2（b）显示每日的三维轨道和时钟误差变化。三维轨道和时钟平方根误

差分别为2.68m和2.53m，2004年后时钟误差分布增加，一条原因可能是BLOCK II / IIA原子钟的设计寿命结束。此外，在本文中没有应用集成时钟校正。PRNA所有的每日RMS

图二 从2001到2013日常轨道和时钟误差的变化：（a）RTN轨道（b）时钟和3d轨道

图三 日常有效sisre变化

图四 每个分组广播的轨道和时钟误差

SISRE如图3所示。每个卫星PRN和时钟RMS误差如图4所示，看来，因为没有集成时钟校正，每个PRN的钟误差偏都不适用。

4、相关性分析

在阴影条件对三维轨道误差进行了分析，把本影和半影视为阴影下，阴影条件周期为整个周期的1.3%。在阴影中的三维轨道误差是3.2%，高于在阳光下的轨道误差。图5显示的三维轨道误差与F10.7。三维轨道误差分为2组，一个从2001到2008年，另一个是从2009到2013年。三维轨道误差随着太阳强度增加而增加。然而，在2008年的误差水平几乎是不变的的，一个可能的原因是，2009年以来第三代Block IIR和IIF卫星包括GPS卫星星座，三维轨道误差与地磁指数之间有很低的相关性。

图五 三维轨道误差F10.7

5、结论

利用IGS精密最终轨道作为一个真正的轨道，对轨道和时钟的变化进行了长期的分析。计算所有的全球定位系统卫星和在韩国的卫星群的轨道和时钟误差。并对轨道和时钟误差与全球定位系统卫星类型对比进行了分析。轨道误差变化周期与全球定位系统的轨道周期一致。第二代卫星的径向轨道误差约为第三代卫星的约2倍。新一代GPS卫星的时钟误差和sisre与减少，三维轨道误差在全球和韩国之间的差别只有0.02m。相关分析表明，在阴影中的三维轨道误差是3.2%，比那些在阳光下多，因此一直到2008年太阳活动与轨道误差具有很高的相关性，但是在2009它们之间有很低的相关性。

致谢

这项研究是由科学，信息和通信技术和未来规划的空间核心技术发展计划的支持(NRF-2012M1A 3A3A02033484).

参考文献

[1] The IGS introduction. http://igscb.jpl.nasa.gov/overview/viewindex.html.

[2] M. Shaw, GPS Modernization: On the Road to the Future. UN/UAE/US Workshop on GNSS Applications (2011).

[3] R. B. Langley et al., The GPS Broadcast Orbits: An Accuracy Anal

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