ppp-GNSS与IGS产品概述

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0.写在前面

      近期在阅读一本由武汉大学张小红、李星星老师主编的书籍——《GNSS精密单点定位理论方法及其应用》感觉本书写的很不错，所以接下来一段时间的博客基本都是基于本书思路进行撰写的，目的在于分享我阅读完每一章后自己的理解以及让更多的读者学者能够知道这本书的存在，进而去购买与学习（本系列文章均为学习用途，部分知识来源于此书本，但绝无剽窃之意，供对GNSS有兴趣的同伴讨论学习，若在阅读过程中感觉此书确实不错请大家支持一下购买相应书籍，感谢！）

1.GNSS简介

      常被人们所熟知的是GPS-全球定位系统，为子午卫星系统丰富发展而来，刚问世便受到了广泛的关注，其功能强大应用广泛。俄罗斯的GLONASS独具特色（后面会阐述特色在哪里），也提供全球的位置服务，但是由于财政等方面问题，之前卫星数量以及定位精度一直在下降，这几年俄罗斯国防政策重新开始重视GLONASS的发展，卫星补发，精度改正，模型优化一系列措施使得其重振雄风。

      近年来为了打破只有美国和俄罗斯独大的局面，中国（之前常称为COMPASS，象征中国四大发明指南针提供位置服务，由Rtklib源代码即可知。后期因为政策及系统优化改为BDS，北斗寓意更加丰富）、欧盟（Galileo）、日本（QZSS，准天顶卫星系统）、印度（IRNSS）等分别开始研制自己的卫星导航系统。其中中国北斗卫星导航定位系统已完成全球组网，实现了全球的PNT（定位、导航、授时）服务，还拥有短报文通信服务。

      GNSS： 全球卫星导航系统，可向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，在军事与民用的各个领域中发挥着重要的作用。（书上定义）接下来我也会按照书上习惯从星座状态、坐标系统、时间系统、信号特征这四个方面介绍四大GNSS系统的区别与联系。

（1）星座状态：

a.GPS 完整星座由21颗工作卫星和3颗在轨的备用卫星组成，这些卫星分布在6个轨道面上，每个轨道面分布4颗卫星，为保证95%的时间有24颗GPS卫星可用，过去几年来一直在运行31颗GPS卫星可分为实验卫星（Block I）和工作卫星（Block II、Block II A、BLock II R、Block II F等类型）轨道高度为20200km，轨道倾角55度，运行周期11h58min（太阳日）

b.GLONASS 完整星座由24颗工作卫星（GLONASS-M、GLONASS-K）组成，分布在3个轨道倾角为64.8度的轨道上，每个轨道8颗卫星。相邻轨道面的升交点赤经之差为120度。卫星的平均高度为19390km，运行周期为11h15min

c.BDS完整星座由3颗GEO卫星（地球静止轨道卫星）、3颗IGSO（地球倾斜同步轨道卫星）、24颗MEO（中圆轨道卫星）组成。GEO卫星轨道高度35786km，分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度、160度，卫星运行周期为24h;IGSO卫星轨道高度35786km，轨道倾角55度，卫星运行周期24h;MEO卫星分布在3个轨道面上，升交点赤经相差120度，轨道高度为21528km，轨道倾角55度，运行周期约为12h55min23s。

d.Galileo 完整星座由30颗卫星组成（IOV（在轨验证卫星）、FOC（完全运行卫星）），这些卫星均匀的分布在倾角为56度的轨道面上，每个轨道面均分布9颗工作卫星和1颗备用卫星。卫星轨道高度为23222km，卫星运行周期为14h7min。

（书上还有详细的每种卫星类型的伪随机号、国际卫星识别号、北美防空司令部目录、轨道平面、轨道位置、发射日期、开始服务日期的统计表，如有需要请购买书籍进行学习）

（2）坐标系统：

a.GPS: WGS-84（1984世界大地坐标系）
b.GLONASS: PZ-90
c.BDS: CGCS-2000（2000中国大地坐标系）
d.Galileo: GTRF（Galileo地球参考框架）

尽管4个卫星系统采用不同的坐标基准，但是他们的差异仅在几厘米以内，对于米级定位精度的绝对定位，无需进行坐标转换。不过在精密单点定位中，精密轨道产品中4卫星系统的卫星坐标一般均参考“IGSXX”（其中XX代表国际参考框架，如08、14）

（3）时间系统：

a.GPS： GPST（GPS时），它是由GPS主控站利用GPS地面监控系统和GPS卫星中原子钟建立和维持的一种原子时。在1980年1月6日 00:00:00，GPS时与协调世界时UTC（美国海军天文台USNO）对齐，二者相差在1微秒以内。除了这个1微秒的微小差异外，二者还相差n个整秒，这是因为UTC(USNO)存在周期性的跳秒。
b.GLONASS: 采用GLONASS时，也是一种原子时。该系统采用的是UTC（SU），与协调世界时(UTC)之间存在3h的偏差，小数差异部分保持在1ms以内。GLONASS时也存在跳秒，且与UTC保持一致。因此，GPS时与GLONASS时除相差n个跳秒外，还存在一个微小的偏差部分。（特殊之处）
c.BDS： 采用BDT（北斗时），也是一种原子时。在2006年1月1日 00:00:00，BDT与UTC对齐，二者相差在100ns以内，BDT与GPS时存在一个14s的偏差。
d.Galileo: 系统采用Galileo系统时（GST），也是一种原子时。除几十纳秒的偏差外，GST与GPS时几乎相同。

（4）信号特征：

         除GLONASS采用频分多址（FDMA）技术外，GPS、Galileo、BDS系统均采用码分多址（CDMA）技术来识别不同的卫星。因而，各GLONASS卫星均采用不同的频率，而GPS、BDS与Galileo系统各卫星信号频率相同。（书上存在相应的4系统对应的频率分布表）利用广播星历计算卫星位置时，GPS、BDS与Galileo系统均采用开普勒轨道根数及其变化率来求得观测时刻的卫星位置和速度，电文每2h、1h和10min播发一次。而GLONASS则根据30min间隔播发的卫星空间位置以及运动速度信息，采用切比雪夫多项式个拉格朗日多项式等方法来进行拟合和内插，从而获得观测瞬间的卫星位置和速度。（此处便可以看出GLONASS的特殊之处）

（5）系统比较：
在卫星轨道方面，GPS、GLONASS、Galileo系统分别采用6个、3个、3个轨道面，而BDS比较特殊，MEO与IGSO卫星均采用3个轨道面，GEO卫星是定点的，并且GEO与IGSO卫星的轨道高度比MEO卫星高10000多千米；在信号特征方面，GPS、BDS与Galileo系统均采用码分多址技术，广播星历形式的开普勒根数，而GLONASS采用频分多址技术，广播星历形式是位置、速度、加速度；GPS/GLONASS/BDS/Galileo系统均采用个各自不同的坐标系统和时间系统。（书上有4个卫星系统的详细比较表）

2.IGS精密产品概述

（1）IGS组织机构

国际GPS服务是国际大地测量协会（IAG）为支持大地测量与地球动力学研究与1993年组建、1994年开始运转的一个国际协助组织。近年来，随着国际GPS服务范围的不断拓宽，尤其是俄罗斯GLONASS的纳入以及中国得BDS和欧盟Galileo系统的发展，2005年3月14日，正式更名为IGS。目前在全世界范围内已有超过200个组织和机构加入其中，共同提供和分享GNSS数据、产品和服务，以支持高精度的GNSS应用领域。IGS的组织机构包括中央局（包括设在中央局信息系统（CBIS）、管理委员会、卫星跟踪网、数据中心（具体为工作数据中心、区域数据中心和全球数据中心）、分析中心和综合分析中心6个部分）

IGS目前共有12个分析中心（以后下载GNSS产品会经常遇到它们的英文缩写还是要了解一下的，提升自己的专业素养！）

瑞士欧洲定轨中心（CODE）
欧洲空间局（ESA）/欧洲航天局地面控制中心（ESOC）
美国国家大地测量局（NGS）
美国海军天文台（USNO）
加拿大能源矿山与资源部（EMR）
德国地学中心（GFZ）
美国加州的斯克里普斯海洋研究所（SIO）
美国加州的喷气动力实验室（JPL）
麻省理工学院（MIT）
捷克大地天文台（GOP-RIGTC）
法国国家太空研究中心（CNES）空间大地测量团队（GRC）
武汉大学（WU）

（2）GPS精密星历与精密钟差

由于GPS定轨理论和技术的提高、轨道计算模型的日益完善，加上全球跟踪站数目的增多和跟踪站分布的改善，IGS确定GPS卫星轨道的精度有了明显提高。IGS事后精密星历精度由初期的30~40cm提高到现在的优于2.5cm。（书上有IGS各分析中心解算的精密星历与精密钟差IGS最终加权的精密星历、精密钟差的内符合精度随时间的变化可参考）目前IGS提供超快速、快速以及最终3种GPS精密星历。（书上还有其精度指标、滞后性、更新率及采样间隔的表可以参考）

（3）IGS实时精密星历与精密钟差

目前IGS开始逐步提供实时产品服务（RTS），该服务主要提供实时精密钟差、精密轨道以及其他重要的实时产品。这些产品主要是由IGS主要分析中心和一些其他著名卫星导航研究机构通过现有的IGS连续跟踪站和自己的数据处理软件实时估计得到的精密轨道和钟差产品。由于实时产品通过网络实时传输，为减少数据传输量，产品以相对于广播星历的改正系数形式给出，用户可以根据改正系数与广播星历得到改正后的精密钟差和精密星历，我们称这种产品为实时精密轨道和钟差改正数（ROCC，R代表实时Real-Time，O代表轨道Orbit，C代表钟差Clock，C代表改正数Correction）（产品的主要参数书上也有介绍，感兴趣的自行购买书籍进行阅读）

3.MGEX计划

为了应对当前GNSS快速发展的形势，IGS自2012年开始启动了多GNSS实验（MGEX）计划。该计划旨在尽快适应多频多系统卫星信号，并为将来提供全方位的服务做好准备。一方面，MGEX与IGS并行采集、存储IGS核心跟踪站的GNSS观测数据；另一方面，MGEX还致力于GNSS精密产品，如精密卫星轨道和钟差、码偏差改正等产品的生成与发布。

（1）跟踪站网布设

目前已有16个国家的27个机构加入了IGS得到MGEX计划。MGEX跟踪站网的布设是MGEX计划的重要组成部分。自2012年起，与现有的IGS跟踪站网并行建设的MGEX跟踪站网在全球范围已超过120个。（书上有相应跟踪站分布图）所有测站均支持GPS。且绝大多数测站同时支持GLONASS。支持Galileo系统和BDS的跟踪站在全球范围内的数量较多且分布均匀，支持QZSS的跟踪站则主要分布在亚太区域。

（2）数据及产品服务

MGEX数据中心负责日常的跟踪站数据集星历采集、存储与发布。为了支持当前所有卫星系统的所有观测值，MGEX计划中所有数据格式均采用与接收机无关的交换格式（RINEX 3）观测数据及导航电文按天存储与播发，这些数据可以从美国地壳动力学数据信息中心、法国国家地理研究所、德国联邦大地测量局的服务器免费下载，数据采样率为30s，部分测站提供1s采样间隔的数据。除了常规的事后数据外，部分测站还提供实时数据流以满足GNSS多频多系统实时用户的需求，实时数据流采用RTCM 3-MSM格式，可从BKG（德国联邦大地测量局）获取。（书上有不同MGEX分析中心精密卫星轨道与钟差产品概述包括前文提过的CODE、GFZ、WU、ESA以及法国国家太空研究中心（CNES）、德国慕尼黑工业大学（TUM）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA））

从MGEX计划启动至今，已有超过3年的产品可用。因此，利用其开展MGEX精密卫星轨道和钟差产品长时间的评估成为可能。然而，MGEX产品的连续性和滞后性仍然是一个比较突出的问题。例如书中提及ESA仅在2013年和2014年提供了4周左右的产品；CNES的产品曾一度中断长达一年的时间；WU产品的滞后性比较严重（超过两个月）

（3）数据处理策略

CODE和TUM均采用Bernese软件，但版本有所区别。ESA采用NAPEOS 3.8，GFZ采用EPOS.P8，CNES采用POD GINS，JAXA采用MADOCA，WU采用PANDA。观测值形式上，除CODE外，其他分析中心都采用非差模式。双频观测值选择方面，GPS和GLONASS一般采用L1/L2，Galileo系统大多数采用E1/E5a，BDS采用B1/B2，QZSS主要采用L1/L2。少数机构在Galileo系统和QZSS双频观测值选择方面有所差异。采样率方面，从30~15min不等，但大多数是基于5min间隔的观测数据。

a.跟踪站网数据利用方面，除MGEX跟踪站网外，部分机构同时利用了IGS核心站或CONGO的数据。

b.在卫星截止高度角方面,3度-12度不等。

c.观测弧段长度方面，从24h到数天。ESA和CNES均使用1天24h的数据定位，同时该天前后各3h的数据也被利用，以减少轨道产品天与天之间的不一致性。其他分析中心则使用3~7d的轨道弧长。

d.卫星天线相位中心改正方面，GPS和GLONASS卫星端的天线相位中心偏差及其变化可使用IGS08绝对天线相位中心模型改正；对于Galileo系统、BDS和QZSS，可采用MGEX推荐的协议值进行改正。此外，一些分析中心如CODE、GFZ、ESA均采用内部非公开的检校值进行改正。

e.太阳光压方面，绝大多数分析中心采用5参数CODE扩展光压模型（ECOM）。该模型应用于GPS卫星取得了很好的效果，然而，对于一些新的导航卫星系统，如Galileo系统、BDS和QZSS其适用性较差。为此，CNES使用9参数模型；CODE自2015年初也开始采用新的ECOM2。对于QZSS卫星，JAXA采用13参数模型（以上参数均是书中获得，参考了其他文献）

4.产品精度评估方法

此处涉及到该书作者的研究成果，我只介绍方法，实验模型及分析结果请感兴趣的朋友自行购买原书。

（1）一致性检验：通过比较不同分析中心提供产品之间的一致性来反映精密卫星轨道的和钟差产品的质量是一种最为直观的评估方法。

（2）重复性检验：由于相邻的3天弧段轨道存在48h的重叠，因此，可利用其重复弧段的产品分析轨道与钟差产品天与天之间的重叠精度。

（3）激光测卫验证：Galileo系统、BDS和QZSS均搭载了高精度激光测距系统。利用双向激光测距可实现导航卫星的轨道复核。通过比较卫星激光测距值与MGEX轨道计算的距离值，可得到两者之间的互差，通常称位SLR残差。该残差的大小反映了导航卫星径向轨道的精度。精度统计时，将残差超过2m视为粗差。

（4）阿伦方差分析：是度量频率稳定度的重要指标之一，可将其用于评估在轨GNSS卫星钟的性能。计算公式可以上网自己百度。、

以上方法书上均有相应卫星系统的实验验证与结果分析，还附有彩图可供详细研究，感兴趣的一定要买原书过来看看，做的图很严谨很精致，阅读一本好的书籍就是在和作者面对面的交流。