论文推荐|王宁波：GPS民用广播星历中ISC参数精度分析及其对导航定位的影响

    2005年起发射的GPS Block IIR-M卫星在L2频率上新增了L2C民用信号，2010年起发射的Block IIF卫星新增了L5频率及L5I、L5Q两种民用信号。为此，GPS民用广播星历在原有时间群延迟（TGD）参数的基础上，新增了ISC_C/A、ISC_L2C、ISC_L5I及ISC_L5Q 4种ISC（inter-signal correction）参数，以服务GPS实时导航定位用户。本文给出了ISC参数在GPS单/双频定位中的改正方法、利用不同机构提供的后处理差分码偏差（DCB）产品评估了ISC参数的实际精度、研究了ISC参数对GPS民用导航定位精度的影响。在明确TGD、ISC和DCB 3类参数之间区别与联系的基础上，本文研究表明：GPS广播的ISC_C/A参数精度可达0.2 ns，TGD、ISC_L2C及ISC_L5Q参数精度可达0.5 ns；以2014年连续11 d全球12个MGEX（multi-GNSS experiment）站为例，经由ISC参数改正后，GPS L2C单频标准单点定位（SPP）的位置解精度提高了30.6%，L1C/A+L2C双频SPP的位置解精度提高了12.2%，该精度与L1P（Y）+L2P（Y）消电离层组合SPP的位置解精度相当。

不同类型的导航信号在卫星和接收机不同通道产生的时间延迟(或硬件延迟)并不完全一致，由此产生的两类导航信号之间的时延差异称为差分码偏差(differential code bias, DCB)^[]。其中，同一频率不同类型测距信号之间的DCB称为频内偏差，不同频率不同类型测距信号之间的DCB称为频间偏差^[-]。卫星和接收机DCB是GNSS(global navigation satellite system)电离层总电子含量(total electron content, TEC)计算必须扣除的误差^[-]。同时，由于GNSS卫星钟差参数基准通常定义在某一个指定观测量(如BDS B3I)或某两个频率的消电离层组合观测量(如GPS(P1+P2)与Galileo(E1+E5a))上，使用不同于钟差参数基准的观测量时，需引入DCB参数进行卫星硬件时延偏差改正^[]。

常用的DCB产品可以为两类：一类是IGS(International GNSS Service)提供的高精度后处理产品，另一类是GNSS广播星历实时播发的时间群延迟(timing group delay, TGD)或广播群延迟(broadcast group delay, BGD)参数。IGS提供DCB产品的机构包括以欧洲定轨中心(CODE)为代表的电离层工作组和以德国宇航中心(DLR)为代表的MGEX(multi-GNSS experiment)工作组^[-]。CODE基于全球分布的IGS基准站采用电离层TEC建模的方式同步处理得到GPS及GLONASS的DCB参数，而DLR基于MGEX观测数据直接采用全球电离层格网(global ionospheric map, GIM)扣除电离层TEC影响，进而估计得到GPS、GLONASS、BDS及Galileo的DCB参数^[, ]。GPS、BDS及Galileo广播星历中均播发TGD参数，但各导航系统TGD参数的含义并不相同。BDS播发的TGD参数(包括TGD₁和TGD₂)本质上是B1B3和B1B2频点间的DCB参数，而GPS播发的TGD参数和Galileo播发的BGD(包括BGD_{E1, E5a}和BGD_{E1, E5b})参数与DCB之间存在一个与频率有关的转换因子^[-]。与IGS提供的DCB产品相比，TGD参数精度不高且更新频次较低(如GPS TGD参数平均每4个月更新一次^[])。但由于TGD参数能够通过广播星历实时获取，因而能够满足GNSS单/双频导航用户定位的DCB改正需求。

随着GPS的现代化，2005年起发射的GPS Block IIR-M卫星在L2频率上增加了L2C民用信号，2010年起发射的GPS Block IIF卫星新增了L5频率以及L5I5、L5Q5两种民用信号^[]。GPS广播星历的卫星钟差参数以L1P(Y)和L2P(Y)消电离层组合为参考基准，因此单独或联合采用4种民用信号(包括L1C/A、L2C、L5I5及L5Q5)实施标准单点定位(standard point positioning, SPP)时，需要将DCB作为一类改正信息。对GPS导航用户而言，除已有的TGD参数外，民用导航(civil navigation, CNAV)星历中新增了4种ISC(inter-signal correction)参数。目前针对ISC参数使用方法、精度分析及其对GPS导航定位影响的研究较少，文献[]介绍了ISC参数的使用方法，文献[]基于CODE及DLR提供的DCB产品初步分析了ISC参数的精度。本文在文献[]研究的基础上，首先给出并讨论了ISC参数的含义及其在GPS导航定位中的使用方法，进而利用不同机构提供的后处理DCB产品评估了ISC参数的实际精度，最后基于MGEX部分监测站观测数据分析了ISC参数对GPS导航用户单/双频定位精度的影响。

GPS在L1C/A、L2C、L5I5及L5Q5民用信号上相对于L1P(Y)分别定义了一个ISC参数，即ISC_C/A、ISC_L2C、ISC_L5I及ISC_L5Q。GPS卫星TGD及ISC参数的定义如下^[]

 (1)

式中，τ_L1P(Y)和τ_L2P(Y)为L1P(Y)和L2P(Y)信号在卫星端的硬件延迟；τ_L1CA、τ_L2C、τ_L5I5及τ_L5Q5分别为L1C/A、L2C、L5I5及L5Q5信号在卫星端的硬件延迟；γ_{1, 2}=f₁²/f₂²，f₁和f₂分别为GPS L₁和L₂信号上的频率。可以看出，ISC参数本质上也是DCB参数。其中，ISC_C/A是L1P(Y)与L1C/A信号间的频内偏差参数，ISC_L2C、ISC_L5I及ISC_L5Q分别是L1P(Y)与L2C、L5I5、L5Q5信号间的频间偏差参数。TGD也可以看作是L2P(Y)信号上的ISC参数，不过要乘一个与频率有关的常数进行转换。

 试验方案

选取2014年连续11 d(DOY 300-310)12个MGEX站观测数据、采用单频SPP及双频消电离层组合SPP分析ISC参数对GPS民用导航用户定位精度的影响。试验期间电离层活动较为剧烈：太阳活动指数F10.7在120~188 sfu之间变化，第300及308天的Kp指数大于4。MGEX测试站分布如所示，接收机类型为Septentrio PolaRx4/4TR，能够输出的GPS码观测类型包括C1C、C1W、C2W、C2L及C5Q 5类。以GPS静态精密单点定位(precise point positioning, PPP)的单天解作为坐标参考“真值”，基于动态SPP估计测站坐标及接收机钟差参数。SPP数据处理中，观测数据采样率为60 s，卫星截止高度角为100，卫星轨道及钟差采用广播星历的轨道及钟差参数，对流层误差采用UNB 3 m模型改正^[]，单频SPP中电离层误差采用GPS广播星历发播的Klobuchar模型改正。

图 5 MGEX试验网测试站分布

     给出了5种不同的SPP定位试验方案。设计这5种试验方案目的有3点：①通过分析C2L观测量采用与不采用ISC参数改正后的位置解精度，分析ISC参数对GPS单频SPP定位的影响。②通过分析C1C+C2L(即L1C/A+L2C)消电离层组合采用与不采用ISC参数改正后的位置解精度，分析ISC参数对GPS双频SPP定位的影响。③通过对比C1C+C2L与C1W+C2W [即L1P(Y)+L2P(Y)]消电离层组合SPP精度，分析GPS普通用户与授权用户定位精度的差异。需要说明的是，利用C1W和C2W进行定位时仅考虑了试验期间能够同时播发L2C民用信号的13颗GPS卫星。

表 3 不同的定位试验方案

定位模式	观测量	ISC改正	说明
单频SPP	C2L	否	non_corr：不采用ISC改正
C2L	是	ISC_corr：采用ISC改正
双频SPP	C1C+C2L	否	non_corr：不采用ISC改正
C1C+C2L	是	ISC_corr：采用ISC改正
C1W+C2W

     结果分析

以欧洲地区的VILL站为例，给出了该站2014年DOY 300-310 d C2L单频SPP的定位误差分布，从左至右3幅子图分别对应N、E、U 3个方向的误差分布。可以看出，采用ISC参数改正后，单频SPP的定位误差明显减小。未采用ISC参数改正时，N、E、U 3个方向误差的均值分别为-0.11 m、-1.90 m及-1.08 m，标准差分别为4.54 m、4.56 m及6.34 m；采用ISC参数改正后，N、E、U 3个方向误差的均值分别为-1.07 m、0.15 m及-0.65 m，标准差分别为2.07 m、1.54 m及4.35 m。采用ISC参数改正后，N、E、U 3个方向的定位精度分别提高了2.34 m、3.69 m及2.05 m。

图 6 VILL站C2L单频SPP N、E、U方向定位误差分布(2014年DOY 300-310)

给出了该站2014年DOY 300-310 d C1C+C2L双频SPP的定位误差分布。从图中可以看出，VILL站东方向定位误差最小(-4.0~4.0 m)，高程方向定位误差最大(-12.0~12.0 m)。具体而言，未采用ISC参数改正时，N、E、U 3个方向误差的均值分别为-0.23 m、0.59 m及-0.06 m，标准差分别为2.97 m、1.34 m及3.89 m；采用ISC参数改正后，N、E、U 3个方向误差的均值分别为-0.04 m、0.29 m及-0.47 m，标准差分别为1.69 m、1.25 m及3.06 m。采用ISC参数改正后，VILL站N、E、U 3个方向的定位精度分别提高了0.34 m、0.17 m及0.66 m。

图 7 VILL站C1C+C2L双频SPP N、E、U方向定位误差分布(2014年DOY 300-310)

针对GPS民用导航星历中新增的ISC_C/A、ISC_L2C、ISC_L5I和ISC_L5Q 4种ISC参数，本文给出了GPS ISC参数的含义及其在GPS标准单点定位中的使用方法，利用不同机构(包括IGG、DLR及CODE)提供的后处理DCB产品评估了GPS广播的TGD及ISC参数的实际精度，深入分析了ISC参数对GPS导航用户单/双频定位精度的影响。结果表明：

(1) GPS广播的卫星钟差参数由L1P(Y)和L2P(Y)消电离层组合计算得到，单独或联合采用民用信号实施SPP时，需同时引入TGD及ISC参数作为改正信息。

(2) ISC参数更新频次较有规律，2014年4月至2015年4月期间，各卫星ISC参数在2014年6月及2015年2月分别更新了一次。

(3) TGD及ISC参数与不同机构后处理DCB产品的比较结果略有差异，总体而言，ISC_C/A参数精度可以达到0.2 ns，TGD、ISC_L2C及ISC_L5Q参数精度能够达到0.5 ns。

(4) 同一类型GPS卫星TGD与ISC参数之间的差异较小，不同类型卫星TGD与ISC参数之间的差异较大，TGD及ISC参数对GPS定位影响不能忽略。

(5) 经由TGD及ISC参数改正后，GPS民用导航信号L2C单频SPP精度提升显著，L1C/A+L2C双频SPP精度与L1P(Y)+ L2P(Y)消电离层组合的定位精度相当。

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王宁波^1,3, 袁运斌¹, 张宝成¹, 李子申²     

1. 中国科学院测量与地球物理研究所大地测量与地球动力学国家重点实验室，湖北 武汉 430077 ;
2. 中国科学院光电研究院，北京 100094 ;
3. 中国科学院大学，北京 100049

收稿日期：2015-11-17； 修回日期：2016-06-07

基金项目：国家自然科学基金（41231064；41304034；41574033；41321063）；北京市自然科学基金（4144094）

第一作者简介：王宁波（1987-），男，博士生，研究方向为多模GNSS差分码偏差处理及电离层TEC建模。

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