| GPS衛星の高精度軌道・時計決定 Precise Orbit/Clock Determination of GPS Satellites |
2005/10/08 | Home |
| 目次 ・搬送波位相観測値を使用したGPS衛星の高精度軌道決定 ・GPS衛星軌道及び時計準リアルタイム推定アルゴリズムの開発及びその評価 ・GPS衛星軌道・時計精度 ・GPS衛星軌道・時計による精密単独測位(PPP)精度 ・推定パラメータによるGPS衛星軌道精度の変化 ・GpsToolsによるGPS軌道推定記録 |
搬送波位相観測値を使用したGPS衛星の高精度軌道決定
Precise Orbit Determination of GPS Satellites
using Carrier Phase Measurements
高須知二, 笠井晶二
Tomoji Takasu, Shoji Kasai
Abstract
For the precise positioning with GPS, it
is necessary to provide accurate satellite
orbit and clock. We have developed a software
package to determine high precision GPS satellite
orbit and clock. In the software, using undifferenced
carrier phase measurements, satellite orbit
and clock are estimated by Extended Kalman
Filter (EKF). For the improvement of the
orbit and clock accuracy, backward filter
and iterated filter can be added to the conventional
1-pass forward filter. In the measurement
model, geometric distance is computed by
light-time iteration synchronized to GPS
Time, corrected by the receiver clock bias.
Ionospheric delay is eliminated by the liner
combination of two frequency carrier phase
measurements. Tropospheric delay is estimated
as ZTD (Zenith Total Delay) and horizontal
gradient parameters using tropospheric mapping
function. Receiver clock, Earth Rotation
Parameters and phase bias are estimated simultaneously.
Additionally, the measurement model contains
precise measurement corrections such as antenna
phase center offsets, phase-windup effect,
relativistic effects and station displacements
by earth tides. Site displacements include
solid earth tides, ocean loading and polar
tides models, computed according to IERS
conventions. The satellite orbit model incorporates
geopotential of JGM-3, gravity correction
by earth tides, third body of sun/moon, eclipse
by earth/moon, relativistic effects and various
GPS-specific SRP (Solar Radiation Pressure)
models. Quality control and outliers' detection
are done using prefit and postfit residuals.
Abnormal satellites and stations are excluded
by statistical check of the residuals.
For the test, using world-wide 40 IGS (International
GPS Service) stations' observation data,
29 GPS satellites' orbit and clock were estimated.
A priori satellite position and clock bias
are obtained from GPS broadcast ephemerides.
Initial tropospheric delay parameters are
acquired by the standard atmosphere model.
Station positions are fixed to the estimated
values by PPP (Precise Point Positioning)
with previous week's IGS final orbit/clock.
Compared with IGS final orbit/clock, estimated
satellite position 3D RMS error was 5.2 cm.
Clock bias RMS error was 0.14 nsec.
GPSによる精密測位のためには高精度のGPS衛星軌道・時計推定値が必要となる。我々はGPS衛星軌道・時計を高精度に決定するためのプログラムパッケージを開発した。このソフトウェアではゼロ差の搬送波位相観測値を使用し拡張カルマンフィルタ(EKF)によりGPS衛星軌道・時計を決定する。決定精度を改善するため通常の1パスforwardフィルタに加えてbackwardフィルタ及びiterationを適用することもできる。観測モデルでは受信機時計誤差を補正しGPS時刻系に同期した光差方程式を解いて幾何距離を算出する。電離層遅延は二周波搬送波位相観測値の線形結合により除去する。対流圏遅延はマッピング関数を使って天頂全遅延(ZTD)及び水平勾配パラメータとして推定する。衛星位置・速度、時計に加え、受信機時計、地球回転パラメータ及び搬送波位相バイアスについてもパラメータとして推定する。観測モデルにはアンテナ位相中心オフセット、phase-windup効果、相対論効果及び地球潮汐による局位置変動の精密補正も含んでいる。衛星運動モデルにはJGM-3地球重力モデル、地球潮汐による重力補正、月・太陽重力、地球・月による食、相対論効果及びGPS衛星独自の精密太陽輻射圧(SRP)モデルを含む。品質管理のためprefit及びpostfit残差によるアウトライア検出を行う他、残差の統計値チェックにより異常衛星・観測局を識別し除外することもできる。試験のため全世界のIGS
(International GPS Service) 観測局40局の観測データを使い、GPS
29衛星の軌道・時計を決定した。衛星軌道・時計の初期値は放送暦を、対流圏遅延の初期値は標準大気モデルを使用した。観測局位置は前週のIGS最終暦を使って精密単独測位
(PPP) 法により決定した座標に固定した。IGS最終暦と比較した衛星位置の3D
RMS誤差は5.2cm、同じく時計バイアスのRMS誤差は0.14nsであった。
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高須知二, 笠井晶二, 搬送波位相観測値を使用したGPS衛星の高精度軌道決定,
平成17年度アストロダイナミクスシンポジウム
(PDF 256KB)
Tomoji Takasu, Shoji Kasai, Precise Orbit
Determination of GPS Satellites using Carrier
Phase Measurements, The 15th Workshop on
JAXA Astro Dynamics and Flight Mechanics,
2005
高須知二, 笠井晶二, 搬送波位相観測値を使用したGPS衛星の高精度軌道決定,
平成17年度アストロダイナミクスシンポジウム(発表資料)
(Power Point 1.50MB)
Tomoji Takasu, Shoji Kasai, Precise Orbit
Determination of GPS Satellites using Carrier
Phase Measurements, The 15th Workshop on
JAXA Astro Dynamics and Flight Mechanics,
2005
GPS衛星軌道・時計推定結果詳細
GPS Satellite Orbit/Clock Estimation Results
GPS衛星軌道及び時計準リアルタイム推定アルゴリズムの開発及びその評価
Development and evaluation of GPS satellite
orbit and clock near-realtime estimation
algorithm
高須知二, 笠井晶二
Tomoji Takasu, Shoji Kasai
Abstract
For the realtime precise positioning by GPS, it is necessary to provide high precision satellite orbit and clock. We have developed a near-realtime algorithm to estimate high precision GPS satellite orbit and clock. In the algorithm, using zero-difference ionosphere-free carrier phase as the basic observable, satellite orbit and clock are estimated by Extended Kalman Filter (EKF). Tropospheric delay, receiver clock, ERP and phase bias are obtained as well. Measurement model contains precise corrections such as antenna phase center offsets, relativistic effects and site displacement by earth tides. The satellite orbit model incorporates geogravity, moon/sun gravity and various SRP models. For the test, using IGS 40 stations' observation data as input, GPS satellite orbit and clock were estimated. Compared with IGS final orbit/clock, satellite position 3D RMS errors were 9.3cm (1pass) and 6.0cm (3pass). Clock bias RMS errors were 0.16ns (1pass) and 0.15nsec (3pass).
GPSによるリアルタイム精密測位のためには高精度の衛星軌道及び時計が提供されることが必要である。私たちはGPS衛星軌道及び時計を準リアルタイムで高精度に推定するアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムにおいてはゼロ差の電離層フリー搬送波位相を基本観測量とし、拡張カルマンフィルタ (EKF)を用いて衛星軌道及び時計を推定する。対流圏遅延、受信機時計、地球回転パラメータ及び搬送波位相バイアスが同時に得られる。観測モデルにはアンテナ位相中心オフセット、相対論効果、地球潮汐による観測点位置変位等の高精度補正が含まれる。衛星運動モデルには地球重力、月及び太陽重力及び各種の太陽輻射圧モデルを含んでいる。試験のためIGS観測局40局の観測データを入力としてGPS衛星軌道及び時計を推定した。IGS最終暦と比較した衛星位置の3DRMS誤差は9.3cm (1pass) および6.0cm (3pass) であった。時計バイアスRMS誤差は0.16ns (1pass) 及び0.15ns (3pass) であった。
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高須知二,笠井晶二, GPS衛星軌道及び時計準リアルタイム推定アルゴリズムの開発及びその評価,
2005年地球惑星科学関連学会合同大会(予稿)（PDF:
236KB)
Tomoji Takasu, Shoji Kasai, Development and
evaluation of GPS satellite orbit and clock
near-realtime estimation algorithm, 2005 Joint Meeting for Earth and Planetary
Science (preliminary paper)
高須知二,笠井晶二, GPS衛星軌道及び時計準リアルタイム推定アルゴリズムの開発及びその評価,
2005年地球惑星科学関連学会合同大会(発表資料)（PowerPoint:
953KB)
Tomoji Takasu, Shoji Kasai, Development and
evaluation of GPS satellite orbit and clock
near-realtime estimation algorithm, 2005 Joint Meeting for Earth and Planetary
Science (draft handsout)
GPS衛星軌道・時計推定結果詳細 (1pass推定、衛星軌道)
GPS Satellite Orbit Estimation Results (1pass
Estimation)
GPS衛星軌道・時計推定結果詳細 (1pass推定、衛星時計)
GPS Satellite Clock Estimation Results (1pass
Estimation)
GPS衛星軌道・時計推定結果詳細 (3pass推定、衛星軌道)
GPS Satellite Orbit Estimation Results (3pass
Estimation)
GPS衛星軌道・時計推定結果詳細 (3pass推定、衛星時計)
GPS Satellite Clock Estimation Results (3pass
Estimation)
推定衛星軌道・時計を使用したPPP測位結果詳細
(1pass推定)
PPP Results by Estimated Satellite Orbit/Clock
(1pass Estimation)
推定衛星軌道・時計を使用したPPP測位結果詳細
(3pass推定)
PPP Results by Estimated Satellite Orbit/Clock
(3pass Estimation)
GPS衛星軌道・時計精度
GPS Satellite Orbit/Clock Accuracy
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(GPS Week1291, Orbit : 3DRMS, Average of 29 GPS Satellites, wrt IGS Final
Orbit/Clock)
GPS衛星軌道・時計による精密単独測位(PPP)精度
Precise Point Poisitioning (PPP) Accuracy
with GPS Satellite Orbit/Clock
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(GPS Week1291, 24H solution by GT0.5.4 static PPP, Average of 20 IGS Stations, wrt IGS Final
Position)
推定パラメータによるGPS衛星軌道精度の変化
Orbit Accurcay with Various Estimation Parameters
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GpsToolsによるGPS軌道推定記録
Orbit Accuracy Records by GpsTools
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