GPS从入门到放弃（十九） — 精密星历

在目前的GPS系统中，除了卫星播发的广播星历之外，IGS 组织（International GNSS Service）还提供精度更高的卫星星历，我们称之为精密星历。

精密星历可以用于更高精度的定位需求，达到厘米级。当然可能会有相应的延时，实时定位精度可能会差一些。

各大 IGS 分析中心（MIT、SIO、GFZ等）都会生产自己的精密产品如精密星历、精密钟差等，而IGS会对所有分析中心的数据进行汇总加权，得出IGS的数据。

从ftp服务站 ftp://cddis.nasa.gov/gnss/products/ 可以下载 IGS 提供的精密星历数据。此路径下的数据是以GPS周数（GPS Week）为目录名整理放置的。比如想找2020年元旦的精密星历数据，经过计算知道那一天是GPS周第2086周，所以进入2086目录下去下载相应数据。

目前 IGS 精密星历主要分为三种：最终精密星历（IGS Final，标识为 IGS）、快速精密星历（IGS Rapid，标识为 IGR）、以及超快速精密星历（IGS Ultra-Rapid，标识为 IGU）。对应的精密钟差也有这三种。其中超快速精密星历又分为观测的部分和预测的部分。他们的延时、精度等指标如下表所示。在实际工作中，我们可以根据项目对时间及精度的要求，选取不同类型的文件来使用。

名称	延时	更新率	更新时间	采样率	精度
最终精密星历	12~18天	每周	每周四	15min	~2.5cm
最终卫星钟差	12~18天	每周	每周四	5min	~75ps
快速精密星历	17~41h	每天	at 17:00 UTC	15min	~2.5cm
快速卫星钟差	17~41h	每天	at 17:00 UTC	5min	~75ps
超快速精密星历（观测部分）	3~9h	6h	at 03, 09, 15, 21 UTC	15min	~3cm
超快速卫星钟差（观测部分）	3~9h	6h	at 03, 09, 15, 21 UTC	15min	~150ps
超快速精密星历（预测部分）	实时	6h	at 03, 09, 15, 21 UTC	15min	~5cm
超快速卫星钟差（预测部分）	实时	6h	at 03, 09, 15, 21 UTC	15min	~3ns

可参考 http://www.igs.org/products 。

sp3格式

IGS 精密星历采用sp3格式，其文件名的命名规则为：AAAWWWWD.sp3。其中AAA表示类型标识（IGS、IGU、IGR）或者分析中心的缩写（如MIT、SIO、GFZ等），IGS 会综合所有分析中心的产品加权平均得到最终的产品（标识为IGS、IGR、IGU）；WWWW 表示GPS周数（GPS Week）；D表示周几（范围0~6，0表示周日，1表示周一）。

sp3文件的存储方式为 ASCII 文本文件，内容包括表头信息以及文件体，文件体中每隔15分钟给出卫星的位置，有时还给出卫星的速度。如果需要其他时刻的卫星位置，可以由给出的卫星位置进行插值得到。关于sp3文件的详细说明可以参考官方文档：ftp://igs.org/pub/data/format/sp3c.txt。

与广播星历不一样，精密星历并不是用开普勒参数给出的，而是直接给出卫星在 ITRF框架中的坐标值 ITRF（International Terrestrial Reference Frame 国际地球参考框架）框架是由 IERS（国际地球自转服务）发布的，ITRF 的构成是基于VLBI、LLR、SLR、GPS 和 DORIS 等空间大地测量技术的观测数据，由 IERS中心局分析得到的全球站坐标和速度场。自1988 年起，IERS 已经发布 ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF9 1、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008、ITRF2014 等全球参考框架。

下面是从igs20863.sp3文件中截取的开头部分，简单介绍一下。

第一行有时间，2020年1月1日；后面的 IGS14 表示坐标采用的是 ITRF2014 框架。
从第三行和第四行可以看出这里包含了32颗GPS卫星的轨道位置。
第23行表示从第24行开始的这一组卫星轨道位置对应的时间，第56行表示从第57行开始的这一组卫星轨道位置对应的时间，可以看到这两个时间差是15分钟，即采样间隔。
第24行是第一颗卫星的位置和钟差信息，位置单位为千米，精度到毫米，包含 x、y、z 三个方向；时钟单位为毫秒，精度到皮秒。这一行的后面4个数分别对应的是 x、y、z 三个方向的标准差和钟差的标准差。
标准差的值要结合第15行的浮点基准值来算，比如第一颗卫星x方向标准差为12，结合第15行第一个浮点基准值1.25，可以算出第一颗卫星x方向的标准差为 $1.2512≈14.55191.25^{12} \approx 14.5519$ ，单位为毫米。钟差的标准差算法类似，不过用的是第15行第二个浮点基准值，即下面例子中的1.025。

#cP2020  1  1  0  0  0.00000000      96 ORBIT IGS14 HLM  IGS
## 2086 259200.00000000   900.00000000 58849 0.0000000000000
+   32   G01G02G03G04G05G06G07G08G09G10G11G12G13G14G15G16G17
+        G18G19G20G21G22G23G24G25G26G27G28G29G30G31G32  0  0
+          0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
+          0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
+          0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
++         2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2  2
++         2  2  2  2  2  2  2  2  3  2  2  2  2  2  2  0  0
++         0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
++         0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
++         0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0  0
%c G  cc GPS ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc
%c cc cc ccc ccc cccc cccc cccc cccc ccccc ccccc ccccc ccccc
%f  1.2500000  1.025000000  0.00000000000  0.000000000000000
%f  0.0000000  0.000000000  0.00000000000  0.000000000000000
%i    0    0    0    0      0      0      0      0         0
%i    0    0    0    0      0      0      0      0         0
/* FINAL ORBIT COMBINATION FROM WEIGHTED AVERAGE OF:        
/* cod emr esa gfz grg jpl mit ngs sio                      
/* REFERENCED TO IGS TIME (IGST) AND TO WEIGHTED MEAN POLE:
/* PCV:IGS14_2086 OL/AL:FES2004  NONE     Y  ORB:CMB CLK:CMB
*  2020  1  1  0  0  0.00000000
PG01   9888.347661 -19617.637150 -14892.695413   -247.874423 12 10  5  71       
PG02 -21823.783543  13971.156772  -4920.780210   -377.229970 10  9  7  81       
PG03  -1601.529966 -16464.253025 -20857.441401    -63.370799  8  7 11 105       
PG04   1221.994671 -26086.976634  -4781.101677    -27.923755 12  4  5 109       
PG05 -19154.192243   5721.537965  17444.937173     -5.436142  7  8  6  88       
PG06 -21150.813850   2402.751626 -15853.420427   -169.653500  9  7  8 106       
PG07  -7307.639840 -13757.950583  21767.441209   -182.185020  6  6  5  99       
PG08   7039.047666 -21245.446842  14152.046835    -18.646350  8  5  7  94       
PG09  -6875.945629 -25134.252934   5050.629544   -121.818618  9  8  4 109       
PG10  24015.414289  11544.134960   1555.732288   -193.008701  8  8  8 103       
PG11   7282.297820 -25005.780611  -6416.591136   -403.117157  9  8  7  95       
PG12  -3612.078652  14754.643360 -22024.819114    167.238453  6  6  5 121       
PG13 -12822.251931  14077.120706  18359.989020    -22.958664  7  7  7  85       
PG14  15097.782136    719.539797 -21518.284406    -41.480187  8  9  3  98       
PG15  -5026.428258  22304.034935  12884.805910   -261.734981  8  6  5  83       
PG16  20065.806133  -2268.606859  17288.279253   -108.806027  7  8  6  98       
PG17 -13302.574437 -12501.633252 -18888.874080    190.733864  6  5  7  99       
PG18  15683.730129 -20086.062189  -7815.214505 999999.999999
PG19 -14744.295897  -4057.283573 -22007.637771   -218.643006  9  7  9 107       
PG20  18932.638979  14547.678555  11749.766535    527.763846 11 10 11  93       
PG21  10191.957706  12064.511376  22150.584734    -62.423168 10  8 11  69       
PG22   7023.579706 -14225.418680 -21077.053685   -780.142685  9  7  9  70       
PG23  -1206.975660 -26081.394867  -3218.011480   -145.988210 10  4  6 100       
PG24 -10589.076575  20789.036009 -12534.802874     -6.933769  9  7  4 109       
PG25  11115.892105  17563.783060 -16907.847503    -16.767205  8  8  6 106       
PG26  24809.687134   2652.030547   9387.846884    117.742691  8 10  8 116       
PG27  12654.914692 -10785.577586  20515.681941   -167.508526  8  5  8  92       
PG28 -22961.626731 -13197.537237    783.057544    747.765166  6  8  6  95       
PG29   4498.761624  25678.893062   4992.306129      4.083857 10 10  6  67       
PG30 -17217.300944  -5541.835900  19540.416589   -118.767102  6  7  7  87       
PG31  22625.699147  -4025.359523 -13738.508642    -13.516273  7  9  7  90       
PG32  14835.028318  11206.018688 -18957.170663    172.050190  9 10  5 104       
*  2020  1  1  0 15  0.00000000
PG01  11218.886280 -20435.428221 -12620.054414   -247.885427 11 10  5  55       
PG02 -21416.153632  13234.932709  -7652.201926   -377.236434  9  9  6  89       
PG03    658.942604 -15624.793321 -21537.118493    -63.377346  7  7 10  93       
PG04   1551.226922 -25415.284695  -7518.401629    -27.928395 11  5  6  93       
PG05 -20891.993883   4906.521003  15635.291423     -5.436689  7  8  5  80       
PG06 -19726.065274   1101.751537 -17715.564454   -169.663056  9  6  7 113
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