衛(wèi)星高度角對(duì)GPS測(cè)量精度的影響研究

王 楠，張 郁

(廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)量3隊(duì)，廣東 廣州 510060)

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

TEQC(translation，edit，and quality checking)是功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的GPS/GLONASS數(shù)據(jù)預(yù)處理與數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件[1-3]。它的主要功能包括格式轉(zhuǎn)換、RINEX編輯和質(zhì)量檢查。其中，質(zhì)量檢查可進(jìn)行衛(wèi)星高度角重設(shè)置。

筆者試圖利用TEQC質(zhì)量檢查中的衛(wèi)星截止高度角重設(shè)命令，將小于設(shè)置截止高度角的觀測(cè)數(shù)據(jù)不參與基線結(jié)算[4-5]。但在DOS命令下運(yùn)行后數(shù)據(jù)文件未得到刪減，查閱相關(guān)文獻(xiàn)未能找到原因，故筆者利用C++編寫(xiě)高度角重設(shè)程序。

編寫(xiě)衛(wèi)星截止高度角重設(shè)程序的原理是:首先對(duì)觀測(cè)值中的每個(gè)歷元進(jìn)行偽距定位，然后計(jì)算出每顆衛(wèi)星的位置和測(cè)站的位置，最終得到每顆衛(wèi)星的高度角[6-7]。將高度角低于閾值的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)做標(biāo)記，而不在觀測(cè)值文件中寫(xiě)出。數(shù)據(jù)文件通過(guò)自編的高度角重設(shè)程序，可以分割成20°、30°、40°、50°、60°、70°和 80°的觀測(cè)文件。

2 數(shù)據(jù)獲取

筆者所采用的數(shù)據(jù)為某大型水利設(shè)施(大壩)GPS點(diǎn)位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，共11個(gè)點(diǎn)，圖1為監(jiān)測(cè)網(wǎng)的GPS點(diǎn)位分布圖。施測(cè)時(shí)間為2008年4月10日，除了5007站的觀測(cè)時(shí)間為4 h外，其余點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間均在8 h左右。采樣率為15 s，觀測(cè)時(shí)衛(wèi)星截止高度角設(shè)為10°。

圖1 某大型水利設(shè)施變形監(jiān)測(cè)GPS點(diǎn)位分布圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同衛(wèi)星高度角下的GDOP值比較

在不同衛(wèi)星截止高度角時(shí)，空中的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)不同，衛(wèi)星的幾何精度因子GDOP值也不同[8]。圖2為大壩11個(gè)測(cè)站構(gòu)成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)于2008年4月10 日全天，衛(wèi)星截止高度角分別為 10°、15°、20°、25°、30°時(shí)的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)情況。

衛(wèi)星截止高度角為30°時(shí)，80%以上的時(shí)段可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)仍達(dá)到4顆及以上，仍是滿足觀測(cè)要求的。圖3為不同衛(wèi)星截止高度角時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)11個(gè)測(cè)站的可見(jiàn)衛(wèi)星GDOP值比較。

結(jié)合圖2 和圖 3，可以得出:取 10°、15°、20°、25°、30°5個(gè)不同衛(wèi)星截止高度角進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)衛(wèi)星截止高度角設(shè)置為10°或15°時(shí)，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)都≥5顆，GDOP值基本都＜8，幾乎整天都可以作為有效時(shí)段觀測(cè);當(dāng)衛(wèi)星截止高度角為20°時(shí)，全天可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)都＞4顆;當(dāng)衛(wèi)星截止高度角增加到25°或30°時(shí)，全天都有數(shù)處可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)＜4或者GDOP值＞8的時(shí)段，這種有效時(shí)段的斷續(xù)對(duì)基線的靜態(tài)測(cè)量是非常有害的?？梢?jiàn)，提高衛(wèi)星截止高度角會(huì)“篩掉”部分衛(wèi)星。

圖2 不同衛(wèi)星截止高度角時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)11個(gè)測(cè)站的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)

圖3 不同衛(wèi)星截止高度角時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)11個(gè)測(cè)站的可見(jiàn)衛(wèi)星GDOP值

3.2 衛(wèi)星截止高度角對(duì)基線解算質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了4種衛(wèi)星截止高度角，即10°、20°、30°、40°，分別對(duì)測(cè)段長(zhǎng)度 4 h、2 h、1 h 的觀測(cè)量進(jìn)行基線解算，觀察它們對(duì)基線解的影響，如表1、表2所示。

通過(guò)以上大量實(shí)驗(yàn)，可以看到:對(duì)于4 h的觀測(cè)量來(lái)說(shuō)，由于觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，所選基線中，在衛(wèi)星截止高度角為20°時(shí)RATIO值皆＞3.000，RMS皆＜0.013 m。而在截止角為30°時(shí)，所選基線的RATIO值皆＞6.900，RMS皆＜0.010 m。說(shuō)明在觀測(cè)時(shí)間足夠長(zhǎng)的情況下，隨著衛(wèi)星截止高度角的增加，基線解算的精度有一定的提高，其主要原因?yàn)榈脱鼋菚r(shí)衛(wèi)星信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的多路徑效應(yīng)和大氣傳播延遲。但并非對(duì)所有的基線都適用，這還與基線的長(zhǎng)度、測(cè)站周圍的環(huán)境等因素有關(guān)[9]。

表1 觀測(cè)長(zhǎng)度為4 h、衛(wèi)星截止高度角為10°和20°的基線解

表2 觀測(cè)長(zhǎng)度為4 h、衛(wèi)星截止高度角為30°和40°的基線解

3.3 觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)基線解算質(zhì)量的影響

下面通過(guò)比較4 h、2 h和1 h觀測(cè)量的基線解算精度來(lái)研究觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)基線解算質(zhì)量的影響。不同觀測(cè)量的基線解算結(jié)果如表3、表4所示。

通過(guò)表3和表4中的基線解算結(jié)果可以看出:各基線的解算質(zhì)量隨觀測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)而提高，這種變化在從觀測(cè)時(shí)間1 h到觀測(cè)時(shí)間2 h的情況下較為明顯，而從觀測(cè)時(shí)間2 h到觀測(cè)時(shí)間4 h的情況下并不顯著。例如大壩中間的監(jiān)測(cè)點(diǎn)5865與基準(zhǔn)站間的基線觀測(cè)時(shí)間由1 h增加為2 h時(shí)解算質(zhì)量提高明顯，而基線觀測(cè)時(shí)間由2 h增加為4 h，解算質(zhì)量基本不變。

表3 觀測(cè)量為4 h和2 h、截止角為20°時(shí)的基線解

表4 觀測(cè)量為2 h和1 h、截止角為20°時(shí)的基線解

4 結(jié)論

筆者介紹了不同衛(wèi)星截止高度角下的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)和GDOP值情況，分析不同高度角對(duì)基線解算的影響和觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)基線解算的精度影響。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論:

(1)提高衛(wèi)星截止高度角會(huì)“篩掉”部分衛(wèi)星，在視的衛(wèi)星幾何精度因子也會(huì)因此而變化。因此在制訂外業(yè)觀測(cè)計(jì)劃時(shí)，需要對(duì)觀測(cè)當(dāng)天的可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量和衛(wèi)星幾何強(qiáng)度有初步的預(yù)測(cè)和了解。

(2)如果數(shù)據(jù)觀測(cè)的時(shí)間較長(zhǎng)、觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)較多，則適當(dāng)提高衛(wèi)星截止角進(jìn)行基線解算可得到較好的效果。對(duì)于較短的基線，觀測(cè)1 h，已可解出質(zhì)量較好的基線解;對(duì)于較長(zhǎng)的基線，則需觀測(cè)至少2 h以上才可得到較好的基線解。

(3)選取適當(dāng)?shù)男l(wèi)星高度角，可以有效改善多路徑效應(yīng)等因素引起的影響，對(duì)凈化原始數(shù)據(jù)很有利。因此，建議在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合作業(yè)環(huán)境、接收機(jī)類型和可見(jiàn)衛(wèi)星情況等綜合考慮，經(jīng)過(guò)基線解算比較分析得出最終的結(jié)果。

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