淺析Trimble HD-GNSS解算引擎

鄧永華，曹千紅，葉 飛，張建功

（1.宜都北斗星科技發(fā)展有限公司，湖北 宜都443300；2.湖北省土地勘測規(guī)劃院，湖北 武漢 430071；3.武漢天寶耐特科技有限公司，湖北 武漢 430223）

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)測量不同于傳統(tǒng)測量方法，不受光學傳感器通視限制，但GNSS接收機測量受天空可見性約束，因此以往GNSS接收機在茂密樹林或建筑密集的區(qū)域很難得到cm級的測量解。目前有3個全面運行的GNSS衛(wèi)星通信系統(tǒng)：GPS，GLONASS和QZSS，還有2個正在積極部署的衛(wèi)星通信系統(tǒng)Beidou和Galileo。HD-GNSS解算引擎是一種全新的GNSS解算引擎，用以適應新的環(huán)境。

1 GNSS基本原理

1.1 定位基本原理

利用距離地面20 000 km軌道上的多顆衛(wèi)星廣播的信號，實現(xiàn)cm級精度定位確實是一件不可思議的事情。但是如果我們知道多顆衛(wèi)星所在的位置，并能計算接收機與每顆衛(wèi)星之間的距離，就可以用三角測量法計算接收機位置[1]。

每顆GNSS衛(wèi)星向接收機廣播它所在的位置，提供衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和原子鐘時差。可以利用衛(wèi)星廣播的偽隨機噪聲編碼信號計算接收機到各顆衛(wèi)星的距離。由于信號傳播受大氣層影響，而且衛(wèi)星廣播的星歷表精度低，一臺自主定位接收機的位置計算精度僅為1～5 m[2]。為了克服這些主要誤差源，實現(xiàn)cm級定位，GNSS接收機需要連接另一個信號源，接收非常精確的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)和原子鐘時差，用于所有大氣層影響的改正。

1.2 差分基本原理

差分GNSS流動站采用參考站接收機提供的數(shù)據(jù)降低誤差，因為2種接收機的誤差幾乎相同。采用每個衛(wèi)星信號的載波相位計算流動站與衛(wèi)星之間的距離，精度可以達到cm級[3]。載波相位的波長比偽隨機噪聲編碼信號的波長小很多。偽隨機噪聲信號的有效波長由代碼位長度決定。對于GPS粗捕捉（C/A）碼，偽隨機噪聲信號的有效波長為300 m，而GPS L1頻率的載波波長僅為19 cm[4]。因此，可以用載波相位更精確地計算衛(wèi)星的距離。

載波相位測量就是比較接收到的信號和接收機內(nèi)置振蕩器發(fā)生的等效信號之間的相位差。打開接收機時，接收機時鐘相位為零，相對于衛(wèi)星時鐘而言是隨機的。在收到衛(wèi)星信號之后進行首次計算時，只能計算相位差的部分，這部分計算結果加上未知整波長數(shù)，就是衛(wèi)星和流動站天線之間的距離。

2 解算引擎對比

2.1 GNSS傳統(tǒng)解算引擎

未知整波長數(shù)叫做整周模糊度。為了精確測量距離，處理引擎必須解算此模糊度。傳統(tǒng)的GNSS處理引擎用參考數(shù)據(jù)和流動站數(shù)據(jù)解算整波長數(shù)。在使用這種處理引擎時，解算過程通常為：首先利用偽隨機噪聲編碼和載波相位觀測生成浮點解，再執(zhí)行搜索解算整周模糊度，搜索成功即得到固定解。

浮點解精度主要受偽隨機噪聲編碼影響，所以浮點解質(zhì)量很差。典型的浮點精度為幾dm。在惡劣環(huán)境下工作時，浮點解常常要保留相當長時間，然后瞬間切換到固定解。因此從浮點解到固定解收斂發(fā)生分化的可能性很高。采用浮點/固定法解算整周模糊度有很多缺點：①在接收機找到固定解之前，用戶不能得到可用位置；②如果處理引擎選擇一組錯誤的整周模糊度，解算就會出錯；③在重新搜索之前不能使用正確的整周模糊度，會把位置誤報為離群位置，并持續(xù)很長時間(見圖1)。

圖1 傳統(tǒng)解算引擎形成錯誤固定解

2.2 HD-GNSS解算引擎

最初的測量GPS接收機只能跟蹤2個衛(wèi)星頻段GPS L1和L2，當前已經(jīng)能夠跟蹤GPS系統(tǒng)L1(1 575.42)、L2(1 227.60)、L5(1 176.45)，GLONASS 系統(tǒng) L1(1 602+0.562 5*N)、L2(1 246+0.437 5*N)，GALILEO系 統(tǒng) E1(1 575.42)、E5(1 191.795)、E5a(1 176.45)、E5b(1 207.14)，QZSS 系 統(tǒng) L1(1 575.42)、L2(1 227.60)、L5(1 176.45)、LEX(1 278.75)，Beidou 系 統(tǒng) B1(1 561.098)、B2(1 207.14)、B3(1 268.52) 等16個 GNSS頻 段。HDGNSS處理引擎在模糊度解算技術上變化很多，充分運用了現(xiàn)有的GNSS衛(wèi)星通信系統(tǒng),可以利用至少5顆通信衛(wèi)星的多頻數(shù)據(jù)解算整周模糊度。后續(xù)RTK點可以使用僅2個歷元的測量數(shù)據(jù)實現(xiàn)cm級精度，處理引擎可連續(xù)解算整周模糊度。

在以往RTK系統(tǒng)里,初始化表示從浮點解過渡到固定解的過程[5]，而在HD-GNSS處理引擎里，初始化指連接參考站到得出cm級精度解整個過程。HDGNSS處理引擎完全拋棄了傳統(tǒng)處理引擎的“固定”“浮點”概念，在測量時，外業(yè)不再有“固定”或“浮點”字樣，一旦得出可靠精度，就顯示RTK字樣(見圖2)。

圖2 HD-GNSS處理引擎與傳統(tǒng)引擎對比

2.3 實測數(shù)據(jù)對比

測試使用Trimble R10和Trimble R4GNSS接收機；R4 使用傳統(tǒng)GNSS處理引擎，Maxwell-5 GNSS芯片，72個通道可跟蹤GPS、GLONASS、SBAS衛(wèi)星信號；R10使用HD-GNSS處理引擎，Maxwell-6 GNSS芯片，440個通道可跟蹤GPS、GLONASS、Galileo、Beidou、QZSS、OmniSTAR、SBAS衛(wèi)星信號。

2款接收機在惡劣環(huán)境下，測量同一點1 200次誤差對比統(tǒng)計如表1所示。

表1 測量數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計表

3 結 語

通過實測數(shù)據(jù)可以看出，在惡劣的測量環(huán)境下，傳統(tǒng)GNSS處理引擎與HD-GNSS處理引擎表現(xiàn)出來的差距很明顯。傳統(tǒng)GNSS處理引擎在多路徑效應等不利測量條件下，所解算的點的精度無法保證，會出現(xiàn)個別點偏差較大的情況，而HD-GNSS處理引擎則能很好地解決這個問題。

[1]張正祿.工程測量學[M].武漢：武漢大學出版社，2005

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[5]JAMES Bao-yen Tsui.Fundamentals of Global Positioning System Receivers -A Software Approach[M].John Wiley &Sons，Inc，2000

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