張晨晰,黨亞民,王潛心,于志剛
(1.山東科技大學(xué),山東青島 266510;2.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100083;3.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州 221116)
北斗三頻組合在數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用
張晨晰1,2,黨亞民2,王潛心3,于志剛1
(1.山東科技大學(xué),山東青島 266510;2.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100083;3.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州 221116)
周跳的探測與修復(fù)和粗差的探測與剔除是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)載波相位數(shù)據(jù)預(yù)處理工作的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的周跳探測方法有高次差法、多項式擬合法、電離層殘差法等[1]。粗差探測與剔除的方法有濾波法和小波法等。隨著多頻GNSS的出現(xiàn)和發(fā)展,越來越多的學(xué)者研究利用多頻觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳和粗差的探測與處理,并提出了一些有效的方法。文獻(xiàn)[2―6]給出了利用多頻數(shù)據(jù)探測和修復(fù)GPS周跳與粗差的幾種組合,可以在單歷元中有效探測周跳與粗差。
我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已發(fā)射3個基準(zhǔn)頻率為2.046 MHz的頻率信號:1 561.098 MHz、1 207.14 MHz和1 268.52 MHz。本文在介紹多頻偽距/載相組合法探測周跳的原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合北斗三頻載波相位組合的特性,給出了組合觀測量的選取標(biāo)準(zhǔn),分析了三頻組合比雙頻組合的優(yōu)勢,并選取了3組組合作為探測周跳和粗差的檢驗量,通過實測三頻數(shù)據(jù)的實例分析表明,該組合能探測出任何情況下的大于1周的周跳和大于0.2周的粗差。
觀測方程的模糊度可用偽距和相位表示為
當(dāng)歷元間電離層延遲和多路徑效應(yīng)變化較小時,將式(1)在歷元間相減,可以得到周跳的估值
若組合系數(shù)為(i,j,k),多頻組合觀測量的周跳估值為
不難看出,當(dāng)原始載波觀測值三頻上發(fā)生周跳ΔN1、ΔN2、ΔN3時,將在組合觀測值中被放大為ΔNc。
以周為單位的載波觀測噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σφ1=σφ2=σφ3=σφ,偽距組合觀測量噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為σR1=σR2=σR3=σR,則應(yīng)用誤差傳播定律根據(jù)式(3)可得周跳檢測量ΔNc標(biāo)準(zhǔn)差為
σΔNc越小,通過直接取整獲得正確周跳值的成功率越高[7]。
3種不同的頻率組合(i1,j1,k1)、(i2,j2,k2)、(i3,j3,k3)探測出的周跳取整后分別為n1、n2、n3,則有
即可得到原始數(shù)據(jù)中各頻率的周跳ΔN1、ΔN2、ΔN3。估計精度取決于電離層延遲和多路徑效應(yīng)在歷元之間的變化,偽距和載波相位測量的觀測噪聲,以及載波波長λc的大小。
1.組合觀測量的選取標(biāo)準(zhǔn)
若不加限制,三頻載波相位組合觀測量可組成無窮組組合。通過對組合觀測值的誤差分析,組合后應(yīng)保留模糊度的整周特性,具有適當(dāng)?shù)牟ㄩL、較小的電離層折射誤差影響和較小的觀測噪聲。為衡量不同組合的優(yōu)劣,選擇以下指標(biāo)。
(1)波長參數(shù)αλ
波長參數(shù)定義為組合波長相對于基準(zhǔn)波長的大小,可表示為
式中,λ0為基礎(chǔ)頻率2.046 MHz的波長值。
整數(shù)α取值越小,波長越大,即α可作為表征波長大小的參數(shù)。3種頻率可以組合出適用于周跳探測的較長的波長。
(2)電離層影響參數(shù)q
在長基線相對定位中,電離層是影響載波相位模糊度正確固定的主要因素。電離層折射誤差與頻率大小有關(guān)。組合觀測量的電離層影響因子可表示為
q越小表示電離層誤差影響越小。
(3)觀測噪聲方差σφc
由于多路徑效應(yīng)誤差與頻率及觀測環(huán)境有關(guān),且不易被分離出來,很難對其進(jìn)行定量分析,因此常把其與隨機(jī)噪聲放在一起加以考慮[1]。運(yùn)用誤差傳播定律可得組合觀測值以周為單位的觀測噪聲方差為
式中,σφ為以周為單位的各載波隨機(jī)噪聲。
由文獻(xiàn)[8]的結(jié)論可知,載波相位組合存在著4個噪聲最小的軸:S=0、S=1、S=2、S=-1(S為組合系數(shù)的和,即S=i+j+k)。
(4)周跳檢測量的標(biāo)準(zhǔn)差σΔNc
σΔNc的計算公式如式(4),據(jù)文獻(xiàn)[7]的結(jié)論,三頻偽距相位組合觀測量的周跳檢測量的標(biāo)準(zhǔn)差σΔNc小于0.15周,就能夠以大于99.9%的成功率獲得正確的相位組合觀測量周跳值,且σΔNc越小,成功率越高。
對周跳和粗差探測而言,考慮到電離層和多路徑在歷元間的變化不穩(wěn)定,最優(yōu)組合的選取應(yīng)該滿足以下條件:
1)波長盡可能長;
2)電離層影響和噪聲盡可能??;
3)周跳檢測量的標(biāo)準(zhǔn)差最小。
取以周為單位的載波觀測噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σφ=0.01 cycle,偽距組合觀測量噪聲標(biāo)準(zhǔn)差σR=0.3 m,根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)選取出的幾組組合的屬性值見表1,并按σΔNc從小到大排列。為與雙頻組合作比較,表1最后兩行為較好的雙頻組合的屬性。
表1 組合觀測值屬性
由表1可以看出:
1)雙頻組合(1,-1)波長短且周跳檢測量的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到了0.5,大大降低了周跳探測的成功率;而(7,-9)組合波長較長但電離層影響大,而三頻能獲得更優(yōu)的組合,因此三頻比雙頻組合更具優(yōu)勢。
2)(4,-2,-3)組合雖然波長長,周跳檢測量的標(biāo)準(zhǔn)差也較小,但電離層影響大,因此該組合不予采用。
2.不相關(guān)條件
對于組合觀測量的選取,不僅要考慮波長和噪聲等條件,所選的3組組合系數(shù)之間也需要滿足一定的關(guān)系。式(4)可表示為
要求得周跳探測值[ΔN1ΔN2ΔN3]T的值,要求選取的三組組合必須是線性無關(guān)的,也就是組合系數(shù)矩陣A的秩R(A)應(yīng)為3,即
在表1中列出的所有較優(yōu)的組合中,如假設(shè)3組組合均選擇了S=0的組合,即i+j+k=0,3組組合就是相關(guān)的,周跳探測值[ΔN1ΔN2ΔN3]T無解或有無窮多解,也就難以準(zhǔn)確探測出所有的周跳值,即假設(shè)ΔN1=ΔN2=ΔN3=x,那么不管x是大周跳,還是小周跳,該組組合都不能探測出來。
根據(jù)以上分析綜合考慮,選擇波長盡可能長、電離層影響和噪聲盡可能小,且3組組合線性無關(guān)的3個組合:(0,-1,1)、(-1,-5,6)、(-4,1,4)。由式(4)可以解得ΔN1、ΔN2、ΔN3。
本文選取2013年9月9日采樣間隔為1 s的北斗三頻原始觀測數(shù)據(jù),在76歷元之后按以下條件人為地加入周跳。
1.小周跳的探測和修復(fù)
(1)單個頻率加入小周跳的情況(L1:+1 cycle)
如圖1所示,組合(0,-1,1)沒有周跳,組合(-1,-5,6)周跳值取整后為-1,組合(-4,1,4)周跳值取整后為-4,解得ΔN1=1,ΔN2=0,ΔN3=0。
(2)兩個頻率上加小周跳的情況(L1:+1 cycle,
L2:+1 cycle)
如圖2所示,組合(0,-1,1)周跳值取整后為-1,組合(-1,-5,6)周跳值取整后為-6,組合(-4,1,4)周跳值取整后為-3,解得:ΔN1=1,ΔN2=1,ΔN3=0。
(3)3個頻率上加小周跳的情況(L1:+1 cycle,
L2:-1 cycle,L3:+1 cycle)
如圖3所示,組合(0,-1,1)周跳值取整后為2,組合(-1,-5,6)周跳值取整后為10,組合(-4,1,4)周跳值取整后為-1,解得:ΔN1=1,ΔN2=-1,ΔN3=1。
其他試驗表明:在載波相位中加入其他小周跳的試驗結(jié)果也具備相同的探測效果,因篇幅限制,不再列舉。
圖1 小周跳探測(+1,0,0)
圖2 小周跳探測(+1,+1,0)
圖3 小周跳探測(+1,-1,+1)
2.大周跳的探測和修復(fù)
(1)兩個頻率加入大周跳的情況
①L1:-1 cycle,L2:+68 cycle
如圖4所示,組合(0,-1,1)周跳值取整后為-68,組合(-1,-5,6)周跳值取整后為-339,組合(-4,1,4)周跳值取整后為72,解得:ΔN1=-1,ΔN2=68,ΔN3=0。
圖4 大周跳探測(-1,+68,0)
②L1:+68 cycle,L2:-100 cycle
如圖5所示,組合(0,-1,1)周跳值取整后為100,組合(-1,-5,6)周跳值取整后為432,組合(-4,1,4)周跳值取整后為-372,解得:ΔN1=68,ΔN2=-100,ΔN3=0。
圖5 大周跳探測(+68,-100,0)
(2)3個頻率均加入大周跳的情況
①L1:+100 cycle,L2:-1 cycle,L3:+68 cycle
如圖6所示,組合(0,-1,1)周跳值取整后為69,組合(-1,-5,6)周跳值取整后為313,組合(-4,1,4)周跳值取整后為-129,解得:ΔN1=100,ΔN2=-1,ΔN3=68。
圖6 大周跳探測(+100,-1,+68)
②L1:-100 cycle,L2:-100 cycle,L3:-100 cycle
如圖7所示,組合(0,-1,1)沒有周跳,組合(-1,-5,6)沒有周跳,組合(-4,1,4)周跳值取整后為-100,解得:ΔN1=-100,ΔN2=-100,ΔN3=-100。
其他試驗表明:在載波相位中加入其他大周跳的試驗結(jié)果也具備相同的探測效果,因篇幅限制,不再列舉。
圖7 大周跳探測(-100,-100,-100)
3.粗差的探測
對于粗差的探測,式(5)可改寫為
式中,Ka(tb)中a為組合(ia、ja、ka)在tb時刻的粗差檢測量值。本文在35歷元按以下條件人為地加入半周和0.2周的粗差,以檢測組合的粗差探測性能。
(1)單個頻率加入半周粗差的情況(L1:+0.5 cycle)
如圖8所示,組合(0,-1,1)粗差檢測量為(-0.49,0.50),組合(-1,-5,6)粗差檢測量為(-2.46,2.54),組合(-4,1,4)粗差檢測量為(0.51,-0.51),解得:Δ1=0.21,Δ2=-0.21,Δ3=-0.19。
(2)多個頻率加入0.2周粗差的情況(L1:+0.2 cycle,L2:+0.2 cycle,L3:-0.2 cycle)
如圖9所示,組合(0,-1,1)粗差檢測量為(-0.39,0.40),組合(-1,-5,6)粗差檢測量為(-2.36,2.45),組合(-4,1,4)粗差檢測量為(-1.39,1.39),解得:Δ1=0.01,Δ2=0.51,Δ3=0.01。
圖8 粗差探測(0,+0.5,0)
圖9 粗差探測(+0.2,+0.2,-0.2)
1)探測周跳和粗差的組合觀測值的選取需在周跳檢測量的標(biāo)準(zhǔn)差最小的前提下,選取長波長、小電離層影響和小噪聲的組合,還要求滿足3組組合線性無關(guān)的條件,才能成功探測出所有情況下的周跳值。
2)由多頻組合的屬性分析表明,三頻組合比雙頻組合更具優(yōu)勢。
3)北斗實測數(shù)據(jù)試驗表明,組合(0,-1,1)、(-1,-5,6)、(-4,1,4)可以探測出北斗系統(tǒng)1周以上的所有周跳,是性能良好的探測周跳組合。
4)北斗實測數(shù)據(jù)試驗表明,組合(0,-1,1)、(-1,-5,6)、(-4,1,4)可以探測出北斗系統(tǒng)0.2周以上的粗差,是性能良好的探測粗差組合。
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The Application of Multi-frequency Combination Observation in BDS Data Preprocessing
ZHANG Chenxi,DANG Yamin,WANG Qianxin,YU Zhigang
在介紹多頻偽距/載相組合法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的原理基礎(chǔ)上,結(jié)合北斗三頻載波相位組合的特性,給出組合觀測量的選取標(biāo)準(zhǔn),分析三頻組合相比雙頻組合的優(yōu)勢,并選取3組組合作為探測周跳和粗差的檢驗量。通過數(shù)據(jù)實例分析,該組合能探測出任何情況下大于1周的周跳和大于0.2周的粗差。
北斗;三頻組合;周跳;粗差
P228.4
B
0494-0911(2014)10-0001-06
2013-12-10
國家自然科學(xué)基金(41404033);國家863計劃(2013AA122501);中國博士后科學(xué)基金(2013M532135);中國測繪科學(xué)研究院基本科研費(fèi)(7771401)
張晨晰(1983―),女,山東泰安人,博士生,主要研究方向為GNSS組合定位。
張晨晰,黨亞民,王潛心,等.北斗三頻組合在數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用[J].測繪通報,2014(10):1-6.
10.13474/j.cnki.11-2246.2014. 0315