GPS系統(tǒng)硬件延遲研究

賀 婧

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與測(cè)繪工程分院， 陜西 楊凌 712100)

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GPS系統(tǒng)硬件延遲研究

賀 婧

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與測(cè)繪工程分院， 陜西 楊凌 712100)

摘要：主要針對(duì)某高校2014年3月至4月一個(gè)月的基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)以及對(duì)其的處理分析，重點(diǎn)研究了GPS系統(tǒng)硬件延遲的問題。GPS系統(tǒng)中硬件延遲是由很多原因?qū)е碌?，其中主要是因?yàn)橛^測(cè)信號(hào)在衛(wèi)星和接收機(jī)硬件內(nèi)傳播時(shí)的延遲。高精度導(dǎo)航定位的應(yīng)用范圍越來越廣，隨著分離和克服硬件延遲的影響，可知提高定位精度的重要性，結(jié)果表明其在一定時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。

關(guān)鍵詞：GPS； 硬件延遲； TEC； 穩(wěn)定性

0引言

近幾年來，GPS技術(shù)的一直在不斷成熟、定位的精度也在不斷提高，對(duì)于它的應(yīng)用范圍同時(shí)也越來越廣泛。但是當(dāng)進(jìn)行GPSTEC測(cè)量時(shí)，因?yàn)榻邮諜C(jī)和衛(wèi)星的這兩種硬件延遲是會(huì)對(duì)最后的定位結(jié)果引起一定的誤差的，所以會(huì)影響TEC的測(cè)量精度，這兩種延遲分別叫做接收機(jī)硬件延遲和衛(wèi)星硬件延遲，它們都是由硬件因素引起的。因?yàn)镚PS系統(tǒng)的硬件延遲問題，最后TEC的結(jié)果會(huì)發(fā)生很大的變動(dòng)，又受限于太陽活動(dòng)、測(cè)量噪音等很多因素，不同時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)定的 GPS系統(tǒng)硬件延遲一定會(huì)發(fā)生變化，所以為了更準(zhǔn)確地獲得TEC的數(shù)值，GPS系統(tǒng)硬件延遲的解算方法和精度對(duì)我們來說有很高的重要性。

1GPS系統(tǒng)硬件延遲的問題

在全球定位系統(tǒng)的DCB中，我們要解決的問題就是精確無誤的改正這些誤差以及取得它們?cè)诟髯缘穆肪€傳播當(dāng)中總的TEC，同時(shí)這些數(shù)據(jù)必須是實(shí)時(shí)的。在GPS的測(cè)量當(dāng)中，不可能對(duì)一項(xiàng)重要的誤差源L1、L2信號(hào)的硬件時(shí)延做到完全一致。對(duì)于這種分類，采用的方法是根據(jù)不同的環(huán)節(jié)，具體的類別有兩種：全球定位系統(tǒng)的接收機(jī)DCB和全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星的DCB?？上攵?，這對(duì)于定位精度可以達(dá)到米級(jí)別的WAAS系統(tǒng)來說負(fù)面影響是十分顯著的。

2GPS系統(tǒng)硬件延遲的估算方法

如果觀測(cè)了全球定位系統(tǒng)的最初觀測(cè)值，并且進(jìn)一步的利用這些數(shù)據(jù)來解算斜向電離層電子含量，得到的結(jié)果當(dāng)中可能會(huì)同時(shí)存在接收機(jī)硬件延遲(DCB)和衛(wèi)星發(fā)射機(jī)的雙重誤差。從用戶的角度考慮，如果對(duì)這些定位精度有較高的要求的話，硬件延遲還需要進(jìn)一步地解決。

2.1求解硬件延遲的原理

(1)

(2)

2.2GPS系統(tǒng)硬件延遲的估計(jì)模型

(3)

(4)

其中:

N是短期內(nèi)的數(shù)據(jù)采樣個(gè)數(shù)； σj(ti)是權(quán)重因子，根據(jù)所用的接收機(jī)的型號(hào)、采用的跟蹤方式和已有參考資料給出的結(jié)果，計(jì)算時(shí)：

當(dāng)el(ti)≤55°時(shí)，σ(ti)=39.4271-2.7793el(ti)+0.097el2(ti)-1.5211×10-3el3(ti)+

9.9767×10-6el4(ti)

當(dāng)el(ti)>55°時(shí)，將σ(ti)取為2，el(ti)為ti時(shí)刻的衛(wèi)星仰角，由(4)式和相位觀測(cè)方程，得

(5)

(6)

上式就是硬件延遲的估計(jì)模型。

一些學(xué)者采用兩個(gè)表面為雙頻電離層垂直TEC觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停@里是三面模型的使用。局部垂直的TEC可以用下面的三次多項(xiàng)式來模仿:

(7)

電離層有很多模型, 本文用的是VTEC模型。其具體表達(dá)式形式為：

(8)

考慮到上述所有的硬件錯(cuò)誤，硬件系統(tǒng)的表達(dá)式為：

B=VTEC/cosz-9.524Δρ

(9)

如果想到GPS系統(tǒng)硬件延遲參數(shù)后，計(jì)算TEC可利用如下公式 ：

TEC-9.52437B=9.52437(P2-P1)

(10)

將斜向TEC轉(zhuǎn)為垂直TEC時(shí)會(huì)用下面的公式：

VTEC=TEC×cosz

(11)

(12)

2.3求解硬件延遲的方法

(13)

對(duì)于(13)式，知道φ、γ的相對(duì)應(yīng)的緯度和經(jīng)度，即日固坐標(biāo)系中的穿透點(diǎn)。分別為對(duì)應(yīng)的接收機(jī)的緯度和經(jīng)度(存在于日固坐標(biāo)系中)?？梢詫⑹?13)改寫成：

(14)

取卡爾曼濾波的狀態(tài)向量X(K)為:

則卡爾曼濾波的觀測(cè)方程Y(K)為:

Y(K)=C(K)X(K)+V(K)

(15)

其中，測(cè)量的噪聲為零的均值是V(K)，

而式子C(K)=[secEj(K)secEj(K)·dλsecEj(K)·dφ1]則是觀測(cè)值Y(K)。

a5·φ·γ+a6·φ3+a7·γ3+a8·φ2·γ+

a9·φ·γ2+a10·φ4+a11·γ4+a12·φ3·γ+

a13·φ3·γ+a14·φ·γ

(16)

或六系數(shù)二次曲面模型(CoCo，1991)：

a5·γ·φ

(17)

bnmsinm(λ-λ0))

(18)

對(duì)于上述的方法，從上個(gè)世紀(jì)開始就有很多國內(nèi)外的專家學(xué)者做了研究和深入。他們的初步結(jié)論是：如果要求無論是哪個(gè)方面的硬件延遲都要穩(wěn)定，則硬件部件不能發(fā)生變化。但到目前為止還沒有對(duì)以上任何一種方法做出實(shí)際的應(yīng)用，因而可能實(shí)施起來還有點(diǎn)難度，因?yàn)檫@些方法很多都是從分析電離層的形態(tài)的角度出發(fā)的。如果一定要把實(shí)際應(yīng)用和上述方法結(jié)合起來的話，就必須對(duì)DCB的有效性做出估計(jì)。

3實(shí)例分析

3.1數(shù)據(jù)來源

在所利用的數(shù)據(jù)方面，根據(jù)上述設(shè)計(jì)研究方案以及學(xué)校已經(jīng)擁有的設(shè)備資源，本文采用的是某高校的一個(gè)CORS站的GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)所采用的時(shí)間范圍是2014年3月8日至4月8日，與之相應(yīng)的INOEX文件和SP3文件是從IGS網(wǎng)站上得來的?？紤]到夜間電離層相對(duì)規(guī)則，空間和時(shí)間的模型可以描述實(shí)際情況比較準(zhǔn)確，如果想要更好地解釋站的位置和電離層活動(dòng)的靈敏度結(jié)果的話，就要利用這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算。所以，本文利用的數(shù)據(jù)就是夜間18：00至24：00的數(shù)據(jù)，同樣的應(yīng)該將相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間范圍列入考慮之中。因此，討論了某高校臺(tái)站的硬件延遲。

3.2數(shù)據(jù)處理過程

3.2.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)GPS硬件延遲解算所需要的數(shù)據(jù)包括有：GPS臺(tái)站所觀測(cè)的O文件(觀測(cè)值文件)、IGS站發(fā)布的SP3文件(精密星歷文件)以及IONEX文件。首先，由于臺(tái)站的數(shù)據(jù)直接獲得的是后綴名為HCN類型的文件，因此先要將它轉(zhuǎn)化成O文件。其具體的轉(zhuǎn)換方法是利用RINEX Converter程序，直接將原文件導(dǎo)入進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以得到結(jié)果，圖1給出了程序的截圖。然后利用MATLAB程序讀取O文件，從其中提取出計(jì)算所需要的偽距觀測(cè)值P1、P2，為區(qū)域建模做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。但是在此過程中又遇到了一系列問題，因?yàn)檗D(zhuǎn)化過的O文件中同時(shí)包含有GPS星歷、GLONASS星歷以及北斗星歷，但其中的GLONASS衛(wèi)星的硬件延遲是不需要研究的，所以需要用TEQC軟件將其剔除，如果沒有及時(shí)剔除的話，日后用MATLAB處理數(shù)據(jù)就會(huì)遇到相應(yīng)的錯(cuò)誤，其數(shù)據(jù)讀取也會(huì)中斷。

IONEX文件是從IGS網(wǎng)站中獲得的，在網(wǎng)站上直接下載完IONEX類型的數(shù)據(jù)之后同樣需要對(duì)其進(jìn)行處理。因?yàn)槲覀冃枰x取的時(shí)間歷年是格里高利歷，所以還需要用GPS Time Trans軟件將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體步驟見圖2和圖3。如果全天都沒有觀測(cè)值的衛(wèi)星這時(shí)候讀取IONEX文件中的DCB就起了作用。

圖1　RINEX Converter軟件轉(zhuǎn)化截圖

圖2　GPS Time Trans軟件轉(zhuǎn)換歷年截圖

圖3　GPS Time Trans軟件轉(zhuǎn)換歷年截圖

SP3文件的獲得同樣是IGS網(wǎng)站。其作用是利用文件中精密星歷數(shù)據(jù)計(jì)算出衛(wèi)星坐標(biāo)，然后計(jì)算出站星連線與電離層單層模型的穿刺點(diǎn)坐標(biāo)。

3.2.2具體處理過程將所有的數(shù)據(jù)都處理完全后就可以開始讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，具體讀取處理數(shù)據(jù)的軟件是MATLAB。用MATLAB程序處理數(shù)據(jù)的步驟為：

(1)將MATLAB當(dāng)前的文件夾加載為MATLAB_DCB(即本文的程序名或所在位置)；

(2)運(yùn)行文件夾中名為SDCB_Main的程序；

(3)依次讀取O文件、SP3文件以及IONEX文件，分別計(jì)算出載波觀測(cè)值(L1、L2)以及偽距值(P1、P2)、衛(wèi)星擬合坐標(biāo)；

(4)利用第3步計(jì)算得到的數(shù)據(jù)計(jì)算出平滑偽距差(P4)；

(5)最后，建立觀測(cè)值方程，解算出模型參數(shù)，接收機(jī)和衛(wèi)星硬件延遲(DCB)。

3.2.3結(jié)果的分析所有數(shù)據(jù)的解算結(jié)果都存放在名為S_Result的文件夾中，加載其中的ptag文件夾中的數(shù)據(jù)，就可以得到接收機(jī)延遲(DCB_R)和衛(wèi)星延遲(DCB_S)的具體數(shù)據(jù)。其中由于IONEX文件、O文件以及SP3文件是分別按每天處理的，所以工作量較大，效率也較低。因?yàn)槊刻斓慕邮諜C(jī)延遲只有一個(gè)數(shù)據(jù)，所以用MATLAB做出了總共31天的接收機(jī)延遲(DCB_R)的變化情況圖，見圖4。通過對(duì)本圖形的觀察可知道，接收機(jī)的硬件延遲在一定的時(shí)間可以被認(rèn)為是在一點(diǎn)范圍內(nèi)波動(dòng)或者說波動(dòng)不大的，但也不排除變化很大的數(shù)據(jù)，如圖中第十天左右的數(shù)據(jù)，其具體的解決方法在日后的研究中看是否能夠得到解決。

圖4　31天的接收機(jī)延遲變化圖

圖5至圖10給出了從3月8日至3月13日這6天的衛(wèi)星延遲(DCB)的數(shù)據(jù)成果圖，其中縱坐標(biāo)代表DCB的值，橫坐標(biāo)代表的是衛(wèi)星的編號(hào)。通過這幾天的圖形可以觀察出，利用MATLAB程序解算出的衛(wèi)星硬件延遲(DCB)應(yīng)該在可以接收的范圍內(nèi)，其最大值不超過10，最小值接近于0。

圖5 圖6 圖7

圖8 圖9 圖10

4結(jié)語

本文通過對(duì)GPS測(cè)量TEC的原理的探討、GPS系統(tǒng)的硬件延遲偏差以及對(duì)TEC的影和對(duì)GPS系統(tǒng)硬件延遲解算原理與方法的初步研究，表明系統(tǒng)硬件延遲的存在和解算精度都會(huì)對(duì)TEC解算產(chǎn)生較大的影響, 這就提醒我們指導(dǎo)硬件延遲對(duì)其他各種模型的影響也都是不可忽略的。通過對(duì)GPS系統(tǒng)硬件延遲的估算方法研究，得到GPS信號(hào)在衛(wèi)星和接收機(jī)硬件內(nèi)部的延遲量。對(duì)電離層的研究而言，可以精確獲得TEC從而消弱電離層延遲誤差的影響，從而改善用戶的定位精度。還可以通過進(jìn)一步的研究硬件延遲對(duì)衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差修正的影響，從而提高偽距精度。本文還通過對(duì)某高校的數(shù)據(jù)分析，得出硬件延遲(包括衛(wèi)星信號(hào)延遲和接收機(jī)延遲)在一定的時(shí)間和范圍內(nèi)都是穩(wěn)定的。

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The Analysis of GPS System's Hardware Delay

HE Jing

(Traffic and Surveying Engineering School of Yangling Vocational and Technical College, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:Based on a month data of base station of a college from March to April in 2014 and the processed analysis, this paper mainly studies the GPS system hardware delay issues, which results from many causes, mainly due to the propagation delay about the observed signal in the satellite and receiver hardware. The application scope of high precision navigation and positioning becomes more and more wide, with the influence of separating and overcoming the hardware delay, the enhancement of positioning accuracy becomes more important, the results show that it is stable in a certain time.

Key words:GPS; hardware delay; TEC; stability

中圖分類號(hào)：TN967.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9131(2015)01-0011-05

作者簡(jiǎn)介：賀 婧(1989-)，女，青海西寧人，碩士，助教，現(xiàn)主要從事工程測(cè)量技術(shù)專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2014-09-18