基于三頻載波組合的周跳探測方法研究

王俊杰,徐東風(fēng)

(南京地鐵資源開發(fā)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

基于三頻載波組合的周跳探測方法研究

王俊杰,徐東風(fēng)

(南京地鐵資源開發(fā)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

針對GPS現(xiàn)代化的發(fā)展，采用L1,L2,L5三種載波進(jìn)行線性組合，進(jìn)行周跳探測。實(shí)例表明：該組合具有較長的波長，可以降低測量噪聲，其觀測值模型對周跳非常敏感，可以探測出大于0.2周的周跳。

高精度；GPS現(xiàn)代化；載波組合；周跳

在日常生活和工作中GPS導(dǎo)航與定位已廣泛應(yīng)用，如何提高導(dǎo)航與定位的精度成為國內(nèi)外專家學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，而如何解決周跳[1-2]的探測與修復(fù)則是提高定位精度的核心問題之一。目前已有的周跳方法主要有差分法、電離層殘差法、多項(xiàng)式擬合法和站間或站星差分法等[3]。以上幾種周跳探測方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇，同時也可采用聯(lián)合處理。

由于GPS現(xiàn)代化的發(fā)展[4]，其中最重要的是開始提供民用的L5載波，從而為周跳的探測提供了更多的線性組合方式，具有深遠(yuǎn)的研究價值。依據(jù)較長波長和較弱測量噪聲等優(yōu)良特性的組合觀測值，擬采用L1,L2,L5三種載波進(jìn)行組合,進(jìn)行相應(yīng)的周跳的探測。實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法進(jìn)行組合的觀測值模型對周跳非常敏感，可以探測出大于0.2周的周跳，相對于其他周跳探測方法具有明顯的提高。

1 構(gòu)造周跳檢測量

一般情況下，基線的雙差載波觀測和偽距觀測量模型[5]：

(1)

其中，i=1,2,5；σ(φi)=0.05周；σ(Pi)=1 m；εφi,εPi表示各種誤差的綜合，主要包括衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星位置誤差、對流層、電離層延遲，多路徑效應(yīng)和噪聲誤差等。

相對應(yīng)的觀測值組合[6]包括：

(2)

式中：m,n=1,2,5。當(dāng)m=2,n=5時，該式稱為超寬巷組合，同時相關(guān)頻率、波長和整周模糊度具有如下的關(guān)系：

(3)

則各種載波組合其頻率和波長具體數(shù)值如表1所示。

表1 組合觀測值

由上表可以看出超寬巷組合具有較長的波長，對周跳有較高的靈敏性，便于進(jìn)行周跳的探測。

2 超寬巷組合周跳的探測

不同頻率的載波和對應(yīng)的相位觀測值之間具有相關(guān)性[7-11]，則得到L5載波的相位觀測值：

(4)

偽距觀測方程為

(5)

(6)

初始距離觀測值需選擇精度高的雙差偽距觀測值，故采用L5的偽距觀測值作為初始距離觀測值。

(7)

則超寬巷組合的整周模糊度為

(8)

其中，λL25=5.861 m，σ(NL25)=0.2周，重復(fù)計(jì)算得到較為精確的站星之間的幾何距離：

(9)

同理，根據(jù)σ(NL12)=0.5周，再次進(jìn)行站星距離幾何計(jì)算為

(10)

根據(jù)式(1)，得到

(11)

根據(jù)式(10)，得到σ(NL1)=0.3周，σ(NL2)=0.4周，則可以把L1和L2的整周模糊度確定下來，根據(jù)兩者整周模糊度在歷元間的變化進(jìn)行周跳的探測。

3 實(shí)例分析

利用觀測的數(shù)據(jù)，對L5的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析L2和超寬巷組合觀測值歷元間的整周模糊度之差，并以3σ作為判斷是否存在周跳，當(dāng)超過限差值，則該值即為周跳數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)選取一組含有120連續(xù)歷元無周跳的PRN24衛(wèi)星數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)以30 s的間隔進(jìn)行采樣。圖1和圖2分別表示無周跳條件下，L2載波和超寬巷組合觀測值隨歷元的變化。

圖1 無周跳L2觀測值模糊度隨歷元變化

圖2 無周跳超寬巷組合模糊度隨歷元變化

由圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)L2載波無周跳連續(xù)歷元模糊度差變化范圍在±1周之內(nèi)，而超寬巷組合無周跳連續(xù)歷元模糊度差變化范圍在±0.1周之內(nèi)，同時L2載波和超寬巷模糊度之差均在允許臨界值之內(nèi)，根據(jù)以上數(shù)據(jù)，超寬巷組合可以探測出大于0.2周的周跳。

為了檢驗(yàn)超寬巷組合的探測效果，人為對第30個歷元加0.5周跳；第50歷元加2周跳；第70歷元加0.3周跳。得到如圖3和圖4所示含有周跳時，L2載波和超寬巷模糊度隨歷元變化的模糊度。

圖3 含有周跳的L2觀測值模糊度隨歷元變化

圖4 含有周跳超寬巷組合觀測值變化

從以上數(shù)據(jù)圖表發(fā)現(xiàn)，超寬巷組合觀測值模型對周跳非常敏感，更容易對周跳的探測。

4 結(jié) 論

通過對GPS現(xiàn)代化后L5載波的研究，發(fā)現(xiàn)可以利用三種載波進(jìn)行相互組合，得到超寬巷組合的周跳探測方法，并利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)利用L5載波偽距作為初始值對超寬巷組合模糊度進(jìn)行求解，同時得到相對精確的站星距離，然后進(jìn)行類似上一步處理，得出超寬巷組合更精確的整周模糊度和站星距離。

2)超寬巷組合具有較長的波長，對周跳有較高的靈敏性，相對于其他的周跳探測方法具有明顯優(yōu)勢，該組合可以探測出大于0.2周的周跳。

[1] 劉大杰，施一民，過靜珺. 全球定位系統(tǒng)(GPS)的原理與數(shù)據(jù)處理[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

[2] 李征航，黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社,2010.

[3] 伍岳.第二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多頻率數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[D]. 武漢: 武漢大學(xué), 2005.

[4] 陳俊勇.GPS進(jìn)展及其現(xiàn)代化[J]. 大地測量與地球動力學(xué), 2010，30(3): 1-4.

[5] 陳央央. GPS周跳探測與修復(fù)問題研究[D]. 西安: 長安大學(xué)，2014.

[6] 張書畢，朱紹攀，張秋昭. 一種GPS周跳探測與修復(fù)的組合算法[J]. 測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2012, 29(1): 1-4.

[7] 李樂樂，王振杰，賀凱飛. 基于北斗三頻數(shù)據(jù)的周跳探測與修復(fù)[J]. 測繪工程，2016,25(10)：20-25.

[8] 李彬.北斗系統(tǒng)周跳探測與修復(fù)方法探究[J].測繪與空間地理信息,2016,39(8):160-165.

[9] 彭秀英. GPS周跳探測與修復(fù)的算法研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 青島: 中國石油大學(xué)，2007.

[10] 賈沛璋，吳連大.單頻GPS周跳檢測與估計(jì)算法[J].天文學(xué)報(bào), 2001,42(2):192.

[11] 陶庭葉，何偉，高飛,等. 綜合電離層殘差和超寬巷探測和修復(fù)北斗周跳[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2015, 23(1): 55-58.

[責(zé)任編輯：李銘娜]

On the method of detecting cycle slips based on combination of triple frequency carrier

WANG Junjie，XU Dongfeng

(Nanjing Metro Resources Development Co., Ltd.,Nanjing 210012, China)

The modernization of GPS makes it possible to adopt the combination ofL1,L2andL5carrier waves, to detect the cycle slip.The case is characterized with longer wave length which can reduce the measurement noise. The observation model shows that it is highly sensitive to cycle slips, which can detect the cycle slip is larger than 0.2.

high-resolution; the modernization of GPS; combined carrier waves; cycle clip

著錄：王俊杰,徐東風(fēng).基于三頻載波組合的周跳探測方法研究[J].測繪工程，2017，26(11)：69-70，76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.015

2016-10-09

王俊杰(1990-)，男，助理工程師，碩士.

P228

A

1006-7949(2017)11-0069-02