三頻GNSS精密定位理論與方法研究

蘆海濤

【摘要】如今，三頻GNSS精密定位技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成功應(yīng)用于北斗系統(tǒng)。但是，相比而言，我國(guó)應(yīng)用三頻GNSS精密定位技術(shù)的時(shí)間比較短，缺乏理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。要想發(fā)揮出三頻GNSS精密定位的作用，國(guó)內(nèi)就必須加大對(duì)三頻GNSS精密定位理論和方法研究，提高三頻GNSS精密定位的精準(zhǔn)度。

【關(guān)鍵詞】三頻; GNSS ;精密定位;定位方法

當(dāng)下，國(guó)內(nèi)北斗系統(tǒng)正在快速運(yùn)行，可以使用的衛(wèi)星資源數(shù)量和種類也在不斷增多，對(duì)三頻GNSS精密定位的研究可以提高三頻GNSS精密定位的精準(zhǔn)度，體現(xiàn)出三頻GNSS精密定位的作用和價(jià)值。

1. 三頻GNSS精密定位理論

如今，專業(yè)人員利用滑動(dòng)多項(xiàng)式擬合改進(jìn)了三頻GNSS精密定位的計(jì)算方法，提高了三頻GNSS精密定位的準(zhǔn)確度，通過分析幾何組合之間的歷元差分，分析三頻GNSS精密系統(tǒng)接觀測(cè)值，以此來獲取三頻GNSS精密定位建模的方法。目前，專業(yè)人員已經(jīng)得出三頻GNSS精密定位的推算公式，可以準(zhǔn)確的對(duì)比偽距，這樣就可以有效避免超寬觀測(cè)路徑相互影響，更好的保證定位的精準(zhǔn)度。在三頻GNSS精密定位系統(tǒng)應(yīng)用的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)三頻修復(fù)不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，而導(dǎo)致三頻修復(fù)不準(zhǔn)確的原因比較多，相關(guān)人員首先要分析出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因，隨后就需要針對(duì)存在的問題采取完善對(duì)策。針對(duì)三頻修復(fù)不準(zhǔn)確的問題，工作人員可以先調(diào)整三頻GNSS精密定位系統(tǒng)搜索的范圍，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性，系統(tǒng)搜索的范圍越小，修復(fù)的準(zhǔn)確度就會(huì)越高，定位也就越準(zhǔn)確，這也是三頻GNSS精密定位系統(tǒng)存在的局限性，在使用范圍上有一定的要求。全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)是在了解每一個(gè)用戶的時(shí)間差之后，再利用兩個(gè)衛(wèi)星之間的距離，發(fā)射的時(shí)間等多種方式測(cè)量。全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)是一種無(wú)線定位系統(tǒng)，它一般存在于地球的表面或者是在地表附近的任何空間，地點(diǎn)，為每一個(gè)客戶提供關(guān)于自己所需要的三維定位以及關(guān)于時(shí)間速度等多種信息。在收到5顆衛(wèi)星后，可以為用戶精準(zhǔn)的提供所需要的經(jīng)緯度以及地表高度。前蘇聯(lián)國(guó)防部曾經(jīng)獨(dú)立研發(fā)出第二代用于軍用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)——GLONASS。在GPS系統(tǒng)之后，GLONASS由前蘇聯(lián)獨(dú)立研發(fā)的全球第二個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星、用戶、以及地表監(jiān)測(cè)站組成了GLONASS，GLONASS是由23顆工作的主要星以及5顆備用星聯(lián)合組成，依次分布于4個(gè)平行軌道上。每一個(gè)軌道由6顆衛(wèi)星組合，軌道離地面2萬(wàn)公里，主要的運(yùn)行周期為11小時(shí)20分鐘。GLONASS是前蘇聯(lián)在上個(gè)世紀(jì)60年代末開始研發(fā)，自1984年發(fā)射了第一顆衛(wèi)星正式進(jìn)入軌道。由于前蘇聯(lián)經(jīng)濟(jì)和政治等多方面的原因，科研經(jīng)費(fèi)不足，使得GLONASS長(zhǎng)久未修理，出現(xiàn)老化，甚至凄涼到僅剩4顆衛(wèi)星正常運(yùn)行。

2003年12月，俄羅斯政府關(guān)于科研生產(chǎn)的聯(lián)合公司成功研發(fā)出最新一代的人造衛(wèi)星，被俄羅斯政府采用，交于聯(lián)邦航空局和國(guó)防部正式試用。并在2008年成功將GLONASS更新?lián)Q代。雖然GLONASS對(duì)于個(gè)體精確的定位上，相比GPS系統(tǒng)相對(duì)不足，但是GLONASS在技術(shù)層面，對(duì)比GPS系統(tǒng)，有著更好的抗干擾能力。在2004年，印度政府與俄羅斯政府簽訂了關(guān)于俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)合作的相關(guān)協(xié)議，并且兩個(gè)共同協(xié)商聯(lián)合發(fā)射20顆衛(wèi)星。該項(xiàng)目在1977年就開始計(jì)劃運(yùn)行，并在上個(gè)世紀(jì)90年代構(gòu)建完成。在前蘇聯(lián)解體之后，GLONASS系統(tǒng)沒有經(jīng)費(fèi)的支持下，中斷了該項(xiàng)目。在2001年8月，俄羅斯政府在經(jīng)濟(jì)得到恢復(fù)之后，加大了對(duì)該項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)投入。GLONASS該系統(tǒng)經(jīng)過了數(shù)十年的長(zhǎng)期棄用后，在俄羅斯政府的支持下在2011年恢復(fù)了所有系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2. 三頻GNSS精密定位特點(diǎn)

三頻GNSS系統(tǒng)，是一種精密的單點(diǎn)定位系統(tǒng)，它是在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中屬于一種技術(shù)方面的新發(fā)明，它是在IGS定位系統(tǒng)提供了相應(yīng)的幫幫助，以及每個(gè)時(shí)差之間經(jīng)過計(jì)算后修正了延遲，通過三頻定位模糊化以及載波相觀的測(cè)量后，進(jìn)行精確地單點(diǎn)定位。對(duì)超寬巷相位為據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算后，定位模糊度通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算，以及通過觀察模糊度解算出窄巷的模糊度。利用GNSS三頻機(jī)密單位定位的系統(tǒng)進(jìn)行模糊定位，減少了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的數(shù)量，提高了計(jì)算的效率和減少時(shí)間，同時(shí)提高了精密單點(diǎn)模糊定位的爆率以及精準(zhǔn)度。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，你的組裝有著很好的四和一組的單位系統(tǒng)，在安裝方面為客戶的安裝減少了大量的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。用途較廣，可以達(dá)到很高的密度需求，且重量輕，運(yùn)輸方便。主要特點(diǎn)是定位精確定位可以減少重復(fù)度，行走的平面度較準(zhǔn)確，以及對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)能夠很好的監(jiān)測(cè)。從組裝的人員不需要很高的專業(yè)知識(shí)和技能就可以進(jìn)行組裝。對(duì)于自然環(huán)境有著很好的防塵效果，以及潤(rùn)滑更容易進(jìn)行保養(yǎng)，可以提供再利用的利用率，減少產(chǎn)品的維修經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。通過對(duì)兩個(gè)參考站的接收，對(duì)觀察值進(jìn)行評(píng)估，然后在無(wú)電離層進(jìn)行模糊度的考察和寬窄巷模糊度的參數(shù)分析，最后利用固定的模糊度在原有的模糊度進(jìn)行還原，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的GNSS系統(tǒng)可以充分的利用原始的基線模糊度對(duì)參考站進(jìn)行模糊定位，加快了模糊度的收集資料和收縮度極大了，提高了準(zhǔn)確度和速度。

3. 三頻GNSS精密定位方法

3.1 序貫取整法

相比其他方法而言，序貫取整法更注重整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)性，該方法第一步是先進(jìn)行模糊度取值，所取數(shù)值必須是整數(shù)，然后分析模糊度相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，并不斷獲取新的數(shù)值，以此類推最終獲取到準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)。

3.2 無(wú)幾何算法

事實(shí)上，無(wú)幾何算法與序貫取整法的計(jì)算原理基本相同，兩種方法的核心思想都是建立模糊度模型，這樣可以有效避免計(jì)算誤差，降低外部因素對(duì)三頻GNSS精密定位準(zhǔn)確度的影響。提出基于h頻以及載波無(wú)幾何方面的電子離層相互組合，并且基于h載波H波偉距離進(jìn)行模糊度的高密度快速的進(jìn)行結(jié)算的一種方法，必須要在分析和了解基線模糊度的固定上，能夠?qū)φ`差因素進(jìn)行充分了解和減少后。通過對(duì)h頻的距離以及載波通過電離子談成進(jìn)行組合固定，并且利用載波進(jìn)行無(wú)幾何的組合，通過結(jié)算窄巷的模糊度，將模糊度固定在可控的范圍內(nèi)，僅僅受到外界噪音的干擾，并且可以高效地解決短中長(zhǎng)幾線的電離子層出現(xiàn)延時(shí)誤差以及對(duì)模糊度進(jìn)行造成危害的影響。在對(duì)窄巷模糊度進(jìn)行多種分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，進(jìn)行多令原平的平滑數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高密度的頻率模糊度固定，并且通過推導(dǎo)任何兩個(gè)超寬巷的組合和分離都會(huì)對(duì)另一個(gè)窄巷組合進(jìn)行模糊的誤差減少。通過對(duì)寬巷和窄巷的組合特性以及它的性狀，對(duì)他的波長(zhǎng)以及磁電離子層噪音的受影響度進(jìn)行多角度的分析，分別選取了GPS以及BDS系統(tǒng)對(duì)于固定模型的考察針對(duì)基線的影響的影響因素，進(jìn)行了模糊度的結(jié)算以及考察。對(duì)該系統(tǒng)的考察發(fā)現(xiàn)，對(duì)模糊度的分析可以更好的幫助工程機(jī)械的固定，使得在理論的基礎(chǔ)上可以更好地減少誤差保證準(zhǔn)確度。從原有的固定模糊度超像取代了現(xiàn)在的寬相組合，可以減少噪音的干擾，并且對(duì)基線和結(jié)算的效果有著很好的幫助。

分析了影響中長(zhǎng)基線模糊度固定的主要因素;采用理論推導(dǎo)證明了任意一個(gè)由兩個(gè)超寬巷組合和一個(gè)窄巷組合構(gòu)造的三頻載波無(wú)幾何無(wú)電離層組合中窄巷組合模糊度誤差值均相等。基于三頻偽距/載波無(wú)幾何無(wú)電離層組合和三頻載波無(wú)幾何無(wú)電離層組合，提出了基于GIF組合的中長(zhǎng)基線三頻模糊度快速解算方法，該方法能夠有效削弱中長(zhǎng)基線電離層延遲誤差對(duì)模糊度固定的影響，提高了模糊度固定的準(zhǔn)確性。

4. 結(jié)語(yǔ)

目前，三頻GNSS精密定位的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，其應(yīng)用方法也在不斷增多。但是，相對(duì)而言，我國(guó)應(yīng)用三頻GNSS精密定位的時(shí)間比較短，該技術(shù)主要從其他國(guó)家引進(jìn)，在應(yīng)用過程中還存在一些問題，還需要不斷完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃令勇.三頻GNSS精密定位理論與方法研究[D].解放軍信息工程大學(xué)，2015.

[2]于興旺.多頻GNSS精密定位理論與方法研究[D].武漢大學(xué)，2011.