徐地保,丁玉平

(江蘇省測繪工程院,江蘇南京 210013)

區(qū)域CORS周跳的探測與修復(fù)

徐地保,丁玉平

(江蘇省測繪工程院,江蘇南京 210013)

介紹常用的周跳探測與修復(fù)方法,并分析各種方法存在的優(yōu)缺點。在對 JSCORS系統(tǒng)的原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,利用相位減偽距法聯(lián)合電離層殘差法對 JSCORS系統(tǒng)的原始觀測數(shù)據(jù)進行周跳探測試驗,取得了良好的效果。

JSCORS;周跳探測與修復(fù);多路徑效應(yīng);電離層殘差法

一、引 言

連續(xù)運行參考站 (continuously operating reference stations,CORS)系統(tǒng)是建立和維持相應(yīng)地區(qū)高精度靜態(tài)和動態(tài)地心三維坐標參考框架的基礎(chǔ)設(shè)施,同時還可以提供厘米級精度的實時定位,提供毫米級后處理精密定位。精密定位是利用載波相位觀測量進行計算的,但對于載波相位觀測量,周跳的探測與修復(fù)和整周模糊度的解算始終是兩個核心問題。

一般來講,在整個觀測時間內(nèi),如果不產(chǎn)生周跳,則相位觀測值初始模糊度保持不變。然而,由于電離層活動劇烈、多路徑效應(yīng)等觀測條件的變化等原因,導(dǎo)致信號失鎖,從而產(chǎn)生周跳。本文基于江蘇省連續(xù)運行參考站 (JSCORS)系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)特征,對參考站的周跳探測與修復(fù)進行討論。

二、常用的周跳探測方法

周跳探測的基本方法總體上可以分成兩類：①基于檢測量在時間上的連續(xù)性,利用周跳破壞了這種連續(xù)性來探測周跳,主要包括高次差法、多項式擬合法、電離層殘差法、相位減偽距法、雙頻 P碼法、小波分析法等,這類方法都是利用這一原理,通過構(gòu)造不同的檢測量來探測周跳的;②利用粗差檢測技術(shù)進行周跳探測,如擬準檢定法和卡爾曼濾波法。

1.多項式擬合法

多項式擬合法是根據(jù)無周跳的 N個值擬合一個 k階多項式。當擬合的相位值和實際觀測值相差較大時,認為該相位觀測值存在周跳。該方法的優(yōu)點是可分別對 L1和 L2的載波相位觀測值或雙頻組合觀測值進行周跳探測。但是,此方法需要載波相位變化率觀測值,對于不能提供該類方法的接收機不能使用。另外,該方法要求采樣率高、失鎖時間短,且只對大周跳敏感。

2.雙頻 P碼法

該方法利用某一歷元的雙頻 P碼偽距和載波相位觀測值,求出寬巷整周模糊度,并求出前 i個模糊度的平均值及其方差。將求得的第 i+1個模糊度與平均值求差,若此差值的絕對值大于限差,認為該歷元可能發(fā)生周跳。該方法求得的是寬巷觀測值的周跳,需要借助其他方法才能判斷周跳是由L1還是L2觀測值中的周跳所引起的。

3.卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波是一種基于線性無偏最小方差估計原理的遞推濾波方法,其探測修復(fù)周跳的關(guān)鍵是對系統(tǒng)的正確描述,從而建立運動系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程。根據(jù)前一時刻的狀態(tài)估值和當前時刻的觀測值,遞推估計新的狀態(tài)估值。適用于處理歷元變化較小的雙差觀測值,但不能把周跳值修正到各個相位觀測值上。

三、JSCORS周跳的探測與修復(fù)

JSCORS系統(tǒng)由 76個連續(xù)運行參考站構(gòu)成,為江蘇省內(nèi)的各級用戶提供實時、準實時和事后定位等服務(wù)。在參考站分布設(shè)計和站址選擇的過程中,充分考慮了諸多影響因素,并采用高性能的接收機,以保證整個參考站網(wǎng)的性能以及各參考站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1.參考站觀測數(shù)據(jù)特征

觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量會影響到周跳探測的效果,因此有必要在周跳探測之前對數(shù)據(jù)的總體特征進行分析。利用 TEQC軟件對南京市八個參考站 2009年 1月 1日—6日的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢核,提取觀測數(shù)據(jù)關(guān)于數(shù)據(jù)完整性、多路徑效應(yīng)以及 (電離層殘差)的數(shù)據(jù)指標。

(1)數(shù)據(jù)完好性分析

數(shù)據(jù)的完好性分析是為了檢核參考站的數(shù)據(jù)觀測和數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量等,為周跳探測與修復(fù)方法的選擇提供統(tǒng)計依據(jù)。各參考站觀測數(shù)據(jù)整體完整性大都在 99%以上,但部分參考站數(shù)據(jù)存在缺失現(xiàn)象,對于周跳的探測與修復(fù)是十分不利的。

(2)多路徑分析

為反映觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量受到參考站周圍環(huán)境的影響,進行多路徑效應(yīng)的分析。八個參考站的M P1和M P2如圖 1～圖 2所示。

圖1 各參考站M P1

圖2 各參考站M P2

由圖 1～圖 2可以看出,除個別站外,各參考站的M P1、M P2的值均在 0.5 m以內(nèi),其值日變化較小。這是因為在參考站選址過程中充分考慮了站點周圍的環(huán)境影響,基本上把站點建設(shè)在觀測條件較好、環(huán)境擾動較小的地點。

2.周跳探測與修復(fù)的方法

根據(jù)南京地區(qū)參考站的數(shù)據(jù)特征,本文采用相位減偽距法和電離層殘差法的組合方法進行周跳探測。利用相位減偽距法探測并修復(fù)大于 7周的周跳,由于受觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,會出現(xiàn)周跳探測不完全、修復(fù)不徹底的情況。針對未能探測出的小于 7周的周跳,利用電離層殘差法進行探測,并結(jié)合偽距約束法確定 L1、L2上的周跳。通過兩種周跳探測方法的合理組合,可以有效探測并修復(fù)參考站觀測數(shù)據(jù)中的周跳。

(1)相位減偽距法

根據(jù)相位觀測和偽距觀測方程,對載波相位觀測量和偽距觀測量求差,可消除接收機和衛(wèi)星鐘差的影響,得到

式中,ε為除電離層延遲影響、多路徑效應(yīng)和測量誤差的綜合誤差。在歷元間求差,得到相位減偽距法的檢測量

由于信號采樣間隔較短(30 s),電離層殘差、多路徑效應(yīng)在時間上相關(guān)性較強,歷元間求差后對周跳檢測量的影響較小,因此可以忽略。JSCORS系統(tǒng)中,參考站僅可以獲得 L1頻率的 C/A碼偽距和L2頻率的 P2碼數(shù)據(jù),可以將 P2碼代替 C/A碼偽距計算Δ φi(t),其精度主要受偽距測量誤差的影響。偽距測量的測距精度對于 P碼約為 29 cm;而載波相位相應(yīng)的波長為λ1=19.03 cm,λ2=24.42 cm。運用誤差傳播定律得:對于 L1,mΔ1≈1.8周;對于L2,mΔ2≈2.3周。

因此,在僅能獲得 P2碼觀測值的情形下,以 3倍檢測量方差為限,檢測量Δ φi(t)能探測出大于7～8周的周跳。

(2)電離層殘差法

電離層殘差法利用雙頻載波相位觀測量的電離層殘差組成檢測量,并根據(jù)檢測量在歷元間的變化來探測是否出現(xiàn)周跳。根據(jù)雙頻載波相位觀測方程,構(gòu)造電離層殘差檢測量

式中,Δion(t)為電離層殘差。

在歷元間求差,若不存在周跳,則

若L1和L2上的周跳分別為ΔN1和ΔN2,則

當電離層比較穩(wěn)定且沒有周跳發(fā)生時,Δ φi(t)在零附近波動;當發(fā)生周跳時,Δ φi(t)就會出現(xiàn)異常值,從而確定周跳的存在。運用誤差傳播定律得

以 3倍檢測量方差為限,其限差約為 0.07周,即理論上當兩個載波上的周跳引起的歷元間電離層殘差檢測量變化值大于 0.07周時,才能有效地探測出周跳。

(3)偽距約束法確定周跳值

電離層殘差法探測出周跳以后,本文采用偽距約束法進一步確定 L1、L2上的周跳大小。分別對偽距觀測方程和載波相位觀測方程在歷元間求差,得到周跳解的約束條件,進一步得到周跳的準確解。

3.算例分析

以NJLH站 2009年 1月 1日 Prn2和 Prn20的觀測數(shù)據(jù)為例,利用 TEQC軟件對觀測數(shù)據(jù)進行檢驗,Prn2不存在周跳,Prn20的 L1載波和L2載波上分別存在 15個和 16個周跳,如圖 3～圖 8所示。

圖 3 Prn2 L1相位減偽距檢測量變化圖

圖 4 Prn20 L1相位減偽距檢測量變化圖

圖 5 Prn2 L2相位減偽距檢測量變化圖

圖 6 Prn20 L2相位減偽距檢測量變化圖

圖 7 Prn2修復(fù)后電離層殘差檢測量變化圖

圖 8 Prn20修復(fù)后電離層殘差檢測量變化圖

圖 3、圖 4分別為 Prn2和 Prn20的L1載波相位減偽距法的檢測量隨時間的變化曲線,圖 5、圖 6分別為 Prn2和 Prn20的L2載波相位減偽距法的檢測量隨時間的變化曲線?？梢钥闯鱿辔粶p偽距法的檢測量的值主要集中(-2,2)這一區(qū)間內(nèi)。曲線的兩端檢測量值偏大,其原因為曲線的兩端所處的歷元衛(wèi)星高度角偏小,同時受多路徑效應(yīng)的影響,導(dǎo)致檢測量浮動較大。由于相位減偽距法周跳探測精度的限制,只有當檢測量的值大于 7周時才能判定周跳的發(fā)生并予以修復(fù)。圖 7、圖 8為相位減偽距法修復(fù) 7周以上的大周跳后得到的電離層殘差法檢測量隨時間的變化曲線。當沒有周跳產(chǎn)生時,檢測量的值整體趨于穩(wěn)定,同樣是由于高度角和多路徑效應(yīng)的影響,曲線的兩端檢測量的值浮動偏大。比較圖 6和圖 8,在相同歷元處,均會出現(xiàn)檢測量超過閾值的情況。即在用相位減偽距法修復(fù)完大周跳后,在大周跳出現(xiàn)的歷元,電離層殘差法的檢測量還會超出閾值,這是因為相位減偽距法修復(fù)大周跳的精度不高,修復(fù)后還可能有部分殘余小周跳。

分別對南京八個參考站 6天的觀測數(shù)據(jù)進行了周跳探測與修復(fù),將探測的結(jié)果和 TEQC軟件探測出的周跳數(shù)進行比較,周跳探測與修復(fù)的效果比較理想。

四、結(jié)束語

相位減偽距法原理簡單、算法簡捷,可以有效探測并修復(fù) 7周以上的大周跳,電離層殘差法對小周跳敏感,結(jié)合偽距約束法可以較好地修復(fù) 1周以上的小周跳。將二者聯(lián)合應(yīng)用到CORS系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的周跳探測與修復(fù)中可以取得良好的探測修復(fù)效果。但對于觀測數(shù)據(jù)缺失較嚴重、連續(xù)性較差的情況,該方法并不適用。

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Cycle-slip Detection and Repa ir for Regional CORS

XU Dibao,D ING Yuping

0494-0911(2010)12-0020-03

P228.4

B

2010-09-21

徐地保(1963—),男,江蘇溧水人,高級工程師,主要研究方向為 GPS數(shù)據(jù)處理、航空攝影測量等。