劉博，曹健

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021)

1 引言

GPS在高精度的應(yīng)用領(lǐng)域，如大地測量領(lǐng)域，采用的GPS接收機大都是雙頻大地測量型GPS接收機，。雙頻接收機可以消除電離層影響，獲得長波長組合觀測值，容易探測與修復(fù)周跳。單頻GPS接收機接收L1載波相位觀測數(shù)據(jù)和C/A碼偽距，相對于雙頻接收機價格低廉，但是在絕對定位或長基線差分定位應(yīng)用中，無法通過雙頻組合削弱電離層的影響。值得欣喜的是:區(qū)域電離層延遲改正可以由CORS系統(tǒng)實時提供，全球電離層改正可以從IGS網(wǎng)站獲得。因此如何探測和修復(fù)單頻的周跳，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供“干凈”的數(shù)據(jù)源，得出高精度的定位結(jié)果，是單頻GPS高精度定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也成為本文的研究重點。

目前單頻周跳探測方法主要有:三次差法，最小二乘殘差法、高階差分法、低階多項式擬合法、小波變換法、擬準檢定法、外推法、卡爾曼濾波法等。

本文主要探討高次差法和多普勒法探測周跳的能力，通過模擬單頻相位周跳研究分析兩種方法探測周跳的能力、適用性及與采樣率和多普勒觀測值的聯(lián)系，得出相關(guān)結(jié)論。

2 單頻相位觀測值周跳探測實例分析

2.1 下載觀測數(shù)據(jù)并利用TEQC軟件進行預(yù)處理

本文分別采用高次差法和多項式擬合法來探測與修復(fù)單頻相位觀測值的周跳，首先從ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/上下載雙頻接收機ASHTECH UZ－12的觀測數(shù)據(jù)文件abpo001a30.08o。該數(shù)據(jù)的采樣率為 1 s，觀測值類型為 L1、L2、P1、P2、C1、S1、S2。此數(shù)據(jù)用來進行高次差分析，實驗過程中只使用L1相位觀測值。另有兩組數(shù)據(jù)BaseRNX1.07o和base3071.07o用來進行多普勒法的分析，采樣率均為 1 s，BaseRNX1.07o接收機類型為 NovAtelOEM4，觀測值類型為 C1，L1、L2、P2、D1、D2;base3071.07o接收機類型為Trimble DAT，觀測值類型為 C1，L1、L2、P2、D1、S1、S2。利用數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件TEQC檢查數(shù)據(jù)，并探測和修復(fù)存在的周跳，使用TEQC軟件的數(shù)據(jù)編輯功能將 1 s采樣率的觀測數(shù)據(jù)分別拆分為采樣率為 15 s和 30 s的兩組數(shù)據(jù)，并只保留L1和D1兩類型“干凈”的觀測數(shù)據(jù)。

2.2 實例分析

(1)高次差法

基于干凈的觀測值，以PRN8號衛(wèi)星觀測值作為研究對象，分別從 1 s，15 s，30 s三種采樣率數(shù)據(jù)中選取9個相同歷元的L1載波相位觀測數(shù)據(jù)，并在其第5個歷元分別模擬1周與100周的周跳，用于比較高次差法在不同頻率下探測周跳能力。實際應(yīng)用中采用四次差法，在Excel軟件中進行數(shù)據(jù)處理和分析。實驗結(jié)果如表1～表3所示。

1 s采樣率無周跳四次差法探測周跳的結(jié)果 表1

15 s采樣率無周跳四次差法探測周跳的結(jié)果 表2

30 s采樣率無周跳四次差法探測周跳的結(jié)果 表3

以此類推，得出加入1周跳和100周跳后四次差法的結(jié)果，如表4所示。

從表4可以看出:在加入1周周跳后，四次差的中間高，兩邊低的特點并不明顯;而在加入100周周跳后，四次差呈現(xiàn)中間高，兩邊低的特點，并且中間與兩邊的差值比較明顯。所以可見:該方法適用于大周跳的探測，對于小周跳，這種方法并不太好。

加入周跳后四次差法探測周跳的結(jié)果 表4

(2)多普勒法

從載波相位測量的特性可知，周跳前后，載波相位不再是連續(xù)函數(shù)，但其變化率(多普勒觀測值)則是連續(xù)函數(shù)，且為載波相位嚴格一階導(dǎo)數(shù)。因此利用多普勒觀測值可探測和修復(fù)周跳。利用TEQC獲得數(shù)據(jù)采樣率分別為 1 s，15 s，30 s的“干凈”觀測數(shù)據(jù)。每個采樣率選取衛(wèi)星號為PRN11的8個歷元數(shù)據(jù)。在選取數(shù)據(jù)的第5個歷元分別模擬2周，5周，10周和20周的周跳，實驗結(jié)果如表5～表8所示(表中△表示多普勒法探測出的周跳，單位為周)。

多普勒法探測2周跳結(jié)果 表5

多普勒法探測5周跳結(jié)果 表6

多普勒法探測10周跳結(jié)果 表7

多普勒法探測20周跳結(jié)果 表8

由于載波相位的觀測值精度比較高，一般在幾個毫米，L1載波相位波長約為 19 cm，所以該方法探測周跳的程度取決于多普勒觀測值的精度與數(shù)據(jù)采樣率。由表5可得:1 s采樣率時多普勒法可探測出1周以上的周跳;由表6可得:15 s采樣率時能探測出2周以上的周跳;由表7可得:而 30 s采樣率時，只能探測出10周以上的周跳。由此可知，采用多普勒法探測與修復(fù)周跳，不受接收機運動狀態(tài)影響，對于高采樣率的數(shù)據(jù)，可以探測出一周以上的周跳，對于單頻載波相位的周跳的探測與修復(fù)，是一種很好的探測方法。

3 總結(jié)

本文主要分析了單頻GPS相位周跳探測問題。通過模擬相應(yīng)的周跳，分別利用高次差法，多普勒法探測周跳，結(jié)果表明:高次差僅能探測出大周跳，對小周跳并不敏感，采樣率越高，探測周跳的能力越低;多普勒法探測周跳的能力取決于多普勒觀測精度以及數(shù)據(jù)采樣率，觀測精度越高，采樣率越高，探測小周跳能力越強，且不受接收機運動狀態(tài)的影響。

需要說明的是，周跳的探測和修復(fù)工作進行得是否完全、徹底，最終還是要用正式平差計算中的觀測值殘差來加以檢核。

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