鄧永華，曹千紅，葉 飛，張建功

（1.宜都北斗星科技發(fā)展有限公司，湖北 宜都443300；2.湖北省土地勘測(cè)規(guī)劃院，湖北 武漢 430071；3.武漢天寶耐特科技有限公司，湖北 武漢 430223）

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)測(cè)量不同于傳統(tǒng)測(cè)量方法，不受光學(xué)傳感器通視限制，但GNSS接收機(jī)測(cè)量受天空可見性約束，因此以往GNSS接收機(jī)在茂密樹林或建筑密集的區(qū)域很難得到cm級(jí)的測(cè)量解。目前有3個(gè)全面運(yùn)行的GNSS衛(wèi)星通信系統(tǒng)：GPS，GLONASS和QZSS，還有2個(gè)正在積極部署的衛(wèi)星通信系統(tǒng)Beidou和Galileo。HD-GNSS解算引擎是一種全新的GNSS解算引擎，用以適應(yīng)新的環(huán)境。

1 GNSS基本原理

1.1 定位基本原理

利用距離地面20 000 km軌道上的多顆衛(wèi)星廣播的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)精度定位確實(shí)是一件不可思議的事情。但是如果我們知道多顆衛(wèi)星所在的位置，并能計(jì)算接收機(jī)與每顆衛(wèi)星之間的距離，就可以用三角測(cè)量法計(jì)算接收機(jī)位置[1]。

每顆GNSS衛(wèi)星向接收機(jī)廣播它所在的位置，提供衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)和原子鐘時(shí)差?？梢岳眯l(wèi)星廣播的偽隨機(jī)噪聲編碼信號(hào)計(jì)算接收機(jī)到各顆衛(wèi)星的距離。由于信號(hào)傳播受大氣層影響，而且衛(wèi)星廣播的星歷表精度低，一臺(tái)自主定位接收機(jī)的位置計(jì)算精度僅為1～5 m[2]。為了克服這些主要誤差源，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)定位，GNSS接收機(jī)需要連接另一個(gè)信號(hào)源，接收非常精確的衛(wèi)星位置數(shù)據(jù)和原子鐘時(shí)差，用于所有大氣層影響的改正。

1.2 差分基本原理

差分GNSS流動(dòng)站采用參考站接收機(jī)提供的數(shù)據(jù)降低誤差，因?yàn)?種接收機(jī)的誤差幾乎相同。采用每個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的載波相位計(jì)算流動(dòng)站與衛(wèi)星之間的距離，精度可以達(dá)到cm級(jí)[3]。載波相位的波長(zhǎng)比偽隨機(jī)噪聲編碼信號(hào)的波長(zhǎng)小很多。偽隨機(jī)噪聲信號(hào)的有效波長(zhǎng)由代碼位長(zhǎng)度決定。對(duì)于GPS粗捕捉（C/A）碼，偽隨機(jī)噪聲信號(hào)的有效波長(zhǎng)為300 m，而GPS L1頻率的載波波長(zhǎng)僅為19 cm[4]。因此，可以用載波相位更精確地計(jì)算衛(wèi)星的距離。

載波相位測(cè)量就是比較接收到的信號(hào)和接收機(jī)內(nèi)置振蕩器發(fā)生的等效信號(hào)之間的相位差。打開接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)時(shí)鐘相位為零，相對(duì)于衛(wèi)星時(shí)鐘而言是隨機(jī)的。在收到衛(wèi)星信號(hào)之后進(jìn)行首次計(jì)算時(shí)，只能計(jì)算相位差的部分，這部分計(jì)算結(jié)果加上未知整波長(zhǎng)數(shù)，就是衛(wèi)星和流動(dòng)站天線之間的距離。

2 解算引擎對(duì)比

2.1 GNSS傳統(tǒng)解算引擎

未知整波長(zhǎng)數(shù)叫做整周模糊度。為了精確測(cè)量距離，處理引擎必須解算此模糊度。傳統(tǒng)的GNSS處理引擎用參考數(shù)據(jù)和流動(dòng)站數(shù)據(jù)解算整波長(zhǎng)數(shù)。在使用這種處理引擎時(shí)，解算過程通常為：首先利用偽隨機(jī)噪聲編碼和載波相位觀測(cè)生成浮點(diǎn)解，再執(zhí)行搜索解算整周模糊度，搜索成功即得到固定解。

浮點(diǎn)解精度主要受偽隨機(jī)噪聲編碼影響，所以浮點(diǎn)解質(zhì)量很差。典型的浮點(diǎn)精度為幾dm。在惡劣環(huán)境下工作時(shí)，浮點(diǎn)解常常要保留相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，然后瞬間切換到固定解。因此從浮點(diǎn)解到固定解收斂發(fā)生分化的可能性很高。采用浮點(diǎn)/固定法解算整周模糊度有很多缺點(diǎn)：①在接收機(jī)找到固定解之前，用戶不能得到可用位置；②如果處理引擎選擇一組錯(cuò)誤的整周模糊度，解算就會(huì)出錯(cuò)；③在重新搜索之前不能使用正確的整周模糊度，會(huì)把位置誤報(bào)為離群位置，并持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間(見圖1)。

圖1 傳統(tǒng)解算引擎形成錯(cuò)誤固定解

2.2 HD-GNSS解算引擎

最初的測(cè)量GPS接收機(jī)只能跟蹤2個(gè)衛(wèi)星頻段GPS L1和L2，當(dāng)前已經(jīng)能夠跟蹤GPS系統(tǒng)L1(1 575.42)、L2(1 227.60)、L5(1 176.45)，GLONASS 系統(tǒng) L1(1 602+0.562 5*N)、L2(1 246+0.437 5*N)，GALILEO系 統(tǒng) E1(1 575.42)、E5(1 191.795)、E5a(1 176.45)、E5b(1 207.14)，QZSS 系 統(tǒng) L1(1 575.42)、L2(1 227.60)、L5(1 176.45)、LEX(1 278.75)，Beidou 系 統(tǒng) B1(1 561.098)、B2(1 207.14)、B3(1 268.52) 等16個(gè) GNSS頻 段。HDGNSS處理引擎在模糊度解算技術(shù)上變化很多，充分運(yùn)用了現(xiàn)有的GNSS衛(wèi)星通信系統(tǒng),可以利用至少5顆通信衛(wèi)星的多頻數(shù)據(jù)解算整周模糊度。后續(xù)RTK點(diǎn)可以使用僅2個(gè)歷元的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)cm級(jí)精度，處理引擎可連續(xù)解算整周模糊度。

在以往RTK系統(tǒng)里,初始化表示從浮點(diǎn)解過渡到固定解的過程[5]，而在HD-GNSS處理引擎里，初始化指連接參考站到得出cm級(jí)精度解整個(gè)過程。HDGNSS處理引擎完全拋棄了傳統(tǒng)處理引擎的“固定”“浮點(diǎn)”概念，在測(cè)量時(shí)，外業(yè)不再有“固定”或“浮點(diǎn)”字樣，一旦得出可靠精度，就顯示RTK字樣(見圖2)。

圖2 HD-GNSS處理引擎與傳統(tǒng)引擎對(duì)比

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)試使用Trimble R10和Trimble R4GNSS接收機(jī)；R4 使用傳統(tǒng)GNSS處理引擎，Maxwell-5 GNSS芯片，72個(gè)通道可跟蹤GPS、GLONASS、SBAS衛(wèi)星信號(hào)；R10使用HD-GNSS處理引擎，Maxwell-6 GNSS芯片，440個(gè)通道可跟蹤GPS、GLONASS、Galileo、Beidou、QZSS、OmniSTAR、SBAS衛(wèi)星信號(hào)。

2款接收機(jī)在惡劣環(huán)境下，測(cè)量同一點(diǎn)1 200次誤差對(duì)比統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)誤差統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié) 語

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在惡劣的測(cè)量環(huán)境下，傳統(tǒng)GNSS處理引擎與HD-GNSS處理引擎表現(xiàn)出來的差距很明顯。傳統(tǒng)GNSS處理引擎在多路徑效應(yīng)等不利測(cè)量條件下，所解算的點(diǎn)的精度無法保證，會(huì)出現(xiàn)個(gè)別點(diǎn)偏差較大的情況，而HD-GNSS處理引擎則能很好地解決這個(gè)問題。

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[2]寧津生，劉經(jīng)南，陳俊勇，等.現(xiàn)代大地測(cè)量理論與技術(shù)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2006

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