于合理,郝金明,呂志偉,謝建濤,謝宏飛

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,河南 鄭州 450052; 2.96117部隊(duì),山東 萊蕪 271100)

0 引 言

周跳的探測(cè)是數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要組成部分,近年來,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)GNSS測(cè)量中周跳的探測(cè)進(jìn)行了廣泛、深入的研究,并取得了豐富的成果[1-10]。常用的周跳探測(cè)方法有高次差法、電離層殘差法、偽距相位組合法、多項(xiàng)式擬合法和TurboEdit 方法等,但絕大部分探測(cè)方法都沒有考慮接收機(jī)鐘跳對(duì)周跳探測(cè)的影響。接收機(jī)鐘跳對(duì)觀測(cè)量的影響,在差分?jǐn)?shù)據(jù)處理中,可以通過星間差分或雙差消除鐘跳相應(yīng)于距離的改正量,但是由于衛(wèi)星相對(duì)地球的徑向運(yùn)動(dòng)速率不同,相應(yīng)于衛(wèi)星幾何速率的部分由于衛(wèi)星的不同而無法完全消除[5-7]。在非差觀測(cè)量進(jìn)行精密單點(diǎn)定位時(shí),接收機(jī)鐘跳對(duì)觀測(cè)值造成的影響無法通過差分消除,更應(yīng)該考慮接收機(jī)鐘跳的影響。本文結(jié)合已有周跳探測(cè)方法,通過對(duì)接收機(jī)鐘跳的探測(cè)和修復(fù)提出了一種實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法,并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的正確性。

1 接收機(jī)鐘跳對(duì)周跳探測(cè)的影響

鐘跳是為了保持接收機(jī)與GPS時(shí)間同步而周期性插入的時(shí)鐘跳躍,可以引起所有衛(wèi)星、所有頻率上的載波相位或偽距觀測(cè)值的同時(shí)跳變。一般按鐘跳值的量級(jí)可以分為毫秒級(jí)鐘跳和微秒級(jí)鐘跳[5-6],根據(jù)鐘跳對(duì)觀測(cè)值的影響形式主要分為兩類[7]:第一類僅影響偽距觀測(cè)值而不影響相位觀測(cè)值,如圖1所示鐘跳發(fā)生時(shí)刻所有偽距觀測(cè)值同時(shí)發(fā)生相同大小的跳變;第二類同時(shí)影響偽距和相位觀測(cè)值,如圖2所示鐘跳發(fā)生時(shí)刻所有偽距和相位觀測(cè)值同時(shí)發(fā)生跳躍,導(dǎo)致其偽距和相位觀測(cè)值的不連續(xù)。

圖1 鐘跳(GENO站)對(duì)偽距和載波相位影響

圖2 鐘跳(ZJMJ站)對(duì)偽距和載波相位影響

鐘跳引起的觀測(cè)值跳變和周跳引起的觀測(cè)值的跳變極其相似,但卻與周跳有本質(zhì)區(qū)別。周跳是失鎖造成的,只能引起載波相位觀測(cè)值的跳變,在所有通道上同時(shí)發(fā)生的概率較小。而鐘跳是接收機(jī)鐘差的突然變化,同時(shí)引起所有衛(wèi)星載波相位或偽距觀測(cè)值相同的跳變。鐘跳和周跳在表現(xiàn)形式上的這種相似性,將給周跳的探測(cè)帶來不利的影響,會(huì)導(dǎo)致部分現(xiàn)有的周跳探測(cè)方法的失效,而將接收機(jī)鐘跳誤探為鐘跳。如基于預(yù)測(cè)殘差的方法,通過某一方式給出某一觀測(cè)歷元載波相位的預(yù)測(cè)值,將其與實(shí)際的觀測(cè)值進(jìn)行比較,根據(jù)兩者的差異大小判斷該歷元是否發(fā)生周跳。

接收機(jī)鐘跳一旦被誤探為周跳,不僅會(huì)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)模糊度參數(shù)的反復(fù)初始化,降低數(shù)據(jù)處理的效率,而且還有可能對(duì)定位結(jié)果造成影響。如第一類鐘跳只對(duì)偽距觀測(cè)值造成影響,而不會(huì)對(duì)載波相位造成影響,而利用M-W組合進(jìn)行周跳探測(cè)時(shí),會(huì)把第一類鐘跳誤探為周跳,一旦被誤探,強(qiáng)加給相位觀測(cè)值的改正,會(huì)對(duì)定位結(jié)果造成影響。雖然第二類鐘跳對(duì)M-W組合和電離層殘差組合探測(cè)周跳不會(huì)有影響,但會(huì)對(duì)其它周跳探測(cè)方法造成影響,而高精度的周跳探測(cè)一般是采用多種周跳探測(cè)方法相結(jié)合,最終仍會(huì)導(dǎo)致鐘跳被誤探為周跳。為避免鐘跳對(duì)周跳的影響,進(jìn)行周跳探測(cè)時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)鐘跳進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)和修復(fù)。

2 鐘跳的實(shí)時(shí)探測(cè)和修復(fù)

接收機(jī)鐘跳探測(cè)方法一般可以分為兩類,一類是基于鐘差參數(shù)域;一類是基于觀測(cè)值域[8]?；趨?shù)域的鐘跳探測(cè)方法,通過分析歷元間鐘差的變化來判斷是否存在鐘跳。然而此方法需要事先估計(jì)接收機(jī)鐘差參數(shù),對(duì)目前實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)而言,顯然不能滿足實(shí)時(shí)的需要。鑒于基于參數(shù)域的鐘跳探測(cè)方法的不足,一些學(xué)者提出了利用偽距和載波相位組合量探測(cè)接收機(jī)鐘跳的方法。公式為

Δt(i)=|R(i)-R(i-1)-(φ(i)-

φ(i-1))|,

(1)

但此方法無法準(zhǔn)確探測(cè)第二類鐘跳。因此,本文提出了一種基于觀測(cè)值域,利用多普勒觀測(cè)量進(jìn)行鐘跳探測(cè)的方法。多普勒觀測(cè)量可以看作載波相位(偽距)的變率,其不受接收機(jī)鐘跳的影響(對(duì)比圖1與圖3、圖2與圖4可知),可用于反應(yīng)載波相位(偽距)觀測(cè)量的變化。利用多普勒觀測(cè)量計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值差異在一定范圍內(nèi),否則認(rèn)為產(chǎn)生了鐘跳。

圖3 鐘跳(GENO站)對(duì)多普勒觀測(cè)值影響

圖4 鐘跳(ZJMJ站)對(duì)多普勒觀測(cè)值影響

構(gòu)造鐘跳探測(cè)量:

D(i-1))·T/2|/c,

(2a)

D(i-1))·T/2|/c,

(2b)

此檢測(cè)量消除了衛(wèi)星鐘、對(duì)流層等與頻率無關(guān)的誤差項(xiàng)影響,僅受周跳、鐘跳、電離層殘差及觀測(cè)噪聲的影響。為消除周跳對(duì)鐘跳探測(cè)的不利影響,可首先利用不受鐘跳干擾影響的無幾何距離組合(GF)進(jìn)行大周跳探測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)周跳,則不再參與后續(xù)鐘跳探測(cè)。未被探測(cè)為周跳的再利用鐘跳探測(cè)量進(jìn)行鐘跳探測(cè)。

計(jì)算出鐘跳探測(cè)量后,可根據(jù)設(shè)定的探測(cè)量閾值判斷是否發(fā)生鐘跳。因毫秒鐘跳和微妙鐘跳有明顯差別,應(yīng)采用不同的探測(cè)量閾值來探測(cè)鐘跳,用式(3)來探測(cè)微秒鐘跳,式(4)來探測(cè)毫秒鐘跳。

(3a)

(3b)

(4a)

(4b)

式中,k1、k2、k3為探測(cè)量閾值。在無周跳和鐘跳Δtjump(i)的影響下,探測(cè)量?jī)H受電離層殘差和觀測(cè)噪聲的影響,數(shù)值較小,當(dāng)有鐘跳發(fā)生時(shí),兩探測(cè)量在數(shù)值上將不再連續(xù),產(chǎn)生明顯的突變。毫秒鐘跳引起誤差為10-3,微秒鐘跳引起的誤差一般為10-7～10-5,若不考慮觀測(cè)噪聲影響,探測(cè)量閾值k1、k2、k3可設(shè)定如下:

(5a)

(5b)

(5c)

當(dāng)方程組(3)(或(4))中兩式同時(shí)成立時(shí),則認(rèn)為第i歷元有第二類鐘跳發(fā)生;當(dāng)?shù)诙匠闪?第一式不成立時(shí)則認(rèn)為第i歷元有第一類鐘跳發(fā)生;當(dāng)兩公式均不成立時(shí),認(rèn)為無鐘跳發(fā)生。

殘余粗差和周跳會(huì)對(duì)鐘跳探測(cè)造成干擾,利用接收機(jī)鐘跳對(duì)所有衛(wèi)星、所有頻率觀測(cè)量造成的影響大小相同這一特點(diǎn),對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。若所有衛(wèi)星、所有頻率的觀測(cè)量在同一時(shí)刻都產(chǎn)生了數(shù)值相近的跳變,則認(rèn)為該時(shí)刻發(fā)生鐘跳,鐘跳大小滿足:

(6)

鐘跳造成了接收機(jī)偽距和相位觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)的不一致,為了確保時(shí)間基準(zhǔn)的一致性,必須對(duì)接收機(jī)觀測(cè)值進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)接收機(jī)鐘跳對(duì)觀測(cè)值的影響方式的不同,給定不同的修復(fù)方式。

對(duì)于第一類鐘跳,造成了偽距觀測(cè)量的不連續(xù),只需將連續(xù)的相位觀測(cè)值調(diào)整成跳變形式,同偽距基準(zhǔn)保持一致。此方法既有利于保持偽距和相位基準(zhǔn)的一致,又沒有破壞模糊度參數(shù)的連續(xù)性。其修復(fù)公式[8-10]為

(7)

對(duì)于第二類鐘跳,同時(shí)造成載波相位和偽距觀測(cè)量的跳變,跳變后兩者時(shí)間基準(zhǔn)仍然一致,鐘跳引起的系統(tǒng)性偏差解算時(shí)將被接收機(jī)鐘差完全吸收,不影響定位結(jié)果,不需要修復(fù),只需對(duì)其作鐘跳標(biāo)記。

3 考慮鐘跳的實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法

結(jié)合已有周跳探測(cè)方法,通過對(duì)接收機(jī)鐘跳的探測(cè)和修復(fù)提出的實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法。即對(duì)于雙頻GNSS數(shù)據(jù),首先利用對(duì)鐘跳不敏感的無幾何距離組合進(jìn)行周跳探測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)周跳,則不再參與后續(xù)鐘跳探測(cè)。未被探測(cè)為周跳的再利用本文提出的基于觀測(cè)值域利用多普勒觀測(cè)量進(jìn)行鐘跳探測(cè)的方法對(duì)接收機(jī)鐘跳進(jìn)行探測(cè)與修復(fù)。最后,將修復(fù)后的觀測(cè)量再運(yùn)用M-W進(jìn)行周跳探測(cè),具體方法如圖5所示。而對(duì)于單頻GNSS數(shù)據(jù)則用偽距相位,可用偽距相位組合法代替流程中的GF組合,用多項(xiàng)式擬合算法代替流程中的M-W組合。

圖5 考慮鐘跳的實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法

4 實(shí)驗(yàn)分析

為進(jìn)一步分析采用考慮接收機(jī)鐘跳的實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法的正確性,將本文方法運(yùn)用于非差數(shù)據(jù)處理中,分析考慮鐘跳的周跳探測(cè)方法的效果。限于篇幅本文僅給出雙頻GNSS數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。采用ZIMJ站干凈無周跳的數(shù)據(jù),對(duì)比分析運(yùn)用本文提出的方法和未運(yùn)用鐘跳探測(cè)和修復(fù)的方法探測(cè)周跳的結(jié)果。如圖6所示,橫軸為GPS觀測(cè)歷元,左-縱軸和右-縱軸分別為未運(yùn)用鐘跳探測(cè)和修復(fù)的方法和運(yùn)用鐘跳探測(cè)和修復(fù)的方法探測(cè)周跳的結(jié)果,“0”代表無周跳,“1”代表有周跳。

圖6 兩種方法探測(cè)結(jié)果比較

由圖可知,采用考慮接收機(jī)鐘跳的實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法,有效避免了鐘跳被誤探為周跳的可能性,提高了數(shù)據(jù)處理的精度效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐘跳在表現(xiàn)形式上與載波相位的周跳十分類似,都會(huì)引起接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的跳變,鐘跳能夠?qū)е卢F(xiàn)有的部分周跳探測(cè)方法對(duì)鐘跳探測(cè)的準(zhǔn)確性。本文利用鐘跳不會(huì)引起多普勒觀測(cè)量跳變這一特點(diǎn),采用基于多普勒觀測(cè)量的考慮接收機(jī)鐘跳的實(shí)時(shí)周跳探測(cè)方法,能夠有效的避免鐘跳被誤探為周跳的可能性,提高了周跳探測(cè)的準(zhǔn)確度,減少了不必要的重新初始化,改善了非差數(shù)據(jù)處理的精度和效率。

致謝:感謝全球連續(xù)監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)(IGMAS)信息工程大學(xué)分析中心對(duì)本文工作的支持。

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