伍 岳,劉正平,邱 蕾,王海軍

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034；3.深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518028；4.二炮士官學(xué)校作戰(zhàn)保障教研室，山東 青州 262500)

L5載波相位觀測(cè)值的模擬分析

伍 岳1,劉正平2,邱 蕾3,王海軍4

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034；3.深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518028；4.二炮士官學(xué)校作戰(zhàn)保障教研室，山東 青州 262500)

GPS現(xiàn)代化計(jì)劃目前只在幾顆衛(wèi)星上加入了L5信號(hào)，第三頻率觀測(cè)數(shù)據(jù)尚不能進(jìn)行組網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。如何驗(yàn)證現(xiàn)有多頻理論的有效性，以及進(jìn)行更深入、更廣泛的多頻數(shù)據(jù)處理理論應(yīng)用研究，L5數(shù)據(jù)的獲取成為一個(gè)重要問題。文中結(jié)合載波相位觀測(cè)值之間的物理相關(guān)性，模擬L5載波相位觀測(cè)值，對(duì)L5載波相位觀測(cè)值的精度進(jìn)行了分析，取得了一些有益的結(jié)論。

GPS現(xiàn)代化；多頻數(shù)據(jù)處理；觀測(cè)值模擬；精度分析；L5觀測(cè)值

GPS系統(tǒng)是目前系統(tǒng)最完善、應(yīng)用最廣泛的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。但是GPS系統(tǒng)由美國(guó)軍方控制,由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和政策等原因,對(duì)于民間用戶和他國(guó)軍方用戶的安全性無(wú)法保障，在保護(hù)軍方利益的前提下[1]，美國(guó)提出了GPS現(xiàn)代化措施。GPS現(xiàn)代化措施中增加了第三頻率L5，這有利于提高民用實(shí)時(shí)定位的精度和導(dǎo)航的安全性，同時(shí)通過3個(gè)頻率的組合觀測(cè)值，比按現(xiàn)行雙頻觀測(cè)值縮小了整周模糊度的搜索空間，大大加快了解算模糊度真值的速度[2]，可實(shí)現(xiàn)更大范圍的高效率的基線模糊度解算。但時(shí)至今日，美國(guó)只在少數(shù)衛(wèi)星增加了L2C及L5信號(hào)，還不能將其應(yīng)用到實(shí)際的GPS數(shù)據(jù)處理中。如何驗(yàn)證現(xiàn)有多頻理論的有效性，以及進(jìn)行更深入、更廣泛的多頻數(shù)據(jù)處理理論研究，L5數(shù)據(jù)的獲取已成為一大瓶頸。本文結(jié)合GPS載波相位雙差觀測(cè)值之間的物理相關(guān)性，通過數(shù)學(xué)變換對(duì)L5載波相位觀測(cè)值進(jìn)行了模擬，分析了模擬觀測(cè)值的精度，并通過與L1數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算對(duì)比驗(yàn)證了模擬數(shù)據(jù)的可靠性。

1 L5雙差觀測(cè)值的模擬

由于各種測(cè)量誤差對(duì)非差載波觀測(cè)值的影響較大，導(dǎo)致整周模糊度很難確定，因此一般采用雙差觀測(cè)值消除部分誤差后進(jìn)行解算。對(duì)于L1、L2和L5載波，其雙差載波觀測(cè)方程及L5雙差偽距觀測(cè)方程可寫為

(1)

其中:▽?duì)殡p差符號(hào)；λi為載波相位波長(zhǎng)(i=1,2,5)；▽?duì)i為雙差模糊度(i=1,2,5)；▽?duì)為雙差后的對(duì)流層與衛(wèi)星軌道誤差之和；▽?duì)為L(zhǎng)1載波觀測(cè)值雙差后電離層誤差；ε為雙差后的觀測(cè)噪聲(i=1,2,5)。

(2)

式(2)解方程得

令

則I,T可簡(jiǎn)化為

(3)

(4)

通過式(2)～式(4)可分別得出L5載波的相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值

(5)

(6)

假設(shè)各頻率間不存在物理相關(guān)性，L5載波觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值方差分別為

(7)

(8)

認(rèn)為各頻率上觀測(cè)噪聲等同，可通過式(7)、式(8)得出L5載波和偽距觀測(cè)值的方差，再通過隨機(jī)函數(shù)[2]調(diào)制到式(5)、式(6)，即可模擬出L5的載波和偽距觀測(cè)值。

若將L5觀測(cè)值的頻率替換為L(zhǎng)2觀測(cè)值頻率，可以根據(jù)上述公式計(jì)算出模擬的L2觀測(cè)值與真實(shí)L2觀測(cè)值的差值。圖1～圖6為上述方法解出的雙差C/A碼及L2載波觀測(cè)值與實(shí)際雙差觀測(cè)值之比較。

圖1 雙差C/A碼實(shí)際觀測(cè)值

圖2 雙差C/A碼模擬觀測(cè)值

圖3 雙差C/A碼與模擬值之比較

圖4 雙差L2實(shí)際觀測(cè)值

圖6 雙差L2與模擬值之比較

通過模擬，C/A碼實(shí)際雙差值(見圖1)與模擬值(見圖2)有±1.5 m的偏差(見圖3)，這可能與碼觀測(cè)值的觀測(cè)噪聲有關(guān)；圖5中L2的模擬值與真實(shí)值(見圖4)偏差不到±0.008周(見圖6)，接近于載波觀測(cè)噪聲的水平。L2的數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了本文的方法是可行的。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自武漢市CORS的一條基線HNXZ，長(zhǎng)度約92 km。觀測(cè)時(shí)間為2008年5月1日00：00-24：00，采樣率1 s，截止高度角為10°。采用上述方法進(jìn)行L5數(shù)據(jù)的模擬。通過TCAR方法[3]將L5雙差模糊度單歷元固定后，再進(jìn)行單歷元實(shí)時(shí)定位計(jì)算[4-6]；同時(shí)固定L1雙差模糊度后單歷元定位計(jì)算[7-9]。將3個(gè)方向NEU的定位結(jié)果繪制成圖7～圖12。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為NEU方向與真值的差值，單位為m?？梢钥闯?，L5雙差載波定位在平面為4 cm內(nèi)，高程方向稍差，在15 cm內(nèi)；L1雙差載波定位精度平面在4 cm內(nèi)，高程在15 cm內(nèi)，兩組解算值隨歷元有良好的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)表明,模擬的雙差L5觀測(cè)數(shù)據(jù)與真實(shí)的L1觀測(cè)數(shù)據(jù)解算結(jié)果非常接近，能滿足相關(guān)的應(yīng)用要求。

圖7 利用L5模擬數(shù)據(jù)解算的N方向定位精度

圖8 利用L1數(shù)據(jù)解算的N方向定位精度

圖9 利用L5模擬數(shù)據(jù)解算的E方向定位精度

圖10 利用L1數(shù)據(jù)解算的E方向定位精度

圖12 利用L1數(shù)據(jù)解算的U方向定位精度

3 結(jié) 論

GNSS多頻數(shù)據(jù)處理理論已經(jīng)發(fā)展多年，近年來(lái)美國(guó)陸續(xù)在少數(shù)衛(wèi)星上加載了L2C民用信號(hào)和L5載波信號(hào)，但經(jīng)過試驗(yàn)L5載波聯(lián)合雙頻后的數(shù)據(jù)處理效果不甚理想，因此如何獲得可靠的L5模擬觀測(cè)值仍是驗(yàn)證多頻數(shù)據(jù)處理理論的關(guān)鍵。本文利用載波之間的物理相關(guān)性通過數(shù)學(xué)變換的方法模擬了L5頻率的載波與偽距觀測(cè)值，通過TCAR模糊度求解方法求解了中長(zhǎng)基線(90 km以上)的L5頻率雙差模糊度，其24 h中的單歷元定位精度與L1定位精度相當(dāng)，反映了本方法所模擬數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，也表明通過本方法模擬的多頻數(shù)據(jù)可以運(yùn)用到多頻數(shù)據(jù)處理理論的應(yīng)用之中。

[1]伍岳.第二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)多頻數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

[2]劉基余.全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用[M].北京：測(cè)繪出版社，2002.

[3]伍岳,付小林,李海軍.TCAR/MCAR方法在不同距離基線模糊度求解中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2007,32(2):172-175.

[4]趙興旺，張翠英.精密單點(diǎn)定位中相位偏差估計(jì)與修正方法研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2014，39(7)：25-28.

[5]伍岳,邱蕾.網(wǎng)絡(luò)RTK模式下多頻載波相位觀測(cè)值解算整周模糊度[J].測(cè)繪工程，2013,22(4)：1-4.

[6]羅和平，邱蕾.利用載波相位平滑偽距分析深圳市電離層變化規(guī)律[J].測(cè)繪工程，2014，23(2)：54-56.

[7]陳振宇,馮旭哲.GPS衛(wèi)星信號(hào)體制研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2011(1)：142-144.

[8]宿晨庚,郭樹人,周鴻偉.新型GNSS信號(hào)波形設(shè)計(jì)[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2012,38(12):1676-1681.

[9]蔡華,趙齊樂,孫漢榮,等.GNSS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版,2011,38(7):820-824.

[責(zé)任編輯：劉文霞]

Analysis of L5 observation simulation in GPS modernization plan

WU Yue1，LIU Zheng-ping2，QIU Lei3，WANG Hai-jun4

(1.Key Laoratory of Geological Hazards Controlling of Three Gorges Reservoir Area，Yichang 443002，China;2.Geological Environmental Center of Hubei Province，Wuhan 430034，China;3 Zhenxin Road，Shenzhen 518028,China;4.Staff Room of Campaign Guarantee，The Second Artillery Petty Officer School，Qinzhou 262500，China)

There are only a few satellites with added L5signal in GPS modernization plan.Those L5 observations are not able to participate in network data processing with L1 and L2 observations.So how to get L5 observations is a big bottleneck for proving the availability and deeply researching of multi-frequency method.In this paper the third frequency carrier phase observation is simulated by numerical transform through the physical relationship of each frequency carrier phase observations，and its precision is analysed.Then it analyzes an example of a 92km baseline positioning using L5 and L1 observations.The result shows that the L5 simulate observation is close to L1 on GPS date processing.

GPS modernization plan;multi-frequency data processing;observation simulation;precision analysis;L5 observation

2013-11-13；補(bǔ)充更新日期：2014-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41004010)

伍 岳(1977-)，男，博士.

P228

：A

：1006-7949(2014)11-0016-03