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        北斗三頻寬巷組合網(wǎng)絡(luò)RTK單歷元定位方法

        2015-01-14 03:03:16高成發(fā)潘樹(shù)國(guó)汪登輝王勝利
        測(cè)繪學(xué)報(bào) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:歷元偽距電離層

        高 旺,高成發(fā),潘樹(shù)國(guó),汪登輝,王勝利

        1.東南大學(xué)交通學(xué)院,江蘇 南京210096;2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京210096;3.安徽理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南232001

        1 引 言

        網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)是目前應(yīng)用范圍最廣的GNSS精密定位技術(shù)之一,它能夠讓用戶便捷地在較大空間范圍內(nèi)實(shí)時(shí)地獲得均勻、高精度的定位結(jié)果,已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、精密導(dǎo)航等諸多領(lǐng)域[1-3]。目前網(wǎng)絡(luò)RTK的定位精度約為平面1~2cm,高程3~5cm[4-5]。模糊度的快速可靠固定是獲得實(shí)時(shí)高精度定位結(jié)果的前提。目前在網(wǎng)絡(luò)RTK定位中,用戶端大多是基于解算L1或L2基礎(chǔ)模糊度,以GPS為例,其波長(zhǎng)分別約為19cm和24cm,受基站間距離、大氣誤差內(nèi)插精度以及用戶站觀測(cè)環(huán)境等因素的影響,短時(shí)間內(nèi)模糊度解算的成功率較低,仍然存在初始化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(如大于1min)甚至長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法固定的情況[3,5-6],且在衛(wèi)星信號(hào)失鎖或網(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)中斷后,需要重新初始化;同時(shí),定位結(jié)果的可靠性也因模糊度成功率較低而無(wú)法得到保障[7]。

        為了提高模糊度解算的成功率、可靠性和縮短定位初始化時(shí)間,文獻(xiàn)[8]曾提出利用寬巷的長(zhǎng)波長(zhǎng)特性,優(yōu)先固定寬巷模糊度的部分模糊度固定方法;文獻(xiàn)[9]也提出了一種利用三頻寬巷組合觀測(cè)值結(jié)合利用寬巷觀測(cè)值反算的電離層信息進(jìn)行長(zhǎng)距離實(shí)時(shí)精密導(dǎo)航的方法,通過(guò)1~2min的平滑可得到平面厘米級(jí)的定位精度。事實(shí)上,在中等比例尺測(cè)圖、精密交通導(dǎo)航、水深測(cè)量平面定位等測(cè)量作業(yè)中,用戶對(duì)定位時(shí)效性和連續(xù)性有較高的要求,而可接受目前網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度的適度降低。在網(wǎng)絡(luò)RTK中直接使用模糊度固定的寬巷觀測(cè)值,并在差分改正信息的支持下進(jìn)行定位,雖然一定程度上放大了載波觀測(cè)噪聲,但理論上仍可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度并滿足很多場(chǎng)合下的應(yīng)用需求。

        對(duì)寬巷模糊度的解算有兩種情況,一是在目前雙頻系統(tǒng)條件下,依靠載波和偽距組合基于無(wú)幾何或幾何模式進(jìn)行解算[10-12]。但兩種模式下偽距觀測(cè)噪聲的影響均較大,單歷元固定的可靠性不高,仍然需要一定的初始化時(shí)間,且基于幾何模式的解法也受觀測(cè)條件的影響,在遮擋等環(huán)境下成功率降低;二是使用三頻系統(tǒng),利用三頻觀測(cè)值可組成一系列具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的寬巷或超寬巷組合,能夠很好地削弱大氣誤差和觀測(cè)噪聲的影響從而提高模糊度固定的成功率[13-17]。2012年底,我國(guó)自主建設(shè)的北斗系統(tǒng)完成區(qū)域組網(wǎng),正式提供亞太地區(qū)的導(dǎo)航定位服務(wù),且全系統(tǒng)衛(wèi)星均播發(fā)三頻信號(hào)。在這一條件下,本文研究在網(wǎng)絡(luò)RTK中利用北斗三頻觀測(cè)值進(jìn)行超寬巷和寬巷模糊度的單歷元可靠解算方法,并直接使用模糊度固定的寬巷觀測(cè)值和差分改正信息進(jìn)行單歷元定位,也通過(guò)實(shí)測(cè)北斗三頻數(shù)據(jù)對(duì)模糊度解算時(shí)效性和定位解的精度進(jìn)行了分析驗(yàn)證。

        2 北斗觀測(cè)值及其線性組合

        顧及雙差對(duì)流層和電離層一階項(xiàng)的影響,以距離為單位的北斗雙差載波和偽距觀測(cè)方程可分別表示為式(1)和式(2)[16,18]

        其中組合的雙差載波和偽距觀測(cè)值為

        則組合載波觀測(cè)值的精度為

        式中,μ(i,j,k)為組合載波觀測(cè)值噪聲放大因子。而對(duì)于偽距觀測(cè)值,北斗第3個(gè)頻點(diǎn)上的碼率高于第1和第2個(gè)頻率上的碼率,因此一般認(rèn)為P3精度高于 P1和 P2[19]。假設(shè)q1、q2分別為 P2、P3相對(duì)P1的噪聲比值系數(shù),則組合偽距觀測(cè)值的精度為

        表1 北斗寬巷/超寬巷載波組合Tab.1 Extra-widelane and widelane combinations of BDS

        3 基于北斗三頻寬巷組合的定位模型

        3.1 超寬巷/寬巷模糊度解算

        采用載波和偽距組合的無(wú)幾何無(wú)電離層(GIF)模型[20-21]求解超寬巷或?qū)捪锬:热缡剑?)所示

        式(7)需滿足以下兩個(gè)條件

        式(8)保證了偽距和載波組合觀測(cè)值中的幾何項(xiàng)相同,從而能消除站星距離、對(duì)流層延遲、軌道誤差等其他幾何相關(guān)項(xiàng)的影響;式(9)保證了兩者的電離層延遲大小相等,從而能夠消除電離層延遲的影響。從式(7)可以看出,GIF模型求解寬巷模糊度受載波和偽距觀測(cè)值噪聲的影響,與基線距離無(wú)關(guān)。當(dāng)給定載波組合系數(shù)時(shí),通過(guò)使偽距觀測(cè)值噪聲最小即可獲得最優(yōu)組合,其等價(jià)于式(10)所示條件

        聯(lián)立式(8)—式(10)采用最小范數(shù)法即可求解最優(yōu)的偽距組合系數(shù)[18]。顧及不同接收機(jī)性能,假設(shè)載波噪聲σΔΔφ為0.5cm和1cm兩種情況,偽距噪聲σΔΔP為0.3m、0.6m 和1m3種情況[15,18],組成如表2所示的6種噪聲組合情況。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[18—19],取q1=1、q2=0.2和q1=1、q2=1兩種情況。

        表2 載波偽距不同噪聲組合Tab.2 Different noise combinations of carrier and pseudorange observations

        根據(jù)式(8)—式(10)所示原則,求解GIF模型在不同觀測(cè)值噪聲情況下模糊度解算精度,按式(11)計(jì)算成功率[22]

        式中,σ為觀測(cè)值噪聲造成的隨機(jī)性偏差。結(jié)果如圖1所示。圖1中對(duì)應(yīng)每種噪聲組合,從左至右依次為表1中所示的8種觀測(cè)值組合。

        圖1 不同噪聲情況下使用GIF模型模糊度解算成功率Fig.1 Success rate of AR with GIF model in different noise combinations

        從圖1中可以看出,使用GIF模型求解寬巷模糊度,(0,-1,1)組合在不同噪聲情況下解算成功率均接近100%,而其他組合受偽距噪聲影響明顯,當(dāng)偽距噪聲較大時(shí),模糊度解算成功率顯著下降。對(duì)比圖1(a)和(b)可以看出,當(dāng)北斗B3頻點(diǎn)偽距精度較高時(shí),使用GIF模型求解模糊度成功率得到一定提高。

        從表1中可以看出(0,-1,1)組合觀測(cè)值噪聲較大,無(wú)法直接用于定位解算,因此需要求解第2個(gè)寬巷或超寬巷模糊度,以組合得到觀測(cè)噪聲和大氣延遲影響較弱的寬巷或超寬巷組合。

        上述無(wú)電離層無(wú)幾何方法中模糊度求解精度受偽距噪聲影響明顯,且在偽距噪聲比值系數(shù)不同的時(shí)候,按式(8)—(10)所示原則求取的偽距組合系數(shù)也存在較大的差異,實(shí)際應(yīng)用中偽距的噪聲比值系數(shù)是難以準(zhǔn)確獲得的,因此GIF模型實(shí)用價(jià)值有限。實(shí)際應(yīng)用中,(0,-1,1)組合模糊度一般按式(12)進(jìn)行求解[15-16]

        式中,ΔΔP(0,1,1)表示以周為單位組合的(0,1,1)偽距觀測(cè)值,形式與式(3)相同。式(12)同樣消除了電離層延遲、幾何相關(guān)項(xiàng)等的影響,在表2所示幾種噪聲情況下模糊度解算中誤差和成功率如表3所示。

        表3(0,-1,1)組合模糊度解算中誤差和成功率Tab.3 STD and success rate of(0,-1,1)combination AR

        從表3中可以看出,(0,-1,1)組合模糊度在所示幾種噪聲情況下解算成功率幾乎均為100%,單歷元即可可靠固定。

        利用式(12)所示模型能單歷元可靠固定(0,-1,1)組合模糊度的優(yōu)勢(shì),可采用分步固定思想的TCAR方法[13-14],即將模糊度已固定的(0,-1,1)寬巷組合觀測(cè)值作為一個(gè)較高精度的觀測(cè)量,與第2個(gè)寬巷/超寬巷觀測(cè)值組成無(wú)幾何模型,以輔助解算第2個(gè)超寬巷/寬巷模糊度,如式(13)。按照式(13)求解的模糊度噪聲及電離層影響δion分別如式(14)和式(15)所示

        從式(13)—(15)中可以看出TCAR方法消除了對(duì)流層誤差、軌道誤差等與頻率無(wú)關(guān)的誤差,且避免了偽距噪聲的影響,只受載波噪聲和殘余的電離層延遲項(xiàng)的影響,兩種影響因素的影響程度如表4所示。

        表4 TCAR方法電離層延遲和載波噪聲影響Tab.4 Influences of ionospheric delay and carrier observation noise with TCAR method

        從表4中可以看出每種寬巷組合使用TCAR方法求解模糊度時(shí)受電離層延遲和載波觀測(cè)值噪聲的影響是相同的,同時(shí)可以看出模糊度解算受電離層延遲(以m為單位)的影響系數(shù)為-0.352,敏感程度較小,例如當(dāng)大氣誤差建模后殘余的電離層達(dá)到20cm時(shí),其造成的系統(tǒng)性偏差也僅為0.07周,在兩種載波噪聲情況下的模糊度解算成功率分別可達(dá)到99.67%和87.88%。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)RTK用戶站,通過(guò)區(qū)域大氣誤差建模改正后殘余的電離層誤差一般都小于20cm,因此在載波觀測(cè)值精度較好的情況下,使用TCAR方法求解第2個(gè)超寬巷或?qū)捪锬:然究梢詫?shí)現(xiàn)單歷元準(zhǔn)確固定。

        3.2 基于寬巷組合的坐標(biāo)解算

        當(dāng)表1中任意兩個(gè)超寬巷或?qū)捪锬:冉馑阃瓿芍?,即可通過(guò)整數(shù)組合得到任一組合系數(shù)之和為0的寬巷模糊度。選擇其中觀測(cè)值噪聲和電離層延遲綜合影響最小的組合觀測(cè)值進(jìn)行坐標(biāo)解算,顧及電離層延遲通過(guò)區(qū)域建??筛恼浯蟛糠郑虼诉x擇表1中的(1,-1,0)組合觀測(cè)值作為坐標(biāo)解算的觀測(cè)值,定位解算的方程如式(16)所示

        式(16)中,雙差對(duì)流層和電離層延遲通過(guò)網(wǎng)絡(luò)RTK區(qū)域建模內(nèi)插得到,對(duì)于不同衛(wèi)星采用基于衛(wèi)星高度角的定權(quán)方式進(jìn)行定權(quán)[23]。

        與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)RTK相比,式(16)所示的觀測(cè)值噪聲約為L(zhǎng)1或L2觀測(cè)值的5.58倍,因此定位的精度略低于常規(guī)網(wǎng)絡(luò)RTK。但其優(yōu)勢(shì)在于寬巷模糊度可基于單歷元、單個(gè)衛(wèi)星對(duì)(非參考星和參考星組成)解算,除共有參考星之外,衛(wèi)星對(duì)之間不相互影響,能夠有效避免局部觀測(cè)值粗差、衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)構(gòu)等的影響,這對(duì)于一些嚴(yán)重遮擋環(huán)境下的應(yīng)用具有較大意義。綜合3.1節(jié)和3.2節(jié)所述的單歷元定位方法流程如圖2所示。

        圖2 基于三頻寬巷單歷元定位方法流程Fig.2 Flowchart of single-epoch positioning method based on triple-frequency widelane combination

        4 解算試驗(yàn)

        本文采用江蘇省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)一期工程中的6個(gè)參考站(參考站分布如圖3所示)于2014年5月6日UTC時(shí)0:00—16:00共16h的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)解算,6個(gè)參考站均包含BDS 3個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù),解算所用數(shù)據(jù)的采樣間隔為5s。試驗(yàn)解算中,以NJMJ、NJTQ、NJLS和NJLT 4個(gè)站為參考站,組成兩個(gè)三角形解算單元,以NJLH和NJCH兩個(gè)站為用戶站點(diǎn),進(jìn)行動(dòng)態(tài)解算試驗(yàn),試驗(yàn)采用網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中常用的VRS模式。

        4.1 超寬巷/寬巷模糊度解算

        4.1.1(0,-1,1)組合模糊度解算

        采用式(12)所示模型,分別以 NJMJ和NJTQ為主參考站單歷元求解與兩個(gè)用戶站間的(0,-1,1)組合超寬巷模糊度,解算時(shí)段內(nèi)所有衛(wèi)星的模糊度解算中誤差和準(zhǔn)確率如表5所示(模糊度準(zhǔn)確值由多歷元平滑獲得);浮點(diǎn)解四舍五入取整可準(zhǔn)確固定的模糊度其單歷元小數(shù)部分(即模糊度偏差)如圖4(a)和4(b)所示。

        圖3 試驗(yàn)所用站點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution of the experimental stations

        從表5可以看出,兩個(gè)用戶站單歷元解算(0,-1,1)組合模糊度準(zhǔn)確率均為100%,且解算中誤差均在±0.1周之內(nèi),這也驗(yàn)證了式(12)所示模型單歷元解算(0,-1,1)組合模糊度的可靠性;同時(shí)從圖4(a)和4(b)中也可以看出浮點(diǎn)解小數(shù)基本上都分布在-0.2~0.2周范圍之內(nèi)。

        表5(0,-1,1)組合模糊度單歷元解算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.5 Result statistics of(0,-1,1)combination AR with single epoch

        圖4(0,-1,1)和(1,-1,0)單歷元模糊度偏差Fig.4 Single-epoch biases of(0,-1,1)and(1,-1,0)combination AR

        4.1.2(1,-1,0)組合模糊度解算

        在(0,-1,1)組合模糊度解算完成之后,即可按照式(13)所示模型直接求解(1,-1,0)組合模糊度,此時(shí)需利用內(nèi)插的電離層延遲改正以削弱電離層誤差的影響(差分改正信息的獲得需固定基站間窄巷模糊度,算例中通過(guò)事后解獲得,由于不是本文重點(diǎn),本文不詳細(xì)展開(kāi))。過(guò)低高度角衛(wèi)星大氣誤差建模精度較低且將直接影響到其后的用戶站坐標(biāo)解算結(jié)果,因此本文設(shè)置用戶站使用衛(wèi)星的截止高度角為15°。試驗(yàn)數(shù)據(jù)所用的可視衛(wèi)星中,大氣延遲建模誤差95%以上在±5cm內(nèi)(篇幅所限,不再詳細(xì)給出)。解算時(shí)段內(nèi)所用衛(wèi)星的(1,-1,0)組合模糊度解算中誤差和準(zhǔn)確率如表6所示;單歷元模糊度偏差如圖4(c)和4(d)所示。

        表6(1,-1,0)組合模糊度單歷元解算結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.6 Result statistics of(1,-1,0)combination AR with single epoch

        從表6可以看出,兩個(gè)用戶站單歷元解算(1,-1,0)組合模糊度準(zhǔn)確率均高于99.9%,且解算中誤差也均在±0.16周之內(nèi),這也表明使用TCAR方法單歷元求解用戶站(1,-1,0)組合模糊度也是準(zhǔn)確可靠的;從圖4(c)和4(d)可以看出浮點(diǎn)解小數(shù)在0附近分布的密集程度小于(0,-1,1),但大部分分布在-0.3~0.3周之內(nèi),這與隨機(jī)誤差概率分布特性也是相一致的。

        4.2 用戶站定位解算

        在(1,-1,0)組合模糊度解算完成之后,用戶站即可利用已固定模糊度的(1,-1,0)組合觀測(cè)值和數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)播發(fā)的大氣延遲信息進(jìn)行單歷元定位解算。兩個(gè)模擬用戶站點(diǎn)NJLH和NJCH的單歷元坐標(biāo)解算偏差分別如圖5(a)和圖5(b)所示。

        圖5所示兩個(gè)用戶站定位N/E/U 3個(gè)方向中誤差分別為3.4/2.0/5.0cm 和2.2/2.0/4.8 cm。應(yīng)該注意的是統(tǒng)計(jì)的中誤差體現(xiàn)了解算時(shí)段內(nèi)整體的誤差水平,局部時(shí)間的解算結(jié)果仍有偏差較大的情況,如高程方向上仍有誤差超出10 cm的情況,這主要是由于寬巷觀測(cè)值放大噪聲以及衛(wèi)星幾何分布不均勻所導(dǎo)致的。從圖5中也可以看出,E方向定位精度略高于N方向,這主要是由于目前的北斗衛(wèi)星整體上南北方向分布均勻性相比東西方向較差,在我國(guó)大部分地區(qū)尤其是北方地區(qū),可視的北斗衛(wèi)星大多分布在測(cè)站天頂方向的南側(cè),南北方向上定位的幾何強(qiáng)度較弱;而高程方向上由于受大氣建模誤差以及低高度角衛(wèi)星較少(高程方向定位幾何強(qiáng)度較弱)的影響,偏差波動(dòng)范圍大于平面方向。

        圖5 用戶站單歷元定位解算偏差結(jié)果Fig.5 Positioning biases with single epoch at user stations

        5 結(jié) 論

        本文提出的基于北斗三頻寬巷組合的網(wǎng)絡(luò)RTK單歷元定位方法使用載波、偽距組合以及分步解算的TCAR方法單個(gè)歷元即可完成模糊度解算,模糊度解算準(zhǔn)確率高于99.9%。模糊度解算過(guò)程中對(duì)大氣誤差的敏感性較??;且基于單個(gè)衛(wèi)星對(duì)解算,能夠有效避免局部觀測(cè)值粗差或衛(wèi)星觀測(cè)環(huán)境對(duì)模糊度解算的影響。通過(guò)基于實(shí)測(cè)北斗三頻數(shù)據(jù)的用戶站動(dòng)態(tài)解算試驗(yàn)得出:平面定位中誤差為3~4cm,高程方向約為5cm。高精度的單歷元定位特性對(duì)于中等比例尺測(cè)圖、精密交通導(dǎo)航、水深測(cè)量平面定位等對(duì)定位時(shí)效性和連續(xù)性有較高要求的作業(yè)方式具有重要意義。需要說(shuō)明的是,該方法中雖然寬巷模糊度的解算對(duì)大氣誤差的敏感性較小,但定位精度依然受差分改正信息的影響,因此如何更快速、準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)解算參考站長(zhǎng)基線模糊度以生成可靠的大氣改正信息需要進(jìn)一步深入研究。

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