潘宇明，張小紅，李 盼，左 翔

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079)

接收機(jī)類(lèi)型對(duì)精密單點(diǎn)定位收斂速度的影響分析

潘宇明，張小紅，李 盼，左 翔

(武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，武漢 430079)

主要從抗多路徑方面比較了不同類(lèi)型接收機(jī)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，從收斂速度和收斂穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面分析了不同類(lèi)型接收機(jī)對(duì)精密單點(diǎn)定位的影響。分析中為了排除其他因素對(duì)收斂速度的影響，實(shí)驗(yàn)以10組采用不同類(lèi)型接收機(jī)的國(guó)際全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)組織的并址站作為研究對(duì)象，利用武漢大學(xué)研制的TriP軟件對(duì)每個(gè)測(cè)站一個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位解算，并分析精密單點(diǎn)定位結(jié)果的收斂時(shí)間和收斂穩(wěn)定性。結(jié)果表明，接收機(jī)類(lèi)型對(duì)精密單點(diǎn)定位的收斂速度有一定影響，并且可以說(shuō)明在一般情況下，當(dāng)偽距多路徑效應(yīng)越大時(shí)，精密單點(diǎn)定位的收斂時(shí)間越長(zhǎng)。

精密單點(diǎn)定位；接收機(jī)類(lèi)型；收斂速度；多路徑效應(yīng)

1 引言

全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)精密單點(diǎn)定位(precise point positioning，PPP)技術(shù)以其高精度和無(wú)需基站支持等特點(diǎn)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，目前已廣泛應(yīng)用于測(cè)量、導(dǎo)航、授時(shí)等應(yīng)用領(lǐng)域[1-3]。然而，要在單站模式下實(shí)現(xiàn)毫米至厘米級(jí)的定位精度，PPP仍需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，從而限制了其在高精度實(shí)時(shí)快速導(dǎo)航定位和精密農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，研究影響PPP收斂速度的因素對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)展加快PPP收斂速度、提高作業(yè)效率、擴(kuò)大PPP應(yīng)用范圍等方面具有重要意義[3]。

影響精密單點(diǎn)定位收斂速度的因素很多，如觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、位置精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)、可用衛(wèi)星數(shù)、測(cè)站緯度等等。為了提高PPP的收斂速度，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究，文獻(xiàn)[4-6]研究了參數(shù)個(gè)數(shù)對(duì)收斂時(shí)間和穩(wěn)定性的影響，提出利用P1-P2-CP組合來(lái)降低噪聲影響的方法。文獻(xiàn)[7]結(jié)合精密單點(diǎn)定位的誤差源，對(duì)PPP收斂速度影響因素進(jìn)行了細(xì)致分析和建模，并提出改善措施。除此之外，文獻(xiàn)[8]對(duì)測(cè)站地理位置、PDOP值及鐘差文件采樣間隔等因素進(jìn)行分析，得到了一些有意義的結(jié)論；文獻(xiàn)[9]也對(duì)PPP收斂速度的影響因素進(jìn)行了深入的研究。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)接收機(jī)類(lèi)型這一可能影響PPP收斂速度的因素還鮮有專(zhuān)門(mén)的討論和分析。本文單獨(dú)考慮接收機(jī)類(lèi)型這一影響因素，利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國(guó)際服務(wù)協(xié)會(huì)(international global navigation satellite system service，IGS)的10組并址測(cè)站2013年6月份30 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所謂的IGS并址站，即相隔數(shù)米的兩個(gè)測(cè)站，安置了不同類(lèi)型的接收機(jī)，本文的10組并址站都是共用一臺(tái)天線(xiàn)的兩臺(tái)不同類(lèi)型接收機(jī)的IGS站。采用并址站不同類(lèi)型接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以排除測(cè)站環(huán)境、地理位置、衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)等因素對(duì)PPP收斂速度的影響。

2 精密單點(diǎn)定位算法

GPS精密單點(diǎn)定位的基本觀測(cè)方程采用雙頻無(wú)電離層組合以消除電離層一階項(xiàng)誤差的影響。其具體觀測(cè)方程為[10]

(1)

(2)

PPP采用IGS提供的精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品來(lái)固定衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差。對(duì)于PPP中的誤差項(xiàng)，主要通過(guò)兩種途徑來(lái)解決，其一就是對(duì)于能精確模型化的誤差采用模型改正，比如衛(wèi)星天線(xiàn)相位中心的改正、各種潮汐的影響、相對(duì)論效應(yīng)等都可以采用現(xiàn)有的模型精確改正；其二是對(duì)于不能精確模型化的誤差加參數(shù)進(jìn)行估計(jì)或使用組合觀測(cè)值，比如對(duì)流層天頂濕延遲，目前還難以用模型精確模擬，則加參數(shù)對(duì)其進(jìn)行估計(jì)。

TriP軟件中使用擴(kuò)展Kalman濾波進(jìn)行參數(shù)估計(jì)[5]。擴(kuò)展Kalman濾波的相應(yīng)動(dòng)態(tài)模型表示為

x(i+1)=Φi+1,ix(i)+ω(i),ω(i)～N(1,Qωω)

(3)

式(3)中，Φi+1,i為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，ω為0均值正態(tài)過(guò)程噪聲，其方差協(xié)方差矩陣Qωω為

Qωω=diag{qp×Δt,qzwd×Δt,qt×Δt,Om×m}

(4)

式(4)中，Δt為相鄰歷元間時(shí)間間隔，ZWD和系統(tǒng)時(shí)間差參數(shù)的譜密度分別設(shè)為qzwd=10-8m2/s、qt=10-6m2/s。模糊度和靜態(tài)坐標(biāo)作為常量估計(jì)。而在動(dòng)態(tài)PPP中，動(dòng)態(tài)坐標(biāo)當(dāng)作白噪聲進(jìn)行處理，qp對(duì)角線(xiàn)元素為104m2/s。相位觀測(cè)值初始標(biāo)準(zhǔn)偏差均設(shè)為0.003 m。濾波過(guò)程中，依據(jù)動(dòng)態(tài)模型將前一歷元狀態(tài)向量預(yù)測(cè)到當(dāng)前歷元，并通過(guò)對(duì)驗(yàn)后殘差進(jìn)行分析，采用改進(jìn)的IGGIII抗差估計(jì)方案進(jìn)行質(zhì)量控制。在測(cè)量更新過(guò)程中利用觀測(cè)信息求解狀態(tài)向量及其方差協(xié)方差。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

目前IGS在世界各地約有430多個(gè)GPS跟蹤站，各站采用的接收機(jī)和天線(xiàn)多種多樣，將近38%的IGS跟蹤站采用Trimble接收機(jī)，其次是Leica、Topcon、Ashtech和Javad接收機(jī)，也有部分測(cè)站采用AOA、Septentrio、JPS、NovAtel等接收機(jī)。

本文設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)從：1)觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、接收機(jī)抗多路徑性能；2)PPP靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理收斂時(shí)間和收斂穩(wěn)定性，兩方面比較和分析接收機(jī)類(lèi)型對(duì)PPP收斂性的影響，為此選取采用不同GPS接收機(jī)類(lèi)型的IGS并址測(cè)站，以最大程度地排除測(cè)站緯度、PDOP、衛(wèi)星數(shù)等因素對(duì)收斂速度分析的影響。圖1為本文所采用的IGS站位置分布。下載并址站2013年6月份30 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用TriP軟件分別進(jìn)行PPP靜態(tài)和動(dòng)態(tài)解算。

將TriP解算得到的坐標(biāo)結(jié)果與測(cè)站參考坐標(biāo)真值求差，獲得E、N、U三個(gè)方向的定位偏差。本文對(duì)PPP收斂的定義為：靜態(tài)解算，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為PPP定位偏差在水平方向達(dá)到10 cm、垂直方向達(dá)到20 cm以?xún)?nèi)收斂；動(dòng)態(tài)解算的收斂性指標(biāo)與靜態(tài)相同，為確保結(jié)果的可靠性，還限定首次收斂時(shí)刻后續(xù)10個(gè)歷元的位置偏差都在限值以?xún)?nèi)時(shí)，才認(rèn)為濾波在當(dāng)前歷元收斂。此外將結(jié)果偏差序列的標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)收斂穩(wěn)定性的指標(biāo)。

圖1 實(shí)驗(yàn)采用IGS并址站位置

限于篇幅，這里只給出了10組采用典型接收機(jī)(Ashtech、Jps、Leica、Trimble、Tps、Javad)的并址站的處理對(duì)比結(jié)果。表1列出本文采用的部分IGS并址站信息。

表1 采用的IGS站基本信息

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量(抗多路徑)分析

表1所給出的各組天線(xiàn)類(lèi)型均相同，接收機(jī)類(lèi)型不同，實(shí)際上都是用一個(gè)分線(xiàn)器將一臺(tái)天線(xiàn)連接在兩臺(tái)接收機(jī)上，即零基線(xiàn)，這里稱(chēng)之為并址站。表2給出了利用TEQC軟件對(duì)上述10組數(shù)據(jù)分析得到的多路徑誤差結(jié)果，MP1和MP2分別代表P1和P2偽距多路徑誤差單月平均值。

從表2可以看出，第1、2、3、4組中，采用JPS EGGDT接收機(jī)的KOKV、GOLD、SUTV和PALV4個(gè)測(cè)站采集數(shù)據(jù)的多路徑誤差普遍小于對(duì)應(yīng)的KOKB、GOL2、SUTH和PALM站，后4站采用的都是Ashtech UZ-12接收機(jī)；第5組中的TIXG站的TPS ODYSSEY_E和TIXI站的JPS EGGDT接收機(jī)的MP1和MP2月平均值基本相當(dāng)，相差在3 cm以?xún)?nèi)；第6組并址站UNB3站的Trimble NETR9 和UNBJ站的TPS LEGACY接收機(jī)多路徑誤差相差不大，前者的多路徑誤差略小于后者；在后4組并址站的對(duì)比中，采用Leica接收機(jī)的CPXF站和THU2站多路徑誤差小于Trimble接收機(jī)的CPXX站和Ashtech接收機(jī)的THU3站，在第10組并址的接收機(jī)中，采用Trimble接收機(jī)的TID1站和采用Ashtech接收機(jī)的TIDB站的MP1相當(dāng)，MP2前者小于后者，此外采用Javad接收機(jī)的DGAV站多路徑誤差比采用Ashtech接收機(jī)的DGAR站小15～20 cm。

表2 接收機(jī)類(lèi)型對(duì)多路徑影響

4.2 收斂性分析

表3列出各并址站月平均收斂時(shí)間和收斂穩(wěn)定性，圖3的柱狀圖表示各類(lèi)型接收機(jī)平均收斂時(shí)間和收斂穩(wěn)定性比較?？梢钥闯?，第1、2、3、4組中，采用Ashtech接收機(jī)的4個(gè)IGS站觀測(cè)數(shù)據(jù)的PPP收斂時(shí)間比采用JPS接收機(jī)的四個(gè)站要長(zhǎng)；在第5、6組IGS站對(duì)比中，采用TPS接收機(jī)的TIXG站與采用JPS接收機(jī)的TIXI站收斂速度基本相當(dāng)，分別采用Trimble和TPS接收機(jī)的UNB3站和UNBJ站收斂時(shí)間上差距不大，但總體上TPS接收機(jī)的收斂速度略?xún)?yōu)于JPS和Trimble接收機(jī)；其余4組對(duì)比中，采用Leica接收機(jī)的CPXF站和THU2站收斂速度較采用Trimble接收機(jī)的CPXX站和采用Ashtech接收機(jī)的THU3站快，而TIDB站的Ashtech接收機(jī)比TID1站的Trimble接收機(jī)在PPP中收斂更快，DGAV站的Javad接收機(jī)收斂速度也快于DGAV站的Ashtech接收機(jī)。需要說(shuō)明的是，以上給出的平均收斂時(shí)間和我們定義的PPP收斂到指定的精度有關(guān)，但選取的收斂指標(biāo)并不會(huì)影響本文實(shí)驗(yàn)中對(duì)并址站收斂速度的比較結(jié)果。綜合以上分析得知，采用Leica GRX1200、Javad TRE_G3TH、TPS ODYSSEY_ELEGACY、JPS EGGDT等型號(hào)接收機(jī)的IGS站收斂速度都快于采用Ashtech UZ-12接收機(jī)的對(duì)應(yīng)并址站，其中采用TPS接收機(jī)的站收斂略快于采用JPS接收機(jī)的測(cè)站，采用Trimble Net系列接收機(jī)的測(cè)站收斂最慢。參考3.1的結(jié)論，可知不同類(lèi)型接收機(jī)的收斂速度快慢與使用該類(lèi)型接收機(jī)數(shù)據(jù)的多路徑大小具有顯著的負(fù)相關(guān)性，PPP收斂速度很大程度上受到多路徑影響，多路徑越小，收斂速度越快。

表3 收斂時(shí)間和收斂穩(wěn)定性(月平均)

圖3 各類(lèi)型接收機(jī)平均收斂時(shí)間和穩(wěn)定性比較

此外，表3和圖2也給出了PPP位置偏差序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以反映收斂穩(wěn)定性?？梢钥闯?，收斂穩(wěn)定性和收斂時(shí)間存在強(qiáng)相關(guān)性，當(dāng)PPP收斂需要較長(zhǎng)時(shí)間的情況下，穩(wěn)定性指標(biāo)也相對(duì)較大，當(dāng)兩種類(lèi)型的接收機(jī)收斂時(shí)間相差不大時(shí)，收斂穩(wěn)定性也相差不大。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用IGS組織10組并址站在2013年6月份30 d的觀測(cè)數(shù)據(jù)，排除了PDOP、可觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)、測(cè)站緯度等因素的干擾，單獨(dú)研究和分析了接收機(jī)類(lèi)型對(duì)收斂速度的影響。先分析了不同接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)多路徑水平，從而得到不同接收機(jī)抗多路徑性能的比較，然后分別從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種模式探討了接收機(jī)類(lèi)型對(duì)精密單點(diǎn)定位收斂速度的影響。分析表明，不同類(lèi)型的GPS接收機(jī)由于自身性能、指標(biāo)參數(shù)及解碼方式的不同，采集觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量存在一定差異，同時(shí)接收機(jī)類(lèi)型對(duì)PPP的收斂速度有一定影響。比較不同接收機(jī)多路徑結(jié)果和收斂時(shí)間，發(fā)現(xiàn)Leica GRX1200、Javad TRE_G3TH、TPS ODYSSEY_ELEGACY、JPS EGGDT型號(hào)的接收機(jī)多路徑誤差小于Ashtech UZ-12接收機(jī)，同時(shí)前面4種接收機(jī)的收斂速度都快于后者，收斂穩(wěn)定性也比Ashtech UZ-12接收機(jī)高，除此之外，Topcon公司的TPS接收機(jī)多路徑略小于JPS接收機(jī)，收斂速度較后者略快，Trimble Net系列的接收機(jī)多路徑大于Ashtech UZ-12接收機(jī)，收斂時(shí)間比Ashtech UZ-12接收機(jī)長(zhǎng)，所以Trimble的接收機(jī)在抗多路徑性能以及收斂時(shí)間方面不及其他5種接收機(jī)。

從接收機(jī)的多路徑誤差和收斂時(shí)間的結(jié)果一致性可以看出，偽距的數(shù)據(jù)質(zhì)量(多徑、噪聲)能夠反映在PPP的收斂時(shí)間上面，這是因?yàn)樵赑PP初始化階段，很大程度上依靠偽距觀測(cè)值來(lái)求相位模糊度解，偽距精度越高，固定模糊度越快，那么PPP的收斂速度也就越快。

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Analysis of Receiver Influence on Convergence of PPP

PAN Yu-ming，ZHANG Xiao-hong，LI Pan，ZUO Xiang

(School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This article mainly compares observation data the quality from different types of receiver in the aspect of the anti-multipath，and analyzes the impact of different types of receiver on the performance of PPP，including convergence speed and the stability after convergence.In order to exclude the interference of other factors，the 10 pairs of Co-Location-stations at the IGS，with 1 mouth data are used for experiments in static and dynamic model by TriP，a GPS precise processing software made by Wuhan University.Such we can compare the convergence time，convergence stability of different types of receiver.The results show that the type of receiver do affect the PPP convergence speed.In general，the bigger multipath effect data have，the longer convergence time in PPP.

PPP；receiver type；convergence speed；multipath error

2014-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41204030)。

潘宇明(1990)，男，黑龍江佳木斯人，碩士生，研究方向?yàn)镚NSS精密單點(diǎn)定位及其應(yīng)用。

P

A

2095-4999(2015)-01-0046-06