代桃高,魏勇,李建文,郭亮亮,李小強(qiáng)

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 鄭州 450001; 3.61206部隊(duì)，大連 116023)

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基于精密產(chǎn)品的偽距單點(diǎn)定位研究及應(yīng)用

代桃高1,2,魏勇1,2,李建文1,2,郭亮亮1,2,李小強(qiáng)3

(1.信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001;2.北斗導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 鄭州 450001; 3.61206部隊(duì)，大連 116023)

針對(duì)單頻接收機(jī)用戶,本文就精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差、精密電離層格網(wǎng)產(chǎn)品給出了基于精密產(chǎn)品的偽距單點(diǎn)定位算法。采用IGS預(yù)報(bào)的精密產(chǎn)品對(duì)10測(cè)站進(jìn)行100天偽距單點(diǎn)定位解算。著重分析了GPS定位結(jié)果,驗(yàn)證了算法的正確性,并與廣播星歷就衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲做了詳細(xì)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:衛(wèi)星精密軌道和鐘差的自洽特性影響單點(diǎn)定位解;電離層延遲對(duì)偽距單點(diǎn)定位影響明顯大于衛(wèi)星軌道、鐘差誤差;超快速預(yù)報(bào)精密星歷可以較廣播星歷得到更高精度的單點(diǎn)定位解。基于精密產(chǎn)品的偽距單點(diǎn)定位研究表明:預(yù)報(bào)精密星歷在水平、高程方向平均改進(jìn)約0.5 m,快速精密電離層產(chǎn)品在水平、高程方向平均改進(jìn)約1.1 m.

偽距單點(diǎn)定位;精密軌道;精密鐘差;精密電離層

0　引　言

冷啟動(dòng)首次定位時(shí)間是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的普及,已受到廣大導(dǎo)航用戶的很大關(guān)注。以GPS為例,在冷啟動(dòng)狀態(tài)時(shí),在觀測(cè)條件良好情況下,接收機(jī)完成首次定位時(shí)間一般需要30 s左右。在實(shí)際導(dǎo)航應(yīng)用中,如車輛較長(zhǎng)時(shí)間停放駛出地下車庫(kù)等情況下,一般需等待較長(zhǎng)時(shí)間,完成GNSS的首次定位,嚴(yán)重影響了GNSS用戶的使用體驗(yàn)和感受。GNSS接收機(jī)完成定位需具備兩個(gè)條件,一是完成一定數(shù)量的星地間偽距測(cè)量,二是獲取相應(yīng)導(dǎo)航衛(wèi)星的廣播星歷。接收機(jī)完成一次完整廣播星歷接收的時(shí)間是30 s,而完成一次測(cè)距僅需幾個(gè)毫秒,所以導(dǎo)航衛(wèi)星星歷的獲取是決定首次定位時(shí)間的主要因素。如果能快速獲取星歷信息,則可以縮短首次定位時(shí)間,提升應(yīng)用效果。目前,IGS公布的預(yù)報(bào)星歷,軌道精度優(yōu)于10 cm,鐘差優(yōu)于5 ns[1].雖然鐘差精度較低,但對(duì)于米級(jí)的導(dǎo)航業(yè)務(wù)也可達(dá)到指標(biāo)要求。目前,部分導(dǎo)航接收機(jī)已具備網(wǎng)絡(luò)通訊功能,這也是導(dǎo)航接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)。移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸速率近些年有了質(zhì)的提升,3G通訊已普遍成熟,4G發(fā)展迅猛,3G帶寬在20 M左右,4G更是能達(dá)到150 M.其高速的傳輸效率明顯優(yōu)于衛(wèi)星信號(hào)的捕獲,可以在1 s內(nèi)(正常情況,外加網(wǎng)絡(luò)延遲也不會(huì)超過(guò)10 s)獲取預(yù)報(bào)精密星歷。所以開(kāi)展基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸IGS精密產(chǎn)品模式,利用IGS公布的預(yù)報(bào)精密產(chǎn)品,替代廣播星歷進(jìn)行偽距單點(diǎn)定位的技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

本文主要開(kāi)展偽距單點(diǎn)定位研究,著重分析了精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差、精密電離層對(duì)偽距單點(diǎn)定位性能的影響,并與廣播星歷進(jìn)行比較。

1　觀測(cè)模型

衛(wèi)星定位解算是基于星地距離后方交會(huì)觀測(cè)模型的參數(shù)估計(jì),其觀測(cè)方程是對(duì)星地距離的幾何描述。在定位解算過(guò)程中,由于存在諸如衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層、對(duì)流層、天線相位中心、相對(duì)論效應(yīng)等誤差的影響,會(huì)影響解算結(jié)果的精度,因此常需對(duì)各類誤差改正。由廣播星歷計(jì)算衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星鐘差的精度有限,而精密星歷的精度遠(yuǎn)高于廣播星歷,故可以用精密星歷替代廣播星歷完成定位解算。利用廣播電文參數(shù)計(jì)算的電離層延遲一般只能改正70%左右,而精密電離層產(chǎn)品可以達(dá)到90%左右。下面基于IGS精密產(chǎn)品(本文主要指精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差預(yù)報(bào)弧段產(chǎn)品、快速精密電離層產(chǎn)品),給出觀測(cè)模型。

偽距觀測(cè)方程可用下式描述,

(1)

常規(guī)偽距單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理過(guò)程中,對(duì)流層延遲常采用模型改正,如Saastamoinen、Hopfield模型;電離層延遲可用Klobuchar模型[2]。引入精密產(chǎn)品,衛(wèi)星軌道及鐘差通過(guò)內(nèi)插得到,電離層延遲通過(guò)精密電離層格網(wǎng)產(chǎn)品內(nèi)插得到。

表1示出了基于精密產(chǎn)品偽距定位數(shù)據(jù)處理策略。

表1　基于精密產(chǎn)品偽距定位數(shù)據(jù)處理策略

(2)

式中: BP1-P2、BP1-C1為DCB文件硬件延遲偏差兩項(xiàng)改正數(shù)。

2　數(shù)據(jù)處理方法

偽距單點(diǎn)定位需觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星才能計(jì)算得到測(cè)站坐標(biāo)[4]。對(duì)式(1)一階泰勒展開(kāi),得到偽距線性化觀測(cè)方程。

(3)

(4)

待估參數(shù)X=(dx,dy,dz,Δcdt)T.進(jìn)一步可得到線性化后的誤差方程:

(5)

其中

通常采用的估值方法有最小二乘估計(jì)和卡爾曼濾波,二者在觀測(cè)值獨(dú)立、且定權(quán)不隨時(shí)間變化時(shí),即狀態(tài)矩陣為單位陣,二者等價(jià)[5]。

最小二乘的基本思想是使誤差平方和最優(yōu)化時(shí)的最優(yōu)無(wú)偏解。其算法簡(jiǎn)單,殘差信息保留完整,廣泛應(yīng)用于最優(yōu)數(shù)值估計(jì)處理。最優(yōu)參數(shù)估計(jì)解為ATPA)-1ATPL,A為設(shè)計(jì)矩陣,L為含觀測(cè)值信息向量,P為觀測(cè)值權(quán)信息矩陣。

本文基于精密產(chǎn)品的偽距單點(diǎn)定位原理,自主編寫一套適用于基于廣播星歷及精密產(chǎn)品解算的偽距單點(diǎn)定位軟件。在該軟件中,軌道坐標(biāo)、精密衛(wèi)星鐘差采用循環(huán)迭代計(jì)算得到,電離層延遲改正采用全球格網(wǎng)模型和Klobuchar模型,對(duì)流層延遲采用Saastamoinen模型改正。其余誤差參照模型改正,觀測(cè)值選用L1頻點(diǎn)P1碼(無(wú)P1選C1),采用非差偽距觀測(cè)模型。

圖1　軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

軟件處理流程如下:先進(jìn)行控制參數(shù)配置;然后讀取觀測(cè)文件及相關(guān)導(dǎo)航文件和精密產(chǎn)品文件,廣播星歷計(jì)算模塊與精密產(chǎn)品計(jì)算模塊互為切換,數(shù)據(jù)處理流程一致;最后疊加完成法方程,進(jìn)行最小二乘參數(shù)估計(jì)。軟件流程如圖1所示。

3　算例與分析

本文以GPS為算例,選用靜態(tài)試驗(yàn),采用10個(gè)IGS測(cè)站進(jìn)行連續(xù)100天的偽距單點(diǎn)定位測(cè)試。觀測(cè)文件為30 s采樣率的天文件;衛(wèi)星高度截止角設(shè)為5°,并以其正弦函數(shù)的倒數(shù)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)值。數(shù)據(jù)處理采用單歷元解算模式,結(jié)果與IGS最終測(cè)站坐標(biāo)產(chǎn)品比較。精度評(píng)估置信度為95%.

選用的10個(gè)IGS站分布如圖2所示。

圖2　選用IGS站分布圖

用精密星歷代替廣播星歷進(jìn)行定位解算,一般會(huì)同時(shí)使用精密軌道和精密鐘差,這就需要確保軌道與鐘差具有自洽性。若二者不自洽,則會(huì)嚴(yán)重影響星地幾何距離計(jì)算。IGS公布的預(yù)報(bào)軌道精度可以滿足分米級(jí)定位需求,而預(yù)報(bào)鐘差精度約5 ns,為研究二者的同時(shí)引入對(duì)偽距單點(diǎn)定位解算的影響,本文首先就軌道、衛(wèi)星鐘差進(jìn)行如下試驗(yàn):軌道和鐘差分離、合并組合,共設(shè)計(jì)三種數(shù)據(jù)處理方案。如表2所示。

表2　軌道鐘差三種數(shù)據(jù)處理方案

各方案對(duì)應(yīng)的結(jié)果如圖3,圖4所示(選用兩個(gè)IGS站:bjfs、chur)

圖3　水平方向精度偏差比較 (a) bjfs; (b) chur

圖4　高程方向精度偏差比較 (a) bjfs; (b) chur

由圖4可看出:預(yù)報(bào)衛(wèi)星鐘差對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度改善效果要優(yōu)于預(yù)報(bào)軌道,且預(yù)報(bào)軌道、鐘差同時(shí)替換廣播星歷對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度改善效果要優(yōu)于單項(xiàng)替換,說(shuō)明IGS公布的預(yù)報(bào)精密軌道和預(yù)報(bào)鐘差是自洽的。

在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步用精密電離層格網(wǎng)產(chǎn)品(目前暫無(wú)實(shí)時(shí)電離層產(chǎn)品,本文采用快速電離層產(chǎn)品)替換廣播星歷中的電離層模型改正,將預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道、鐘差合并為一類改正,設(shè)計(jì)如表3所示的試驗(yàn)方案。

表3　電離層、軌道、鐘差處理方案

考慮篇幅限制,以及各天定位結(jié)果的相對(duì)獨(dú)立性,本文采用均值來(lái)評(píng)估各處理方案對(duì)定位結(jié)果的綜合影響,各站均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5,圖6所示。

圖5　各站各方案水平方向精度偏差均值比較

圖6　各站各方案高程方向精度偏差均值比較

綜合各站結(jié)果,再取各方案的均值可得到如表4所示的結(jié)果。

表4　各方案改正量統(tǒng)計(jì)均值

由表4可以看出,僅用電離層格網(wǎng)模型對(duì)偽距單點(diǎn)定位的改正效果要優(yōu)于僅用軌道鐘差改正效果,在水平和高程方向均有約0.6 m的提升。精密電離層格網(wǎng)模型對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度在水平方向上改進(jìn)約1.1 m,在高程方向改進(jìn)約1.2 m;精密軌道鐘差對(duì)偽距單點(diǎn)定位在水平方向上改進(jìn)約0.5 m,對(duì)高程方向上改進(jìn)約0.6 m.綜合改正效果要明顯優(yōu)于單項(xiàng)改正結(jié)果,在平面方向上改進(jìn)約1.7 m,在高程方向上能改進(jìn)約2 m.

預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道、鐘差對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度改良較弱,原因可能與預(yù)報(bào)精密星歷存在的系統(tǒng)誤差、偽距測(cè)量噪聲及對(duì)流層濕延遲殘余等有關(guān)。但整體上,預(yù)報(bào)精密星歷對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度有一定提升,可替代廣播星歷完成更高精度定位。

4　結(jié)束語(yǔ)

預(yù)報(bào)軌道和鐘差可同時(shí)替換廣播星歷完成偽距單點(diǎn)定位解算。預(yù)報(bào)衛(wèi)星鐘差對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度的改善要優(yōu)于預(yù)報(bào)軌道,且二者對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度的綜合改善說(shuō)明預(yù)報(bào)軌道和鐘差是自洽的?？焖匐婋x層產(chǎn)品替換廣播星歷參數(shù)對(duì)偽距單點(diǎn)定位精度的改進(jìn)在米級(jí),尤其在高程方向改進(jìn)效果突出,且改善效果略優(yōu)于預(yù)報(bào)衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差。精密產(chǎn)品替換廣播星歷能得到更高精度的偽距單點(diǎn)定位結(jié)果,這對(duì)于接收機(jī)冷啟動(dòng),初次快速定位也有重要意義。

致謝:感謝信息工程大學(xué)iGMAS分析中心(LSN)提供的數(shù)據(jù)支持。

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StudyandtheApplicationofPseudo-rangeSingle-pointPositioningBasedonthePreciseProducts

DAITaogao1,2,WEIYong1,2,LIJianwen1,2,GUOLiangliang1,2,LIXiaoqiang3

(1.The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001,China;2.Beidou Navigation Technology Collaborative Center of Henan,Zhengzhou 450001, China;3.61206 Troops, Dalian 116023, China)

Inthispaper,anewpseudo-rangesingle-pointpositioningalgorithmbasedonthepreciseproducts:preciseorbit、precisesatelliteclockbias、preciseionosphericgridisproposedforsingle-frequencyreceiverusers.Tenmeasuringstationsarerandomlyselectedfor100dayssingle-pointpositioningsolvingbyIGSpreciseproductsdata.TherationalityofalgorithmisvalidatedbytheGPSpositioningresult.Detailedpositioningcomparisonsaremadebetweenthebroadcastephemerisandpreciseproductsonpreciseorbit,precisesatelliteclockbiasandpreciseionospheregrid.Thepositioningresultsshowthat,theself-consistencyofprecisesatelliteorbitandclockbiasaffectthepositioningresult;Theimpactofionosphericdelayonpseudo-rangesingle-pointpositioningwassignificantlygreaterthanthatofsatelliteorbitandclockbias;Ultrapredictionephemeriscanreceivehigheraccuracyinpositioningcomparedwithbroadcastephemeris.Basedonpreciseephemeris,pseudo-rangesingle-pointpositioningresearchshowsthat:Theforecastpreciseephemerishasanaverageimprovementofabout0.5metersintheplaneandelevationdirection.Andfastionosphericproductscanimproveabout1.1metersintheplaneandelevationdirection.

Pseudo-rangesingle-pointpositioning;preciseorbit;preciseclockbias;preciseionosphere

2015-12-24

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0063-05

代桃高(1991-),男,四川內(nèi)江人,碩士生,主要從事衛(wèi)星精密定位定軌研究。

魏勇(1989-),男,湖北人,碩士生,現(xiàn)從事GNSS數(shù)據(jù)處理與模型研究。

李建文(1972-),男,浙江富陽(yáng)人,教授,現(xiàn)從事衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程與應(yīng)用研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.013

聯(lián)系人： 代桃高 E-mail: 18530948776@163.com