張國利,張京奎,楊開偉

(1.中國人民解放軍 92941部隊43分隊,遼寧 葫蘆島 125001； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所,河北 石家莊 050081； 3.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室,河北 石家莊 050081)

0 引 言

近幾年隨著IGS提供的精密軌道、鐘差精度產(chǎn)品精度越來越高,精密單點定位(PPP)技術(shù)的性能也越來越好,目前在地殼形變監(jiān)測、低軌衛(wèi)星定軌、高精度動態(tài)定位、精密時間比對等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,PPP精度和收斂速度是目前面臨的最重要的兩個問題。影響收斂速度的因素包括GPS衛(wèi)星幾何構(gòu)型變化、偽距觀測質(zhì)量、接收機(jī)和衛(wèi)星的硬件延遲等,而定位精度的主要影響因素是整周模糊度的固定。在傳統(tǒng)的PPP中,當(dāng)定位所用的模型不準(zhǔn)確時,由于相位未校準(zhǔn)延遲偏差中小數(shù)部分FCBs(Fractional-cycle biases)被強(qiáng)制引入到模糊度參數(shù)中。這種情況下對模糊度進(jìn)行強(qiáng)制固定,會使得定位出現(xiàn)較大的偏差[1-2]。如何分離FCBs,獲取非差模糊度的整數(shù)特征,從而提高PPP精度是未來創(chuàng)新問題之一。

法國國家太空研究中心提出了PPP整周模糊度的固定模式——PPP_AR模式。這種模式對各種改正數(shù)據(jù)要求比較高,要實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的自洽性,只能采用中心國家空間研究(CNES)提供的精密產(chǎn)品才能滿足要求。本文將這種模式跟常規(guī)的PPP模式比較,來驗證這種模式的模糊度固定率和收斂時間的優(yōu)越性。

1 PPP原理

PPP是利用非差觀測值進(jìn)行定位,它通過一臺雙頻GPS接收機(jī)采集衛(wèi)星的偽距觀測值和載波相位觀測值,利用IGS提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差文件并加入接收機(jī)硬件延遲、潮汐改正等各種誤差改正模型,實現(xiàn)分米級甚至厘米級的定位精度[1-4]。

PPP的影響因素有:接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)和衛(wèi)星天線相位中心偏差、地球自轉(zhuǎn)、地球固體潮、海洋負(fù)荷潮汐改正、相位纏繞等。由于PPP采用的是非差觀測值,許多誤差不能通過組成差分方程來減弱或者消除,因此各種誤差源都必須加以考慮。目前主要因素是:載波相位中模糊度的處理方式(影響模糊度的固定率和收斂速度),衛(wèi)星鐘的采樣間隔(如果間隔較大,鐘差的內(nèi)插誤差會影響對流層延遲,從而影響最終的定位精度),海潮負(fù)荷和對流層(影響垂直方向的定位精度)[4-5]。

本文采用GPS的雙頻相位和偽距觀測值,無電離層組合方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:fi和fj為不同載波的頻率,本文指的是L1和L2載波的頻率。

2 數(shù)據(jù)處理的參數(shù)選取和實驗分析驗證

2.1 數(shù)據(jù)處理的參數(shù)選取

PPP需要估計的參數(shù)包括:測站的坐標(biāo)、接收機(jī)的鐘差、天頂對流層延遲,衛(wèi)星的整周模糊度參數(shù)。對流層參數(shù)首先使用Saastamoinen模型改正它的干分量,殘余的濕分量采用隨機(jī)游走方式 進(jìn)行估計,并且使用GMF[6-8]投影函數(shù)將天頂對流層延遲投影到傳播路徑上,采用LC電離層組合模型。使用精密的衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)來計算衛(wèi)星的軌道和鐘差,多路徑影響、相對論效應(yīng)、地球自轉(zhuǎn)、相位纏繞,海潮負(fù)荷使用相應(yīng)的模型進(jìn)行改正。

本文中采用的參數(shù)設(shè)置和處理方法如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置和處理方法

2.2 實驗分析和驗證

由于5 min衛(wèi)星鐘差的采樣間隔對ZTD影響比較大[4],為了避免衛(wèi)星鐘差采樣間隔對定位結(jié)果產(chǎn)生大的影響,本文中的衛(wèi)星鐘差采樣間隔為30 s. 利用IGS的六個跟蹤站(ABMF、AUCK、CHUM、CHUR、DUBO、FLIN)2014年11月23日到2014年11月29日一周的原始觀測文件和導(dǎo)航文件數(shù)據(jù),精密星歷和鐘差參數(shù)采用IGS提供的精密軌道文件和采樣間隔為30 s的鐘差文件,PPP_AP模式采用grg格式的軌道星歷和鐘差數(shù)據(jù)作分析。六個測站的信息如表2所示。

表2 測站信息

試驗中將每個測站7天的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)一起處理,采用前向濾波模式。計算兩種不同模式下的E-W、N-S、U-D三個方向的RMS值,并且統(tǒng)計每個站PPP_AR模式下的收斂時間。兩種模式下的定位結(jié)果如圖1～6所示。

根據(jù)上面的處理結(jié)果,對每個站各個方向的RMS和PPP_AR模式下的固定率進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表3和表4所示。

表3 每個站的定位結(jié)果統(tǒng)計(RMS)

表4 每個站的模糊度固定率統(tǒng)計

由表3各個測站三個方向的RMS值可見:GPS整周模糊度PPP_AR模式下在E-W和N-S兩個方向的RMS都優(yōu)于1 cm(CHUM的E-W方向是2.06 cm除外),在U-D方向優(yōu)于3.5 cm,其中RMS最大值出現(xiàn)于ABMF 站3.09 cm,最小值出現(xiàn)于CHUR 站0.39 cm,沒有其他兩個方向的定位結(jié)果好,但相比浮點解模式得到了很大的提高。

由表4中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出所用的六個測站的整周模糊度固定率都在90%以上,FLIN和DUBO站的固定率達(dá)到了99%以上。這是因為PPP_AR模式下各種精密星歷和鐘差文件以及各種誤差改正數(shù)據(jù)之間的自洽性比較好。模糊度固定率提高了,定位精度必然會提高。

處理過程中統(tǒng)計了每個測站在PPP_AR模式和浮點解模式下每天收斂的時間,結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7示出了PPP_AR模式下從2013年11月23日開始到11月29日7天中GPS靜態(tài)PPP每天三個方向的平均收斂時間?？梢姴煌斓慕Y(jié)果間沒有明顯的差別,收斂時間范圍為15～35 min,其中四個站的收斂時間大于25 min,在20～25 min之間的數(shù)據(jù)占50%,15～20 min之間的占41%.

圖8示出了浮點解模式下GPS靜態(tài)PPP每天三個方向的平均收斂時間,它跟PPP_AR模式下的收斂時間基本一致,除了AMBF站在11月25日的收斂時間比較短,基本每天數(shù)據(jù)也沒有明顯的差別。這種模式下,收斂時間大于25 min的占69%,20～25 min之間的占21%,15～20 min之間的占大約1%.

影響收斂時間的主要因素是參與解算的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品,以及衛(wèi)星星座的幾何強(qiáng)度。在兩種模式下,衛(wèi)星星座是一樣的,衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品數(shù)據(jù)不同,PPP_AR模式下的收斂時間稍好于浮點解模式下的收斂時間,但收斂時間差異都在5 min左右。

3 結(jié)束語

本文采用法國國家太空研究中心提出的PPP整周模糊度的固定模式——PPP_AR模式下和常規(guī)的浮點解模式來解算IGS的6個跟蹤站一周的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明,在PPP_AR模式下,參與解算的數(shù)據(jù)之間具有自洽性,最終的整周模糊度固定率都在93%以上,與常規(guī)浮點解模式下的定位結(jié)果比較表明,PPP_AR模式下定位結(jié)果明顯更好。兩種模式的收斂時間相差5 min左右。將來如果能夠利用PPP_AR模式下解算的精密產(chǎn)品進(jìn)行處理,模糊度的固定率將會大大提高,可以進(jìn)一步提高定位精度。