鄒正標(biāo)何秀鳳唐 旭

(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,江蘇南京 210098)

GPS非差數(shù)據(jù)周跳探測(cè)的TECR-MW綜合法

鄒正標(biāo),何秀鳳,唐 旭

(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,江蘇南京 210098)

針對(duì)電離層總電子含量變化率(TECR)方法和雙頻碼相組合(MW)方法探測(cè)周跳各自的局限性,綜合利用TECR法和MW法進(jìn)行周跳探測(cè)。首先采用TECR法探測(cè)周跳,然后用MW法進(jìn)行第2次探測(cè),最后綜合電離層TECR法和MW法的寬巷模糊度探測(cè)L1頻率和L2頻率上發(fā)生的周跳。這種綜合探測(cè)法不受接收機(jī)與衛(wèi)星間的幾何距離、接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差、電離層折射的影響。采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,綜合利用TECR法與MW法探測(cè)GPS周跳比采用單一方法探測(cè)周跳更加有效、可靠。

GPS;周跳探測(cè);電子含量;寬巷模糊度

在GPS載波相位測(cè)量中,整周模糊度的解算[1-3]和周跳的探測(cè)與修復(fù)是GPS數(shù)據(jù)處理的2個(gè)關(guān)鍵難題。在GPS變形監(jiān)測(cè)中,基于雙差觀測(cè)值采用文獻(xiàn)[4-5]中的方法可以避免整周模糊度的解算和周跳的探測(cè)與修復(fù);而在精密單點(diǎn)定位中,由于采用的是非差數(shù)據(jù),整周模糊度的確定和周跳的探測(cè)與修復(fù)比差分定位模式更加困難[6],因此GPS非差數(shù)據(jù)的周跳探測(cè)是精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)關(guān)鍵問題。

目前用于GPS非差數(shù)據(jù)的周跳探測(cè)方法較多[7-13],如多項(xiàng)式擬合法、高次差法、雙頻碼相組合法(MW法)、電離層殘差法、TurboEdit法等,但這些方法都有一定的局限性,比如多項(xiàng)式擬合法無法探測(cè)小周跳,雙頻碼相組合和電離層殘差法無法確定周跳的發(fā)生頻率[8],TurboEdit法受電離層延遲變化的影響,并且當(dāng)L1和L2上同時(shí)發(fā)生6周以內(nèi)相同大小的周跳時(shí),TurboEdit法將無法探測(cè)此類周跳[11],不少學(xué)者對(duì)TurboEdit法進(jìn)行了改進(jìn)[12-13]。電離層總電子含量變化率法(TECR法)[14]能有效探測(cè)出6周以內(nèi)相同大小的周跳且不受電離層變化的影響,但仍存在一些不足。針對(duì)TECR法和MW法各自的局限性,綜合MW法和TECR法2種方法進(jìn)行周跳探測(cè),充分利用2種算法各自的優(yōu)勢(shì)有效地探測(cè)周跳。

1 TECR與MW周跳探測(cè)方法

1.1 TECR法探測(cè)周跳

將歷元k的電離層總電子含量記為TEC(k),TEC(k)的計(jì)算式為[14]

對(duì)TEC(k)進(jìn)行歷元間差分可得到當(dāng)前歷元的電離層總電子含量變化率,記為TECR:

當(dāng)對(duì)歷元k進(jìn)行周跳探測(cè)時(shí),假設(shè)歷元k之前的所有歷元的觀測(cè)值沒有周跳,或者周跳已被修復(fù),利用歷元k-1和歷元k-2的TECR值來估計(jì)歷元k的TECR值,計(jì)算方法如下:

將所計(jì)算的TECR與估計(jì)出的TECR的差值作為周跳檢測(cè)量,當(dāng)周跳檢測(cè)量超過給定的閾值時(shí),則認(rèn)為歷元k存在周跳。設(shè)L1和L2載波上發(fā)生的周跳分別為(k)和(k),基于式(1)～(3)可以得出歷元k的周跳計(jì)算式:

式(4)中的TECR(k)可通過式(3)計(jì)算。

1.2 MW法探測(cè)周跳

MW組合形式為

式中:——偽距觀測(cè)值;——寬巷模糊度。

假設(shè)在歷元k時(shí)刻,L1和L2載波上發(fā)生的周跳分別為ΔNj1(k)和ΔNj2(k),對(duì)式(5)進(jìn)行歷元間差分可得周跳計(jì)算式:

MW法不受接收機(jī)與衛(wèi)星間的幾何距離、電離層折射、接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差的影響。但對(duì)于(k)=(k)的情況,MW法失效。當(dāng)沒有周跳發(fā)生時(shí),應(yīng)表現(xiàn)為一組上下波動(dòng)較穩(wěn)定的值。

2 綜合TECR法與MW法探測(cè)周跳

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 綜合方法探測(cè)周跳流程Fig.1 Flow chart of cycle slip detection with combined method

為驗(yàn)證綜合TECR法和MW法探測(cè)周跳的有效性,采用2012年10月8日在河海大學(xué)科學(xué)館樓頂觀測(cè)墩采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。觀測(cè)數(shù)據(jù)類型包括C1、P2、L1、L2,數(shù)據(jù)采樣率為1 s,觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為2 h,經(jīng)檢驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)不含周跳。

首先,對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不加任何周跳,給出TECR法和MW法的周跳檢測(cè)量時(shí)間序列,見圖2(a)和圖2(b)。然后,在180歷元處加入周跳組合(ΔN1=77,ΔN2=60),在320歷元處加入周跳組合(ΔN1=1,ΔN2=1),給出TECR法和MW法的周跳檢測(cè)量時(shí)間序列,見圖2(c)和圖2(d)。為使圖像清楚顯示,圖2中各圖均只截取了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中的500歷元進(jìn)行顯示。從圖2(a)和圖2(b)可以看出,當(dāng)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)中沒有周跳時(shí)TECR法和MW法的周跳檢測(cè)量均在給定的閾值范圍之內(nèi)。從圖2(c)和圖2(d)可以看出,TECR法能有效探測(cè)出320歷元處加入的周跳,但無法探測(cè)出180歷元處加入的周跳;MW法能有效探測(cè)出180歷元處加入的周跳,但無法探測(cè)320歷元處加入的周跳。當(dāng)綜合2種方法探測(cè)周跳時(shí),可以有效探測(cè)出180歷元和320歷元處加入的周跳。

圖2 TECR法和MW法探測(cè)周跳的周跳檢測(cè)量時(shí)間序列Fig.2 Time series of cycle slip test quantity of TECR and MW methods for cycle slip detection

為了進(jìn)一步驗(yàn)證綜合2種方法探測(cè)周跳的有效性,分別在不同的歷元和衛(wèi)星的觀測(cè)值上添加不同的周跳進(jìn)行周跳探測(cè)試驗(yàn),結(jié)果見表1。從表1可以看出,綜合2種方法能有效探測(cè)出所有加入的周跳。

4 結(jié) 論

表1 周跳探測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Table1 Results of cycle slip detection

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Cycle slip detection using TECR and MW combined method for un-differenced GPS data

ZOU Zhengbiao,HE Xiufeng,TANG Xu
(Institute of Satellite Navigation and Spatial Information System,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to overcome the shortcomings of the ionospheric total electron content rate(TECR)and dualfrequency code phase combination(MW)methods,a combination of the two methods was used for cycle slip detection.First,the TECR method was used to detect the cycle slip.Then,the MW method was used to detect the cycle slip for the second time.Finally,the ionospheric TECR and the wide lane ambiguity of MW were used together to detect the cycle slip onL1andL2frequencies.This combined method was not affected by the geometrical distance between the receiver and satellite,the receiver clock offset,the satellite clock offset,and ionospheric refraction.According to the test results of measured data,the TECR and MW combined method is more effective and reliable than a single method in detecting GPS cycle slip.

GPS;cycle slip detection;electron content;wide lane ambiguity

P228.4

:A

:1000-1980(2014)02-0155-04

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.02.011

2013-03 27

國家自然科學(xué)基金(41274017);江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2010316)

鄒正標(biāo)(1990—),男,江西撫州人,碩士,主要從事衛(wèi)星大地測(cè)量研究。E-mail:986292418@qq.com