单、双频GPS数据联合处理基线分析

王文贯 陆海波

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 引言

随着GPS技术的发展,GPS接收机越来越先进,双频GPS接收机已经广泛应用于工程测量中。但早期的双频GPS接收机价格昂贵,许多生产单位及科研院所只配备了单频GPS接收机,随着现在双频接收机的广泛应用,单频接收机被大量闲置,造成极大的资源浪费。因此在测绘生产中,如果能把单频机充分利用起来,在满足精度的前提下配合双频接收机,共同快速、高效的完成测量任务,是一个很有实际意义课题。

2 单、双频GPS接收机特点

单频GPS接收机只能接收L1载波信号,测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响,单频GPS接收机只适用于短基线(≤15km)的精密定位。

双频GPS接收机可以同时接收L1和L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样,可以消除电离层对电磁波信号延迟的影响,因此双频GPS接收机可用于长达几千公里的精密定位,在快速静态和动态测量中观测时间比单频机短。

3 基线解算的重要性及其指标

GPS基线解算精度对整个GPS控制网起着至关重要的作用。在外业观测中,可观测卫星的多少、卫星的空间分布、测站附近电磁场的干扰、多路径效应以及电离层、对流层折射等都会影响基线解算的质量。基线的质量检验需要通过RATIO,RDOP,RMS、同步环闭合差、异步环闭合差和重复基线较差来进行。检验合格后才能用于后续的数据处理中。单、双频GPS接收机联合作业中,形成的基线类型有三种:单频接收机与单频接收机之间形成的基线 (以下简称单频基线),双频接收机与双频接收机之间形成的基线 (以下简称双频基线),单频接收机和双频接收机之间形成的基线 (以下简称单、双频基线)。在基线解算时,单频+单频=单频,单频+双频=单频,双频+双频=双频。

4 试验分析

为分析单、双频GPS接收机联合作业时形成基线的精度情况,理想的做法是在相同的观测时间内对同一条基线分别用单频接收机和双频接收机同时进行测量。

为此,实验数据采用某市a期的GPS观测数据,接收机型号为Trimble 5700,数据采样率为15S。该网中的观测数据全部为双频GPS接收机观测得到的数据,为获得同一条基线上的单频数据,编程对观测数据进行了预处理,即将双频观测数据中的L2频率的有关信息过滤掉,只保留 L1频率相关数据,这样经处理后的数据就相当于单频数据,由此得到用标称精度相同的单频接收机和双频接收机测得的同一条基线上的两种观测值,分别对单频数据和双频数据进行处理分析。

基线解算采用 TGO(Trimble Geomatic Office6.0)后处理软件,对每条基线观测的数据按不同时长进行自动处理,研究不同频率组合,不同长度的基线解算结果随观测时长的变化情况。研究的基线分别选用5km以下、5km～10km、10km～15km、15km～20km、20km～25km和25km～30km的基线各三条,各基线情况见表1。

表1 试验基线情况表

根据基线处理结果,绘制相应的精度随时间变化的曲线图如图1～图6(其中Ⅰ组合为单频组合,Ⅱ组合为双频组合)。

图1 5km以下基线 时长精度图 观测时长(min)

图2 5km～10km基线 时长精度图 观测时长(min)

图3 10km～15km基线 时长精度图 观测时长(min)

图4 15km～20km基线 时长精度图 观测时长(min)

图5 20km～25km基线 时长精度图 观测时长(min)

图6 25km～30km基线 时长精度图 观测时长(min)

从各基线时长-精度变化图可以看出:

(1)长度小于5km的基线,在观测20min后,单频基线和双频基线都达到了较好的精度,两者的解算精度在相同的观测时长内基本相同,并且随着观测时间的增加两者精度都在逐渐提高。说明单频接收机和双频接收机测量5km以内长度的基线上,两者基本相同。

(2)5km～10km基线,基本趋势同5km以下基线。但在相同的时间内,单频基线的解算精度反而优于双频基线的解算精度。原因可能是对于短基线,基线两端的电离层延迟具有强相关性,由于自动处理采用L1C消除电离层的解算模式,组合两个频率上的数据所引入的误差已经超过了处理过程中所消除的电离层误差;对于单频数据,采用 L1解算模式进行单频差分处理可将大部分电离层延迟消除。因此会出现双频精度反而不如单频的现象。

(3)10km～15km基线,两者20min后基线解算精度稳定地提高。单频基线解算精度同样优于双频基线解算精度。但是在90min观测后,单频基线解算精度出现跳跃性变化,说明在这个长度区间的基线,单频基线解算精度不如双频基线解算精度稳定。

(4)15km～20km的基线,双频基线的解算精度随观测时间的增加,解算精度平稳的提高。在20min的观测时间内已达到了较好的精度。而单频基线在1h内的解算精度都较差,观测时间在1h后,解算精度才趋于稳定,但是在100min后也出现跳跃性变化,单频基线的解算精度稳定性显著不如双频基线好。

(5)大于20km的基线,双频基线解算精度仍能随着观测时间的增加而平稳的提高,并且在20min的观测时间里能达到相对较好的精度。但单频基线解算精度很不稳定,得到的大多都是浮动解,精度呈现跳跃性变化,解算精度远远不及双频组合的解算精度高。

5 结论

(1)对于15km以内的短基线,两种接收机的观测数据处理都能得到较好的精度,单频基线的解算精度甚至优于双频基线的解算精度。对于15km～30km的基线,单频基线计算得到的大都为浮动解,精度出现较大的跳跃,表现很不稳定。因此,单、双频GPS联合测量时,建议单频的基线长度不大于10km。

(2)对于15km以内的短基线,无论是单频接收机还是双频接收机,进行20min的观测基本上都可以获得较好的精度,如果进行40min左右的观测能够获得比较稳定且质量较高结果。因此建议单、双频GPS接收机联合作业的观测时长在40min以上。

(3)单、双频GPS接收机各有优缺点,在精度允许的情况下,两者完全能够联合测量,既充分利用了单频GPS接收机,又大大提高了工作效率。

略)