区域CORS周跳的探测与修复

2010-09-28徐地保丁玉平

测绘通报 2010年12期

关键词：历元伪距电离层

徐地保,丁玉平

(江苏省测绘工程院,江苏南京 210013)

区域CORS周跳的探测与修复

徐地保,丁玉平

(江苏省测绘工程院,江苏南京 210013)

介绍常用的周跳探测与修复方法,并分析各种方法存在的优缺点。在对 JSCORS系统的原始观测数据质量统计分析的基础上,利用相位减伪距法联合电离层残差法对 JSCORS系统的原始观测数据进行周跳探测试验,取得了良好的效果。

JSCORS;周跳探测与修复;多路径效应;电离层残差法

一、引言

连续运行参考站 (continuously operating reference stations,CORS)系统是建立和维持相应地区高精度静态和动态地心三维坐标参考框架的基础设施,同时还可以提供厘米级精度的实时定位,提供毫米级后处理精密定位。精密定位是利用载波相位观测量进行计算的,但对于载波相位观测量,周跳的探测与修复和整周模糊度的解算始终是两个核心问题。

一般来讲,在整个观测时间内,如果不产生周跳,则相位观测值初始模糊度保持不变。然而,由于电离层活动剧烈、多路径效应等观测条件的变化等原因,导致信号失锁,从而产生周跳。本文基于江苏省连续运行参考站 (JSCORS)系统的观测数据特征,对参考站的周跳探测与修复进行讨论。

二、常用的周跳探测方法

周跳探测的基本方法总体上可以分成两类：①基于检测量在时间上的连续性,利用周跳破坏了这种连续性来探测周跳,主要包括高次差法、多项式拟合法、电离层残差法、相位减伪距法、双频 P码法、小波分析法等,这类方法都是利用这一原理,通过构造不同的检测量来探测周跳的;②利用粗差检测技术进行周跳探测,如拟准检定法和卡尔曼滤波法。

1.多项式拟合法

多项式拟合法是根据无周跳的 N个值拟合一个 k阶多项式。当拟合的相位值和实际观测值相差较大时,认为该相位观测值存在周跳。该方法的优点是可分别对 L1和 L2的载波相位观测值或双频组合观测值进行周跳探测。但是,此方法需要载波相位变化率观测值,对于不能提供该类方法的接收机不能使用。另外,该方法要求采样率高、失锁时间短,且只对大周跳敏感。

2.双频 P码法

该方法利用某一历元的双频 P码伪距和载波相位观测值,求出宽巷整周模糊度,并求出前 i个模糊度的平均值及其方差。将求得的第 i+1个模糊度与平均值求差,若此差值的绝对值大于限差,认为该历元可能发生周跳。该方法求得的是宽巷观测值的周跳,需要借助其他方法才能判断周跳是由L1还是L2观测值中的周跳所引起的。

3.卡尔曼滤波法

卡尔曼滤波是一种基于线性无偏最小方差估计原理的递推滤波方法,其探测修复周跳的关键是对系统的正确描述,从而建立运动系统的状态方程和观测方程。根据前一时刻的状态估值和当前时刻的观测值,递推估计新的状态估值。适用于处理历元变化较小的双差观测值,但不能把周跳值修正到各个相位观测值上。

三、JSCORS周跳的探测与修复

JSCORS系统由 76个连续运行参考站构成,为江苏省内的各级用户提供实时、准实时和事后定位等服务。在参考站分布设计和站址选择的过程中,充分考虑了诸多影响因素,并采用高性能的接收机,以保证整个参考站网的性能以及各参考站观测数据的质量。

1.参考站观测数据特征

观测数据的质量会影响到周跳探测的效果,因此有必要在周跳探测之前对数据的总体特征进行分析。利用 TEQC软件对南京市八个参考站 2009年 1月 1日—6日的观测数据进行质量检核,提取观测数据关于数据完整性、多路径效应以及 (电离层残差)的数据指标。

(1)数据完好性分析

数据的完好性分析是为了检核参考站的数据观测和数据传输质量等,为周跳探测与修复方法的选择提供统计依据。各参考站观测数据整体完整性大都在 99%以上,但部分参考站数据存在缺失现象,对于周跳的探测与修复是十分不利的。

(2)多路径分析

为反映观测数据质量受到参考站周围环境的影响,进行多路径效应的分析。八个参考站的M P1和M P2如图 1～图 2所示。

图1 各参考站M P1

图2 各参考站M P2

由图 1～图 2可以看出,除个别站外,各参考站的M P1、M P2的值均在 0.5 m以内,其值日变化较小。这是因为在参考站选址过程中充分考虑了站点周围的环境影响,基本上把站点建设在观测条件较好、环境扰动较小的地点。

2.周跳探测与修复的方法

根据南京地区参考站的数据特征,本文采用相位减伪距法和电离层残差法的组合方法进行周跳探测。利用相位减伪距法探测并修复大于 7周的周跳,由于受观测数据质量的影响,会出现周跳探测不完全、修复不彻底的情况。针对未能探测出的小于 7周的周跳,利用电离层残差法进行探测,并结合伪距约束法确定 L1、L2上的周跳。通过两种周跳探测方法的合理组合,可以有效探测并修复参考站观测数据中的周跳。

(1)相位减伪距法

根据相位观测和伪距观测方程,对载波相位观测量和伪距观测量求差,可消除接收机和卫星钟差的影响,得到

式中,ε为除电离层延迟影响、多路径效应和测量误差的综合误差。在历元间求差,得到相位减伪距法的检测量

由于信号采样间隔较短(30 s),电离层残差、多路径效应在时间上相关性较强,历元间求差后对周跳检测量的影响较小,因此可以忽略。JSCORS系统中,参考站仅可以获得 L1频率的 C/A码伪距和L2频率的 P2码数据,可以将 P2码代替 C/A码伪距计算Δ φi(t),其精度主要受伪距测量误差的影响。伪距测量的测距精度对于 P码约为 29 cm;而载波相位相应的波长为λ1=19.03 cm,λ2=24.42 cm。运用误差传播定律得:对于 L1,mΔ1≈1.8周;对于L2,mΔ2≈2.3周。

因此,在仅能获得 P2码观测值的情形下,以 3倍检测量方差为限,检测量Δ φi(t)能探测出大于7～8周的周跳。

(2)电离层残差法

电离层残差法利用双频载波相位观测量的电离层残差组成检测量,并根据检测量在历元间的变化来探测是否出现周跳。根据双频载波相位观测方程,构造电离层残差检测量

式中,Δion(t)为电离层残差。

在历元间求差,若不存在周跳,则

若L1和L2上的周跳分别为ΔN1和ΔN2,则

当电离层比较稳定且没有周跳发生时,Δ φi(t)在零附近波动;当发生周跳时,Δ φi(t)就会出现异常值,从而确定周跳的存在。运用误差传播定律得

以 3倍检测量方差为限,其限差约为 0.07周,即理论上当两个载波上的周跳引起的历元间电离层残差检测量变化值大于 0.07周时,才能有效地探测出周跳。

(3)伪距约束法确定周跳值

电离层残差法探测出周跳以后,本文采用伪距约束法进一步确定 L1、L2上的周跳大小。分别对伪距观测方程和载波相位观测方程在历元间求差,得到周跳解的约束条件,进一步得到周跳的准确解。

3.算例分析

以NJLH站 2009年 1月 1日 Prn2和 Prn20的观测数据为例,利用 TEQC软件对观测数据进行检验,Prn2不存在周跳,Prn20的 L1载波和L2载波上分别存在 15个和 16个周跳,如图 3～图 8所示。

图 3 Prn2 L1相位减伪距检测量变化图

图 4 Prn20 L1相位减伪距检测量变化图

图 5 Prn2 L2相位减伪距检测量变化图

图 6 Prn20 L2相位减伪距检测量变化图

图 7 Prn2修复后电离层残差检测量变化图

图 8 Prn20修复后电离层残差检测量变化图

图 3、图 4分别为 Prn2和 Prn20的L1载波相位减伪距法的检测量随时间的变化曲线,图 5、图 6分别为 Prn2和 Prn20的L2载波相位减伪距法的检测量随时间的变化曲线。可以看出相位减伪距法的检测量的值主要集中(-2,2)这一区间内。曲线的两端检测量值偏大,其原因为曲线的两端所处的历元卫星高度角偏小,同时受多路径效应的影响,导致检测量浮动较大。由于相位减伪距法周跳探测精度的限制,只有当检测量的值大于 7周时才能判定周跳的发生并予以修复。图 7、图 8为相位减伪距法修复 7周以上的大周跳后得到的电离层残差法检测量随时间的变化曲线。当没有周跳产生时,检测量的值整体趋于稳定,同样是由于高度角和多路径效应的影响,曲线的两端检测量的值浮动偏大。比较图 6和图 8,在相同历元处,均会出现检测量超过阈值的情况。即在用相位减伪距法修复完大周跳后,在大周跳出现的历元,电离层残差法的检测量还会超出阈值,这是因为相位减伪距法修复大周跳的精度不高,修复后还可能有部分残余小周跳。

分别对南京八个参考站 6天的观测数据进行了周跳探测与修复,将探测的结果和 TEQC软件探测出的周跳数进行比较,周跳探测与修复的效果比较理想。