一种新的考虑接收机钟跳的实时非差数据周跳探测方法

于合理,郝金明,吕志伟,谢建涛,谢宏飞

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,河南 郑州 450052; 2.96117部队,山东 莱芜 271100)

0 引 言

周跳的探测是数据预处理的重要组成部分,近年来,国内外许多学者针对GNSS测量中周跳的探测进行了广泛、深入的研究,并取得了丰富的成果[1-10]。常用的周跳探测方法有高次差法、电离层残差法、伪距相位组合法、多项式拟合法和TurboEdit 方法等,但绝大部分探测方法都没有考虑接收机钟跳对周跳探测的影响。接收机钟跳对观测量的影响,在差分数据处理中,可以通过星间差分或双差消除钟跳相应于距离的改正量,但是由于卫星相对地球的径向运动速率不同,相应于卫星几何速率的部分由于卫星的不同而无法完全消除[5-7]。在非差观测量进行精密单点定位时,接收机钟跳对观测值造成的影响无法通过差分消除,更应该考虑接收机钟跳的影响。本文结合已有周跳探测方法,通过对接收机钟跳的探测和修复提出了一种实时周跳探测方法,并通过实验验证了此方法的正确性。

1 接收机钟跳对周跳探测的影响

钟跳是为了保持接收机与GPS时间同步而周期性插入的时钟跳跃,可以引起所有卫星、所有频率上的载波相位或伪距观测值的同时跳变。一般按钟跳值的量级可以分为毫秒级钟跳和微秒级钟跳[5-6],根据钟跳对观测值的影响形式主要分为两类[7]:第一类仅影响伪距观测值而不影响相位观测值,如图1所示钟跳发生时刻所有伪距观测值同时发生相同大小的跳变;第二类同时影响伪距和相位观测值,如图2所示钟跳发生时刻所有伪距和相位观测值同时发生跳跃,导致其伪距和相位观测值的不连续。

图1 钟跳(GENO站)对伪距和载波相位影响

图2 钟跳(ZJMJ站)对伪距和载波相位影响

钟跳引起的观测值跳变和周跳引起的观测值的跳变极其相似,但却与周跳有本质区别。周跳是失锁造成的,只能引起载波相位观测值的跳变,在所有通道上同时发生的概率较小。而钟跳是接收机钟差的突然变化,同时引起所有卫星载波相位或伪距观测值相同的跳变。钟跳和周跳在表现形式上的这种相似性,将给周跳的探测带来不利的影响,会导致部分现有的周跳探测方法的失效,而将接收机钟跳误探为钟跳。如基于预测残差的方法,通过某一方式给出某一观测历元载波相位的预测值,将其与实际的观测值进行比较,根据两者的差异大小判断该历元是否发生周跳。

接收机钟跳一旦被误探为周跳,不仅会造成观测数据模糊度参数的反复初始化,降低数据处理的效率,而且还有可能对定位结果造成影响。如第一类钟跳只对伪距观测值造成影响,而不会对载波相位造成影响,而利用M-W组合进行周跳探测时,会把第一类钟跳误探为周跳,一旦被误探,强加给相位观测值的改正,会对定位结果造成影响。虽然第二类钟跳对M-W组合和电离层残差组合探测周跳不会有影响,但会对其它周跳探测方法造成影响,而高精度的周跳探测一般是采用多种周跳探测方法相结合,最终仍会导致钟跳被误探为周跳。为避免钟跳对周跳的影响,进行周跳探测时应当对钟跳进行准确的探测和修复。

2 钟跳的实时探测和修复

接收机钟跳探测方法一般可以分为两类,一类是基于钟差参数域;一类是基于观测值域[8]。基于参数域的钟跳探测方法,通过分析历元间钟差的变化来判断是否存在钟跳。然而此方法需要事先估计接收机钟差参数,对目前实时定位系统而言,显然不能满足实时的需要。鉴于基于参数域的钟跳探测方法的不足,一些学者提出了利用伪距和载波相位组合量探测接收机钟跳的方法。公式为

Δt(i)=|R(i)-R(i-1)-(φ(i)-

φ(i-1))|,

(1)

但此方法无法准确探测第二类钟跳。因此,本文提出了一种基于观测值域,利用多普勒观测量进行钟跳探测的方法。多普勒观测量可以看作载波相位(伪距)的变率,其不受接收机钟跳的影响(对比图1与图3、图2与图4可知),可用于反应载波相位(伪距)观测量的变化。利用多普勒观测量计算得到的预测值与观测值差异在一定范围内,否则认为产生了钟跳。

图3 钟跳(GENO站)对多普勒观测值影响

图4 钟跳(ZJMJ站)对多普勒观测值影响

构造钟跳探测量:

D(i-1))·T/2|/c,

(2a)

D(i-1))·T/2|/c,

(2b)

此检测量消除了卫星钟、对流层等与频率无关的误差项影响,仅受周跳、钟跳、电离层残差及观测噪声的影响。为消除周跳对钟跳探测的不利影响,可首先利用不受钟跳干扰影响的无几何距离组合(GF)进行大周跳探测,一旦发现周跳,则不再参与后续钟跳探测。未被探测为周跳的再利用钟跳探测量进行钟跳探测。

计算出钟跳探测量后,可根据设定的探测量阈值判断是否发生钟跳。因毫秒钟跳和微妙钟跳有明显差别,应采用不同的探测量阈值来探测钟跳,用式(3)来探测微秒钟跳,式(4)来探测毫秒钟跳。

(3a)

(3b)

(4a)

(4b)

式中,k1、k2、k3为探测量阈值。在无周跳和钟跳Δtjump(i)的影响下,探测量仅受电离层残差和观测噪声的影响,数值较小,当有钟跳发生时,两探测量在数值上将不再连续,产生明显的突变。毫秒钟跳引起误差为10-3,微秒钟跳引起的误差一般为10-7～10-5,若不考虑观测噪声影响,探测量阈值k1、k2、k3可设定如下:

(5a)

(5b)

(5c)

当方程组(3)(或(4))中两式同时成立时,则认为第i历元有第二类钟跳发生;当第二式成立,第一式不成立时则认为第i历元有第一类钟跳发生;当两公式均不成立时,认为无钟跳发生。

残余粗差和周跳会对钟跳探测造成干扰,利用接收机钟跳对所有卫星、所有频率观测量造成的影响大小相同这一特点,对探测结果进行检验。若所有卫星、所有频率的观测量在同一时刻都产生了数值相近的跳变,则认为该时刻发生钟跳,钟跳大小满足:

(6)

钟跳造成了接收机伪距和相位观测数据时间基准的不一致,为了确保时间基准的一致性,必须对接收机观测值进行修复。根据接收机钟跳对观测值的影响方式的不同,给定不同的修复方式。

对于第一类钟跳,造成了伪距观测量的不连续,只需将连续的相位观测值调整成跳变形式,同伪距基准保持一致。此方法既有利于保持伪距和相位基准的一致,又没有破坏模糊度参数的连续性。其修复公式[8-10]为

(7)

对于第二类钟跳,同时造成载波相位和伪距观测量的跳变,跳变后两者时间基准仍然一致,钟跳引起的系统性偏差解算时将被接收机钟差完全吸收,不影响定位结果,不需要修复,只需对其作钟跳标记。

3 考虑钟跳的实时周跳探测方法

结合已有周跳探测方法,通过对接收机钟跳的探测和修复提出的实时周跳探测方法。即对于双频GNSS数据,首先利用对钟跳不敏感的无几何距离组合进行周跳探测,一旦发现周跳,则不再参与后续钟跳探测。未被探测为周跳的再利用本文提出的基于观测值域利用多普勒观测量进行钟跳探测的方法对接收机钟跳进行探测与修复。最后,将修复后的观测量再运用M-W进行周跳探测,具体方法如图5所示。而对于单频GNSS数据则用伪距相位,可用伪距相位组合法代替流程中的GF组合,用多项式拟合算法代替流程中的M-W组合。

图5 考虑钟跳的实时周跳探测方法

4 实验分析

为进一步分析采用考虑接收机钟跳的实时周跳探测方法的正确性,将本文方法运用于非差数据处理中,分析考虑钟跳的周跳探测方法的效果。限于篇幅本文仅给出双频GNSS数据验证结果。采用ZIMJ站干净无周跳的数据,对比分析运用本文提出的方法和未运用钟跳探测和修复的方法探测周跳的结果。如图6所示,横轴为GPS观测历元,左-纵轴和右-纵轴分别为未运用钟跳探测和修复的方法和运用钟跳探测和修复的方法探测周跳的结果,“0”代表无周跳,“1”代表有周跳。

图6 两种方法探测结果比较

由图可知,采用考虑接收机钟跳的实时周跳探测方法,有效避免了钟跳被误探为周跳的可能性,提高了数据处理的精度效率。

5 结束语

钟跳在表现形式上与载波相位的周跳十分类似,都会引起接收机观测数据的跳变,钟跳能够导致现有的部分周跳探测方法对钟跳探测的准确性。本文利用钟跳不会引起多普勒观测量跳变这一特点,采用基于多普勒观测量的考虑接收机钟跳的实时周跳探测方法,能够有效的避免钟跳被误探为周跳的可能性,提高了周跳探测的准确度,减少了不必要的重新初始化,改善了非差数据处理的精度和效率。

致谢:感谢全球连续监测评估系统(IGMAS)信息工程大学分析中心对本文工作的支持。

[1]黄令勇,宋力杰,王 琰,等.基于北斗三频无几何相位组合周跳探测与修复[J].测绘学报,2012,41(5):763-768.

[2]LIU Zhizhao.A new automated cycle slip detection and repair method for a single dual-frequency GPS receiver[J].Journal of Geodesy,2011,85(3):171-183.

[3]李金龙.GNSS三频精密单点定位数据处理方法研究[D].郑州:信息工程大学,2011.

[4]汪 平,郝金明,沈国康.单频精密单点定位中周跳的处理方法[J].测绘科学技术学报,2009,26(5):337-339,343.

[5]张成军,贾学东.接收机钟跳对GPS定位的影响及探测方法[J].测绘通报,2009(12):7-9.

[6]杨 剑,王泽民,王贵文，等.GPS接收机钟跳的研究[J].大地测量与地球动力学.2007(3):123-127.

[7]张小红,郭 斐,李 盼,等.GNSS精密单点定位中的实时质量控制[J].武汉大学学报·信息科学版,2012:37(8):940-944.

[8]郭 斐,张小红.基于GNSS观测值域的实时钟跳探测与修复方法 [C]//第三届中国卫星导航学术年会,2012.

[9]FULLER S,COLLIER P,KEALY A,etal.Real time quality assessment for CORS networks[J].Journal of Global Positioning Systems,2005:1-2,223-229.

[10]KIM D,LANGLEY R B.Instantaneous real-time cycle-slip correction of dual-frequency GPS data[C]//Proceedings of the International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy,Geomatics and Navigation,2001:5-8.