GPS系统硬件延迟研究

贺 婧

(杨凌职业技术学院交通与测绘工程分院， 陕西 杨凌 712100)



GPS系统硬件延迟研究

贺 婧

(杨凌职业技术学院交通与测绘工程分院， 陕西 杨凌 712100)

摘要：主要针对某高校2014年3月至4月一个月的基准站的数据以及对其的处理分析，重点研究了GPS系统硬件延迟的问题。GPS系统中硬件延迟是由很多原因导致的，其中主要是因为观测信号在卫星和接收机硬件内传播时的延迟。高精度导航定位的应用范围越来越广，随着分离和克服硬件延迟的影响，可知提高定位精度的重要性，结果表明其在一定时间内是稳定的。

关键词：GPS； 硬件延迟； TEC； 稳定性

0引言

近几年来，GPS技术的一直在不断成熟、定位的精度也在不断提高，对于它的应用范围同时也越来越广泛。但是当进行GPSTEC测量时，因为接收机和卫星的这两种硬件延迟是会对最后的定位结果引起一定的误差的，所以会影响TEC的测量精度，这两种延迟分别叫做接收机硬件延迟和卫星硬件延迟，它们都是由硬件因素引起的。因为GPS系统的硬件延迟问题，最后TEC的结果会发生很大的变动，又受限于太阳活动、测量噪音等很多因素，不同时间范围内测定的 GPS系统硬件延迟一定会发生变化，所以为了更准确地获得TEC的数值，GPS系统硬件延迟的解算方法和精度对我们来说有很高的重要性。

1GPS系统硬件延迟的问题

在全球定位系统的DCB中，我们要解决的问题就是精确无误的改正这些误差以及取得它们在各自的路线传播当中总的TEC，同时这些数据必须是实时的。在GPS的测量当中，不可能对一项重要的误差源L1、L2信号的硬件时延做到完全一致。对于这种分类，采用的方法是根据不同的环节，具体的类别有两种：全球定位系统的接收机DCB和全球定位系统的卫星的DCB。可想而知，这对于定位精度可以达到米级别的WAAS系统来说负面影响是十分显著的。

2GPS系统硬件延迟的估算方法

如果观测了全球定位系统的最初观测值，并且进一步的利用这些数据来解算斜向电离层电子含量，得到的结果当中可能会同时存在接收机硬件延迟(DCB)和卫星发射机的双重误差。从用户的角度考虑，如果对这些定位精度有较高的要求的话，硬件延迟还需要进一步地解决。

2.1求解硬件延迟的原理

(1)

(2)

2.2GPS系统硬件延迟的估计模型

(3)

(4)

其中:

N是短期内的数据采样个数； σj(ti)是权重因子，根据所用的接收机的型号、采用的跟踪方式和已有参考资料给出的结果，计算时：

当el(ti)≤55°时，σ(ti)=39.4271-2.7793el(ti)+0.097el2(ti)-1.5211×10-3el3(ti)+

9.9767×10-6el4(ti)

当el(ti)>55°时，将σ(ti)取为2，el(ti)为ti时刻的卫星仰角，由(4)式和相位观测方程，得

(5)

(6)

上式就是硬件延迟的估计模型。

一些学者采用两个表面为双频电离层垂直TEC观测的实验模型，这里是三面模型的使用。局部垂直的TEC可以用下面的三次多项式来模仿:

(7)

电离层有很多模型, 本文用的是VTEC模型。其具体表达式形式为：

(8)

考虑到上述所有的硬件错误，硬件系统的表达式为：

B=VTEC/cosz-9.524Δρ

(9)

如果想到GPS系统硬件延迟参数后，计算TEC可利用如下公式 ：

TEC-9.52437B=9.52437(P2-P1)

(10)

将斜向TEC转为垂直TEC时会用下面的公式：

VTEC=TEC×cosz

(11)

(12)

2.3求解硬件延迟的方法

(13)

对于(13)式，知道φ、γ的相对应的纬度和经度，即日固坐标系中的穿透点。分别为对应的接收机的纬度和经度(存在于日固坐标系中)。可以将式(13)改写成：

(14)

取卡尔曼滤波的状态向量X(K)为:

则卡尔曼滤波的观测方程Y(K)为:

Y(K)=C(K)X(K)+V(K)

(15)

其中，测量的噪声为零的均值是V(K)，

而式子C(K)=[secEj(K)secEj(K)·dλsecEj(K)·dφ1]则是观测值Y(K)。

a5·φ·γ+a6·φ3+a7·γ3+a8·φ2·γ+

a9·φ·γ2+a10·φ4+a11·γ4+a12·φ3·γ+

a13·φ3·γ+a14·φ·γ

(16)

或六系数二次曲面模型(CoCo，1991)：

a5·γ·φ

(17)

bnmsinm(λ-λ0))

(18)

对于上述的方法，从上个世纪开始就有很多国内外的专家学者做了研究和深入。他们的初步结论是：如果要求无论是哪个方面的硬件延迟都要稳定，则硬件部件不能发生变化。但到目前为止还没有对以上任何一种方法做出实际的应用，因而可能实施起来还有点难度，因为这些方法很多都是从分析电离层的形态的角度出发的。如果一定要把实际应用和上述方法结合起来的话，就必须对DCB的有效性做出估计。

3实例分析

3.1数据来源

在所利用的数据方面，根据上述设计研究方案以及学校已经拥有的设备资源，本文采用的是某高校的一个CORS站的GPS原始观测数据,对数据所采用的时间范围是2014年3月8日至4月8日，与之相应的INOEX文件和SP3文件是从IGS网站上得来的。考虑到夜间电离层相对规则，空间和时间的模型可以描述实际情况比较准确，如果想要更好地解释站的位置和电离层活动的灵敏度结果的话，就要利用这些数据来进行计算。所以，本文利用的数据就是夜间18：00至24：00的数据，同样的应该将相对较长的时间范围列入考虑之中。因此，讨论了某高校台站的硬件延迟。

3.2数据处理过程

3.2.1实验数据GPS硬件延迟解算所需要的数据包括有：GPS台站所观测的O文件(观测值文件)、IGS站发布的SP3文件(精密星历文件)以及IONEX文件。首先，由于台站的数据直接获得的是后缀名为HCN类型的文件，因此先要将它转化成O文件。其具体的转换方法是利用RINEX Converter程序，直接将原文件导入进行转换就可以得到结果，图1给出了程序的截图。然后利用MATLAB程序读取O文件，从其中提取出计算所需要的伪距观测值P1、P2，为区域建模做数据准备。但是在此过程中又遇到了一系列问题，因为转化过的O文件中同时包含有GPS星历、GLONASS星历以及北斗星历，但其中的GLONASS卫星的硬件延迟是不需要研究的，所以需要用TEQC软件将其剔除，如果没有及时剔除的话，日后用MATLAB处理数据就会遇到相应的错误，其数据读取也会中断。

IONEX文件是从IGS网站中获得的，在网站上直接下载完IONEX类型的数据之后同样需要对其进行处理。因为我们需要读取的时间历年是格里高利历，所以还需要用GPS Time Trans软件将其进行转换，具体步骤见图2和图3。如果全天都没有观测值的卫星这时候读取IONEX文件中的DCB就起了作用。

图1　RINEX Converter软件转化截图

图2　GPS Time Trans软件转换历年截图

图3　GPS Time Trans软件转换历年截图

SP3文件的获得同样是IGS网站。其作用是利用文件中精密星历数据计算出卫星坐标，然后计算出站星连线与电离层单层模型的穿刺点坐标。

3.2.2具体处理过程将所有的数据都处理完全后就可以开始读取数据并进行分析，具体读取处理数据的软件是MATLAB。用MATLAB程序处理数据的步骤为：

(1)将MATLAB当前的文件夹加载为MATLAB_DCB(即本文的程序名或所在位置)；

(2)运行文件夹中名为SDCB_Main的程序；

(3)依次读取O文件、SP3文件以及IONEX文件，分别计算出载波观测值(L1、L2)以及伪距值(P1、P2)、卫星拟合坐标；

(4)利用第3步计算得到的数据计算出平滑伪距差(P4)；

(5)最后，建立观测值方程，解算出模型参数，接收机和卫星硬件延迟(DCB)。

3.2.3结果的分析所有数据的解算结果都存放在名为S_Result的文件夹中，加载其中的ptag文件夹中的数据，就可以得到接收机延迟(DCB_R)和卫星延迟(DCB_S)的具体数据。其中由于IONEX文件、O文件以及SP3文件是分别按每天处理的，所以工作量较大，效率也较低。因为每天的接收机延迟只有一个数据，所以用MATLAB做出了总共31天的接收机延迟(DCB_R)的变化情况图，见图4。通过对本图形的观察可知道，接收机的硬件延迟在一定的时间可以被认为是在一点范围内波动或者说波动不大的，但也不排除变化很大的数据，如图中第十天左右的数据，其具体的解决方法在日后的研究中看是否能够得到解决。

图4　31天的接收机延迟变化图

图5至图10给出了从3月8日至3月13日这6天的卫星延迟(DCB)的数据成果图，其中纵坐标代表DCB的值，横坐标代表的是卫星的编号。通过这几天的图形可以观察出，利用MATLAB程序解算出的卫星硬件延迟(DCB)应该在可以接收的范围内，其最大值不超过10，最小值接近于0。

图5 图6 图7

图8 图9 图10

4结语

本文通过对GPS测量TEC的原理的探讨、GPS系统的硬件延迟偏差以及对TEC的影和对GPS系统硬件延迟解算原理与方法的初步研究，表明系统硬件延迟的存在和解算精度都会对TEC解算产生较大的影响, 这就提醒我们指导硬件延迟对其他各种模型的影响也都是不可忽略的。通过对GPS系统硬件延迟的估算方法研究，得到GPS信号在卫星和接收机硬件内部的延迟量。对电离层的研究而言，可以精确获得TEC从而消弱电离层延迟误差的影响，从而改善用户的定位精度。还可以通过进一步的研究硬件延迟对卫星钟差和接收机钟差修正的影响，从而提高伪距精度。本文还通过对某高校的数据分析，得出硬件延迟(包括卫星信号延迟和接收机延迟)在一定的时间和范围内都是稳定的。

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The Analysis of GPS System's Hardware Delay

HE Jing

(Traffic and Surveying Engineering School of Yangling Vocational and Technical College, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract:Based on a month data of base station of a college from March to April in 2014 and the processed analysis, this paper mainly studies the GPS system hardware delay issues, which results from many causes, mainly due to the propagation delay about the observed signal in the satellite and receiver hardware. The application scope of high precision navigation and positioning becomes more and more wide, with the influence of separating and overcoming the hardware delay, the enhancement of positioning accuracy becomes more important, the results show that it is stable in a certain time.

Key words:GPS; hardware delay; TEC; stability

中图分类号：TN967.1

文献标识码：A

文章编号：1671-9131(2015)01-0011-05

作者简介：贺 婧(1989-)，女，青海西宁人，硕士，助教，现主要从事工程测量技术专业的教学与研究工作。

收稿日期：2014-09-18