基于精密产品的伪距单点定位研究及应用

代桃高,魏勇,李建文,郭亮亮,李小强

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001;2.北斗导航应用技术协同创新中心, 郑州 450001; 3.61206部队，大连 116023)



基于精密产品的伪距单点定位研究及应用

代桃高1,2,魏勇1,2,李建文1,2,郭亮亮1,2,李小强3

(1.信息工程大学 导航与空天目标工程学院,郑州 450001;2.北斗导航应用技术协同创新中心, 郑州 450001; 3.61206部队，大连 116023)

针对单频接收机用户,本文就精密轨道、精密卫星钟差、精密电离层格网产品给出了基于精密产品的伪距单点定位算法。采用IGS预报的精密产品对10测站进行100天伪距单点定位解算。着重分析了GPS定位结果,验证了算法的正确性,并与广播星历就卫星轨道误差、卫星钟差、电离层延迟做了详细对比。实验结果证明:卫星精密轨道和钟差的自洽特性影响单点定位解;电离层延迟对伪距单点定位影响明显大于卫星轨道、钟差误差;超快速预报精密星历可以较广播星历得到更高精度的单点定位解。基于精密产品的伪距单点定位研究表明:预报精密星历在水平、高程方向平均改进约0.5 m,快速精密电离层产品在水平、高程方向平均改进约1.1 m.

伪距单点定位;精密轨道;精密钟差;精密电离层

0　引　言

冷启动首次定位时间是卫星导航接收机的一个重要性能指标。随着卫星导航应用的普及,已受到广大导航用户的很大关注。以GPS为例,在冷启动状态时,在观测条件良好情况下,接收机完成首次定位时间一般需要30 s左右。在实际导航应用中,如车辆较长时间停放驶出地下车库等情况下,一般需等待较长时间,完成GNSS的首次定位,严重影响了GNSS用户的使用体验和感受。GNSS接收机完成定位需具备两个条件,一是完成一定数量的星地间伪距测量,二是获取相应导航卫星的广播星历。接收机完成一次完整广播星历接收的时间是30 s,而完成一次测距仅需几个毫秒,所以导航卫星星历的获取是决定首次定位时间的主要因素。如果能快速获取星历信息,则可以缩短首次定位时间,提升应用效果。目前,IGS公布的预报星历,轨道精度优于10 cm,钟差优于5 ns[1].虽然钟差精度较低,但对于米级的导航业务也可达到指标要求。目前,部分导航接收机已具备网络通讯功能,这也是导航接收机网络化的发展趋势。移动通讯网络传输速率近些年有了质的提升,3G通讯已普遍成熟,4G发展迅猛,3G带宽在20 M左右,4G更是能达到150 M.其高速的传输效率明显优于卫星信号的捕获,可以在1 s内(正常情况,外加网络延迟也不会超过10 s)获取预报精密星历。所以开展基于移动网络传输IGS精密产品模式,利用IGS公布的预报精密产品,替代广播星历进行伪距单点定位的技术,具有广泛的应用价值。

本文主要开展伪距单点定位研究,着重分析了精密轨道、精密卫星钟差、精密电离层对伪距单点定位性能的影响,并与广播星历进行比较。

1　观测模型

卫星定位解算是基于星地距离后方交会观测模型的参数估计,其观测方程是对星地距离的几何描述。在定位解算过程中,由于存在诸如卫星轨道、钟差、电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等误差的影响,会影响解算结果的精度,因此常需对各类误差改正。由广播星历计算卫星轨道及卫星钟差的精度有限,而精密星历的精度远高于广播星历,故可以用精密星历替代广播星历完成定位解算。利用广播电文参数计算的电离层延迟一般只能改正70%左右,而精密电离层产品可以达到90%左右。下面基于IGS精密产品(本文主要指精密轨道、精密卫星钟差预报弧段产品、快速精密电离层产品),给出观测模型。

伪距观测方程可用下式描述,

(1)

常规伪距单点定位数据处理过程中,对流层延迟常采用模型改正,如Saastamoinen、Hopfield模型;电离层延迟可用Klobuchar模型[2]。引入精密产品,卫星轨道及钟差通过内插得到,电离层延迟通过精密电离层格网产品内插得到。

表1示出了基于精密产品伪距定位数据处理策略。

表1　基于精密产品伪距定位数据处理策略

(2)

式中: BP1-P2、BP1-C1为DCB文件硬件延迟偏差两项改正数。

2　数据处理方法

伪距单点定位需观测4颗以上卫星才能计算得到测站坐标[4]。对式(1)一阶泰勒展开,得到伪距线性化观测方程。

(3)

(4)

待估参数X=(dx,dy,dz,Δcdt)T.进一步可得到线性化后的误差方程:

(5)

其中

通常采用的估值方法有最小二乘估计和卡尔曼滤波,二者在观测值独立、且定权不随时间变化时,即状态矩阵为单位阵,二者等价[5]。

最小二乘的基本思想是使误差平方和最优化时的最优无偏解。其算法简单,残差信息保留完整,广泛应用于最优数值估计处理。最优参数估计解为ATPA)-1ATPL,A为设计矩阵,L为含观测值信息向量,P为观测值权信息矩阵。

本文基于精密产品的伪距单点定位原理,自主编写一套适用于基于广播星历及精密产品解算的伪距单点定位软件。在该软件中,轨道坐标、精密卫星钟差采用循环迭代计算得到,电离层延迟改正采用全球格网模型和Klobuchar模型,对流层延迟采用Saastamoinen模型改正。其余误差参照模型改正,观测值选用L1频点P1码(无P1选C1),采用非差伪距观测模型。

图1　软件数据处理流程图

软件处理流程如下:先进行控制参数配置;然后读取观测文件及相关导航文件和精密产品文件,广播星历计算模块与精密产品计算模块互为切换,数据处理流程一致;最后叠加完成法方程,进行最小二乘参数估计。软件流程如图1所示。

3　算例与分析

本文以GPS为算例,选用静态试验,采用10个IGS测站进行连续100天的伪距单点定位测试。观测文件为30 s采样率的天文件;卫星高度截止角设为5°,并以其正弦函数的倒数作为观测数据权值。数据处理采用单历元解算模式,结果与IGS最终测站坐标产品比较。精度评估置信度为95%.

选用的10个IGS站分布如图2所示。

图2　选用IGS站分布图

用精密星历代替广播星历进行定位解算,一般会同时使用精密轨道和精密钟差,这就需要确保轨道与钟差具有自洽性。若二者不自洽,则会严重影响星地几何距离计算。IGS公布的预报轨道精度可以满足分米级定位需求,而预报钟差精度约5 ns,为研究二者的同时引入对伪距单点定位解算的影响,本文首先就轨道、卫星钟差进行如下试验:轨道和钟差分离、合并组合,共设计三种数据处理方案。如表2所示。

表2　轨道钟差三种数据处理方案

各方案对应的结果如图3,图4所示(选用两个IGS站:bjfs、chur)

图3　水平方向精度偏差比较 (a) bjfs; (b) chur

图4　高程方向精度偏差比较 (a) bjfs; (b) chur

由图4可看出:预报卫星钟差对伪距单点定位精度改善效果要优于预报轨道,且预报轨道、钟差同时替换广播星历对伪距单点定位精度改善效果要优于单项替换,说明IGS公布的预报精密轨道和预报钟差是自洽的。

在此基础上,进一步用精密电离层格网产品(目前暂无实时电离层产品,本文采用快速电离层产品)替换广播星历中的电离层模型改正,将预报卫星轨道、钟差合并为一类改正,设计如表3所示的试验方案。

表3　电离层、轨道、钟差处理方案

考虑篇幅限制,以及各天定位结果的相对独立性,本文采用均值来评估各处理方案对定位结果的综合影响,各站均值统计结果如图5,图6所示。

图5　各站各方案水平方向精度偏差均值比较

图6　各站各方案高程方向精度偏差均值比较

综合各站结果,再取各方案的均值可得到如表4所示的结果。

表4　各方案改正量统计均值

由表4可以看出,仅用电离层格网模型对伪距单点定位的改正效果要优于仅用轨道钟差改正效果,在水平和高程方向均有约0.6 m的提升。精密电离层格网模型对伪距单点定位精度在水平方向上改进约1.1 m,在高程方向改进约1.2 m;精密轨道钟差对伪距单点定位在水平方向上改进约0.5 m,对高程方向上改进约0.6 m.综合改正效果要明显优于单项改正结果,在平面方向上改进约1.7 m,在高程方向上能改进约2 m.

预报卫星轨道、钟差对伪距单点定位精度改良较弱,原因可能与预报精密星历存在的系统误差、伪距测量噪声及对流层湿延迟残余等有关。但整体上,预报精密星历对伪距单点定位精度有一定提升,可替代广播星历完成更高精度定位。

4　结束语

预报轨道和钟差可同时替换广播星历完成伪距单点定位解算。预报卫星钟差对伪距单点定位精度的改善要优于预报轨道,且二者对伪距单点定位精度的综合改善说明预报轨道和钟差是自洽的。快速电离层产品替换广播星历参数对伪距单点定位精度的改进在米级,尤其在高程方向改进效果突出,且改善效果略优于预报卫星轨道和卫星钟差。精密产品替换广播星历能得到更高精度的伪距单点定位结果,这对于接收机冷启动,初次快速定位也有重要意义。

致谢:感谢信息工程大学iGMAS分析中心(LSN)提供的数据支持。

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StudyandtheApplicationofPseudo-rangeSingle-pointPositioningBasedonthePreciseProducts

DAITaogao1,2,WEIYong1,2,LIJianwen1,2,GUOLiangliang1,2,LIXiaoqiang3

(1.The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001,China;2.Beidou Navigation Technology Collaborative Center of Henan,Zhengzhou 450001, China;3.61206 Troops, Dalian 116023, China)

Inthispaper,anewpseudo-rangesingle-pointpositioningalgorithmbasedonthepreciseproducts:preciseorbit、precisesatelliteclockbias、preciseionosphericgridisproposedforsingle-frequencyreceiverusers.Tenmeasuringstationsarerandomlyselectedfor100dayssingle-pointpositioningsolvingbyIGSpreciseproductsdata.TherationalityofalgorithmisvalidatedbytheGPSpositioningresult.Detailedpositioningcomparisonsaremadebetweenthebroadcastephemerisandpreciseproductsonpreciseorbit,precisesatelliteclockbiasandpreciseionospheregrid.Thepositioningresultsshowthat,theself-consistencyofprecisesatelliteorbitandclockbiasaffectthepositioningresult;Theimpactofionosphericdelayonpseudo-rangesingle-pointpositioningwassignificantlygreaterthanthatofsatelliteorbitandclockbias;Ultrapredictionephemeriscanreceivehigheraccuracyinpositioningcomparedwithbroadcastephemeris.Basedonpreciseephemeris,pseudo-rangesingle-pointpositioningresearchshowsthat:Theforecastpreciseephemerishasanaverageimprovementofabout0.5metersintheplaneandelevationdirection.Andfastionosphericproductscanimproveabout1.1metersintheplaneandelevationdirection.

Pseudo-rangesingle-pointpositioning;preciseorbit;preciseclockbias;preciseionosphere

2015-12-24

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0063-05

代桃高(1991-),男,四川内江人,硕士生,主要从事卫星精密定位定轨研究。

魏勇(1989-),男,湖北人,硕士生,现从事GNSS数据处理与模型研究。

李建文(1972-),男,浙江富阳人,教授,现从事卫星导航系统工程与应用研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.013

联系人： 代桃高 E-mail: 18530948776@163.com