單、雙頻GPS數(shù)據(jù)聯(lián)合處理基線分析

王文貫 陸海波

(廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院 南寧 530001)

1 引言

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展,GPS接收機(jī)越來越先進(jìn),雙頻GPS接收機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量中。但早期的雙頻GPS接收機(jī)價(jià)格昂貴,許多生產(chǎn)單位及科研院所只配備了單頻GPS接收機(jī),隨著現(xiàn)在雙頻接收機(jī)的廣泛應(yīng)用,單頻接收機(jī)被大量閑置,造成極大的資源浪費(fèi)。因此在測(cè)繪生產(chǎn)中,如果能把單頻機(jī)充分利用起來,在滿足精度的前提下配合雙頻接收機(jī),共同快速、高效的完成測(cè)量任務(wù),是一個(gè)很有實(shí)際意義課題。

2 單、雙頻GPS接收機(jī)特點(diǎn)

單頻GPS接收機(jī)只能接收L1載波信號(hào),測(cè)定載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響,單頻GPS接收機(jī)只適用于短基線(≤15km)的精密定位。

雙頻GPS接收機(jī)可以同時(shí)接收L1和L2載波信號(hào)。利用雙頻對(duì)電離層延遲的不一樣,可以消除電離層對(duì)電磁波信號(hào)延遲的影響,因此雙頻GPS接收機(jī)可用于長(zhǎng)達(dá)幾千公里的精密定位,在快速靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量中觀測(cè)時(shí)間比單頻機(jī)短。

3 基線解算的重要性及其指標(biāo)

GPS基線解算精度對(duì)整個(gè)GPS控制網(wǎng)起著至關(guān)重要的作用。在外業(yè)觀測(cè)中,可觀測(cè)衛(wèi)星的多少、衛(wèi)星的空間分布、測(cè)站附近電磁場(chǎng)的干擾、多路徑效應(yīng)以及電離層、對(duì)流層折射等都會(huì)影響基線解算的質(zhì)量。基線的質(zhì)量檢驗(yàn)需要通過RATIO,RDOP,RMS、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差和重復(fù)基線較差來進(jìn)行。檢驗(yàn)合格后才能用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中。單、雙頻GPS接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)中,形成的基線類型有三種:單頻接收機(jī)與單頻接收機(jī)之間形成的基線 (以下簡(jiǎn)稱單頻基線),雙頻接收機(jī)與雙頻接收機(jī)之間形成的基線 (以下簡(jiǎn)稱雙頻基線),單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)之間形成的基線 (以下簡(jiǎn)稱單、雙頻基線)。在基線解算時(shí),單頻+單頻=單頻,單頻+雙頻=單頻,雙頻+雙頻=雙頻。

4 試驗(yàn)分析

為分析單、雙頻GPS接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)時(shí)形成基線的精度情況,理想的做法是在相同的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)對(duì)同一條基線分別用單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。

為此,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用某市a期的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),接收機(jī)型號(hào)為Trimble 5700,數(shù)據(jù)采樣率為15S。該網(wǎng)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)全部為雙頻GPS接收機(jī)觀測(cè)得到的數(shù)據(jù),為獲得同一條基線上的單頻數(shù)據(jù),編程對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理,即將雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)中的L2頻率的有關(guān)信息過濾掉,只保留 L1頻率相關(guān)數(shù)據(jù),這樣經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)就相當(dāng)于單頻數(shù)據(jù),由此得到用標(biāo)稱精度相同的單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)測(cè)得的同一條基線上的兩種觀測(cè)值,分別對(duì)單頻數(shù)據(jù)和雙頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

基線解算采用 TGO(Trimble Geomatic Office6.0)后處理軟件,對(duì)每條基線觀測(cè)的數(shù)據(jù)按不同時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)處理,研究不同頻率組合,不同長(zhǎng)度的基線解算結(jié)果隨觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的變化情況。研究的基線分別選用5km以下、5km～10km、10km～15km、15km～20km、20km～25km和25km～30km的基線各三條,各基線情況見表1。

表1 試驗(yàn)基線情況表

根據(jù)基線處理結(jié)果,繪制相應(yīng)的精度隨時(shí)間變化的曲線圖如圖1～圖6(其中Ⅰ組合為單頻組合,Ⅱ組合為雙頻組合)。

圖1 5km以下基線 時(shí)長(zhǎng)精度圖 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(min)

圖2 5km～10km基線 時(shí)長(zhǎng)精度圖 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(min)

圖3 10km～15km基線 時(shí)長(zhǎng)精度圖 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(min)

圖4 15km～20km基線 時(shí)長(zhǎng)精度圖 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(min)

圖5 20km～25km基線 時(shí)長(zhǎng)精度圖 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(min)

圖6 25km～30km基線 時(shí)長(zhǎng)精度圖 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)(min)

從各基線時(shí)長(zhǎng)-精度變化圖可以看出:

(1)長(zhǎng)度小于5km的基線,在觀測(cè)20min后,單頻基線和雙頻基線都達(dá)到了較好的精度,兩者的解算精度在相同的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)基本相同,并且隨著觀測(cè)時(shí)間的增加兩者精度都在逐漸提高。說明單頻接收機(jī)和雙頻接收機(jī)測(cè)量5km以內(nèi)長(zhǎng)度的基線上,兩者基本相同。

(2)5km～10km基線,基本趨勢(shì)同5km以下基線。但在相同的時(shí)間內(nèi),單頻基線的解算精度反而優(yōu)于雙頻基線的解算精度。原因可能是對(duì)于短基線,基線兩端的電離層延遲具有強(qiáng)相關(guān)性,由于自動(dòng)處理采用L1C消除電離層的解算模式,組合兩個(gè)頻率上的數(shù)據(jù)所引入的誤差已經(jīng)超過了處理過程中所消除的電離層誤差;對(duì)于單頻數(shù)據(jù),采用 L1解算模式進(jìn)行單頻差分處理可將大部分電離層延遲消除。因此會(huì)出現(xiàn)雙頻精度反而不如單頻的現(xiàn)象。

(3)10km～15km基線,兩者20min后基線解算精度穩(wěn)定地提高。單頻基線解算精度同樣優(yōu)于雙頻基線解算精度。但是在90min觀測(cè)后,單頻基線解算精度出現(xiàn)跳躍性變化,說明在這個(gè)長(zhǎng)度區(qū)間的基線,單頻基線解算精度不如雙頻基線解算精度穩(wěn)定。

(4)15km～20km的基線,雙頻基線的解算精度隨觀測(cè)時(shí)間的增加,解算精度平穩(wěn)的提高。在20min的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)已達(dá)到了較好的精度。而單頻基線在1h內(nèi)的解算精度都較差,觀測(cè)時(shí)間在1h后,解算精度才趨于穩(wěn)定,但是在100min后也出現(xiàn)跳躍性變化,單頻基線的解算精度穩(wěn)定性顯著不如雙頻基線好。

(5)大于20km的基線,雙頻基線解算精度仍能隨著觀測(cè)時(shí)間的增加而平穩(wěn)的提高,并且在20min的觀測(cè)時(shí)間里能達(dá)到相對(duì)較好的精度。但單頻基線解算精度很不穩(wěn)定,得到的大多都是浮動(dòng)解,精度呈現(xiàn)跳躍性變化,解算精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及雙頻組合的解算精度高。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于15km以內(nèi)的短基線,兩種接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)處理都能得到較好的精度,單頻基線的解算精度甚至優(yōu)于雙頻基線的解算精度。對(duì)于15km～30km的基線,單頻基線計(jì)算得到的大都為浮動(dòng)解,精度出現(xiàn)較大的跳躍,表現(xiàn)很不穩(wěn)定。因此,單、雙頻GPS聯(lián)合測(cè)量時(shí),建議單頻的基線長(zhǎng)度不大于10km。

(2)對(duì)于15km以內(nèi)的短基線,無論是單頻接收機(jī)還是雙頻接收機(jī),進(jìn)行20min的觀測(cè)基本上都可以獲得較好的精度,如果進(jìn)行40min左右的觀測(cè)能夠獲得比較穩(wěn)定且質(zhì)量較高結(jié)果。因此建議單、雙頻GPS接收機(jī)聯(lián)合作業(yè)的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)在40min以上。

(3)單、雙頻GPS接收機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn),在精度允許的情況下,兩者完全能夠聯(lián)合測(cè)量,既充分利用了單頻GPS接收機(jī),又大大提高了工作效率。

略)