不同數據預處理方法對北斗衛星精密定軌精度的影響*

周 巍 郝金明 賈小林

(1)解放軍信息工程大學測繪學院，鄭州 450052 2)中國人民解放軍63883部隊，洛陽 471003 3)西安測繪研究所，西安710054)

不同數據預處理方法對北斗衛星精密定軌精度的影響*

周 巍1，2)郝金明1)賈小林3)

(1)解放軍信息工程大學測繪學院，鄭州 450052 2)中國人民解放軍63883部隊，洛陽 471003 3)西安測繪研究所，西安710054)

提出綜合利用高次差法和多項式擬合法對COMPASS-MEO衛星進行周跳探測的原理及實現方法，并采用COMPASS監測站實測數據使用不同的數據預處理策略對COMPASS-MEO衛星進行精密定軌試驗。結果表明，根據實測數據情況，合理選擇周跳探測方法和預處理策略，可以改善定軌精度。

COMPASS;周跳;φLC-PLC組合;多項式擬合;定軌

1 引言

衛星導航系統將導航衛星作為動態已知點，實現精密定軌是首先需要解決的問題，而觀測數據質量是影響衛星定軌精度的重要因素之一。對載波相位觀測數據而言，未被檢測出的周跳將被位置參數的改正數所吸收，從而導致參數估計的有偏。長期以來學者們對GPS周跳探測與修復問題做了深入的研究，對COMPASS系統具有重要的借鑒作用。與GPS相比，COMPASS提供更多類型的觀測數據，對于各類數據以前并沒有使用的經驗，傳統GPS數據預處理中周跳探測方法是否適用于COMPASS，是否能夠改善定軌精度，都有待進一步研究。

本文提出了綜合利用高次差法和多項式擬合法探測周跳的方法，并利用COMPASS監測站實測數據，分析了不同周跳探測方法和數據預處理方案對COMPASS-MEO衛星定軌結果的影響。

2 周跳探測原理

2.1 利用φLC－PLC組合探測周跳

周跳探測原理基于粗差理論，構造能夠精確反映周跳變化的檢驗序列，使周跳在該檢驗序列中以粗差的形式體現，進而確定周跳的位置和大小。

構造雙頻消電離層組合為：

φLC-PLC組合消除了幾何距離、電離層、對流層、鐘差的影響，對該組合相鄰歷元間求差，若無周跳發生，殘差應該在0值上下隨機波動，而周跳會以粗差的形式突顯于該檢驗序列中。由于φLC-PLC組合放大了觀測噪聲(約為P1噪聲的3倍［1］)，直接影響周跳探測的靈敏度，實驗發現該方法對10周以內的周跳不敏感，且利用φLC-PLC組合探測周跳只能反映周跳位置，并不能分離出某一個頻率上的周跳幅值。

2.2 綜合利用高次差法和多項式擬合法探測周跳

多項式擬合法根據m個無周跳的載波相位觀測值擬合一個n階多項式，根據多項式預估下一個觀測值并與實測值比較，從而發現周跳并修正整周計數［2］。

其數學模型為：

如圖1和表1所示，對于觀測質量較好的大采樣率數據而言，該方法對周跳的探測十分敏感，且周跳估值與預設值非常接近。

圖1 多項式擬合法探測周跳Fig.1 Cycle slip detection by polynomial fitting

表1 多項式擬合法周跳檢測結果(單位：周)Tab.1 Results of cycle slip detection by polynomial fitting (unit：cycle)

采用多項式擬合法探測周跳存在以下問題：每弧段啟動第一個窗口(擬合窗寬度m)擬合系數并對第m+1歷元進行外推時，若前m個歷元就已發生周跳，會引起之后一系列誤報。而通過對大量實測數據分析發現，這種現象比較常見，是必須要解決的問題。

采用 Remondi提出利用差分法進行周跳探測［4］。采用原始觀測數據或者其線性組合值歷元間求差，可以消除一些誤差，如接收機鐘差、衛星鐘差、大氣折射延遲等，當求至5次差時，如果沒有周跳發生，該高次差序列呈現偶然誤差特性，而周跳則會破壞這種規律性且幅值被放大，這類似一個高通濾波器，既阻尼低頻又消除其常數部分，高頻部分(如周跳)則被放大，根據該特性可以確定周跳發生的位置［5］。

聯合使用高次差法和多項式擬合法探測周跳，在多項式擬合法啟動第一個窗口內，首先對該m個數據使用高次差法進行探測，如果發生周跳，確定其發生時刻，從該歷元起重新開窗，直到有m個“干凈”的觀測數據起再啟動多項式擬合法探測周跳。

3 基于Hatch濾波的COMPASS雙頻載波相位平滑偽距

鑒于載波相位測量精度高，能夠精確反映偽距的變化，且多路徑誤差影響大約是測碼偽距觀測值的1/10等［6］原因，利用載波相位信息輔助碼偽距測量，以獲得比單獨采用碼偽距測量更高的精度［7］，基本公式為：

式(3)中包含歷元ti的電離層折射誤差相對于前i個歷元平均值的變化。當歷元間的電離層折射發生變化時，偽距平滑值中包含2倍電離層延遲變化影響，當電離層延遲發生突然抖動時，單頻偽距相位平滑的結果中會包含較大的偏差［8］。因此，單頻偽距進行多歷元數據的平滑處理時，如果所采用弧段的長度不適當，可能會發生單頻偽距相位平滑值的離散情況。

通過對大量實測數據的分析，本文選取的B1、B3頻率窄相關類型偽距和載波相位用于定軌運算。如式(1)構造雙頻電離層組合，將式(3)轉化為：采用Hatch濾波方法［9］，雙頻相位平滑偽距逐歷元遞推計算公式表示為：

選取2008年9月5日COMPASS-MEO臨潼站觀測數據，如(5)式獲得B1、B3雙頻相位平滑偽距值，與B1頻率窄相關偽距對比，分析基于Hatch濾波的COMPASS-MEO雙頻相位平滑偽距值對精度的改善，圖2、圖3分別為偽距和載波相位平滑偽距擬合噪聲殘差圖，計算相應RMS值統計如表2。

結果表明，B1頻率窄相關偽距觀測噪聲約為0.200 m，載波相位平滑偽距后為毫米級，大大降低了噪聲水平。故采用雙頻載波相位平滑偽距數據進行定軌可以獲得更高的精度。

4 定軌結果分析

選取2008年3月4、5、6日，上海站、長春站、臨潼站、昆明站、烏魯木齊站、南極站觀測數據，對COMPASS-MEO衛星進行動力學法定軌，比較不同周跳探測方法、不同預處理策略對定軌結果的影響。

圖2 偽距擬合殘差圖Fig.2 Residual of pseudorange polynomial fitting

圖3 載波相位平滑偽距擬合殘差圖Fig.3 Residual of pseudorange polynomial fitting of carrrier phase

表2 臨潼站數據擬合噪聲統計表(單位：m)Tab.2 Polynomial fitting noise of Lintong station(unit：m)

4.1 數據預處理

以2008年3月4臨潼站相位觀測數據為例，分別使用方案2和方案3對觀測數據進行預處理，比較其結果。

如圖4所示，該時間段內相位數據發生了較大的周跳，兩種方法都能夠將其成功探測。多項式擬合法可以確定某一頻率發生周跳的位置和大小，并將其成功修復;而無論哪一個頻率相位數據發生周跳，組合歷元間求差都會以粗差形式顯現，但由于該段載波相位數據頻繁發生周跳，按照方案2的數據分段思想，會使得段內數據量較少，可能會影響定軌結果。

圖4 周跳探測結果Fig.4 Results of cycle slip detection

4.2 精密定軌

采用3種不同策略對觀測數據進行預處理后進行精密定軌。

方案1：采用B1頻率窄相關偽距觀測量定軌;

方案2：利用φLC-PLC對B1、B3頻率組合進行周跳探測，標記周跳發生的位置將數據分段，段內相位平滑偽距后定軌;

方案3：綜合利用高次差法和多項式擬合法分別對B1、B3頻率相位數據進行周跳探測和修復，使用修復后的全弧段相位平滑偽距數據定軌(圖5)。

采用定軌殘差的RMS作為評定精度的指標，統計結果如圖6和表3所示。

圖5 數據處理流程圖Fig.5 Flow chart of data processing

圖6 各站定軌殘差RMS統計Fig.6 Residual RMS statistics graph of orbit determination at each station

表3 各站定軌殘差RMS統計(單位：m)Tab.3 Residual RMS statistics of orbit determination at each station(unit：m)

結果表明：使用相位平滑偽踞數據可以獲得比使用偽踞觀測值更高的定軌精度;對于幅值較大的周跳，方案2、3中的兩種方法均能夠成功探測，此時方案2、3定軌精度基本相當，如表2中長春站、昆明站等;對于頻繁發生周跳的觀測數據(如表2中上海站、臨潼站)，聯合使用高次差法和多項式擬合法進行周跳的探測并將其修復，能夠改善定軌精度。對于較頻繁發生周跳的載波相位數據，采用修復周跳全弧段平滑的策略較分段平滑能夠獲得更高的定軌精度，分析其原因，對于式(4)應用誤差傳播定律得到雙頻相位平滑偽距值方差為：

另外，對于漸進穩定的Hatch濾波器，當濾波時間充分長后，其最優濾波值將漸進地不依賴于濾波初值的選取［10］，而當數據量較小時，初值中偽距的因素會對平滑偽距值產生影響。

5 結論

本文將φLC-PLC組合法、綜合利用高次差法和多項式擬合法應用于COMPASS-MEO衛星載波相位數據周跳探測，利用精密定軌結果對比分析不同周跳探測方法和預處理策略對精度的影響，在COMPASS數據處理過程中，應根據實際觀測數據情況，綜合考慮周跳修復難度、精度要求、運算效率等因素，合理選擇周跳處理方法及預處理策略。

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INFLUENCE ON ACCURACY OF COMPASS ORBIT PRECISION DETERMINATION WITH DIFFERENT DATA PREPROCESSING METHODS

Zhou Wei1，2)，Hao Jinming1)and Jia Xiaolin3)

1)Institute of Surveying and Mapping，Information Engineering University，Zhengzhou 450052 2)63880 Troops，Luoyang 471003 3)Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi’an710054

How to detect the cycle slip is always the key to data preprocessing for satellite orbit determination.The method of LC-PC combination，Multi-difference combined Polynomial fitting for cycle slip detecting is analyzed，and then the test of orbit precision determination using COMPASS observations is made.It shows that，as for the observations of COMPASS receiver，the accuracy of orbit determination will be improved by choosing the methods of cycle slip detecting and data preprocessing rationally.

COMPASS;cycle slip;φLC-PLCcombination;polynomial fitting;orbit determination

1671-5942(2011)06-0084-05

2011-06-07

國家自然科學基金(40604003)

周巍，女，1981年生，博士研究生，主要從事GNSS理論研究與數據處理.E-mail：zhouwei_0611@163.com

P227

A