一種新的考慮接收機鐘跳的實時非差數據周跳探測方法

于合理,郝金明,呂志偉,謝建濤,謝宏飛

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,河南 鄭州 450052; 2.96117部隊,山東 萊蕪 271100)

0 引 言

周跳的探測是數據預處理的重要組成部分,近年來,國內外許多學者針對GNSS測量中周跳的探測進行了廣泛、深入的研究,并取得了豐富的成果[1-10]。常用的周跳探測方法有高次差法、電離層殘差法、偽距相位組合法、多項式擬合法和TurboEdit 方法等,但絕大部分探測方法都沒有考慮接收機鐘跳對周跳探測的影響。接收機鐘跳對觀測量的影響,在差分數據處理中,可以通過星間差分或雙差消除鐘跳相應于距離的改正量,但是由于衛星相對地球的徑向運動速率不同,相應于衛星幾何速率的部分由于衛星的不同而無法完全消除[5-7]。在非差觀測量進行精密單點定位時,接收機鐘跳對觀測值造成的影響無法通過差分消除,更應該考慮接收機鐘跳的影響。本文結合已有周跳探測方法,通過對接收機鐘跳的探測和修復提出了一種實時周跳探測方法,并通過實驗驗證了此方法的正確性。

1 接收機鐘跳對周跳探測的影響

鐘跳是為了保持接收機與GPS時間同步而周期性插入的時鐘跳躍,可以引起所有衛星、所有頻率上的載波相位或偽距觀測值的同時跳變。一般按鐘跳值的量級可以分為毫秒級鐘跳和微秒級鐘跳[5-6],根據鐘跳對觀測值的影響形式主要分為兩類[7]:第一類僅影響偽距觀測值而不影響相位觀測值,如圖1所示鐘跳發生時刻所有偽距觀測值同時發生相同大小的跳變;第二類同時影響偽距和相位觀測值,如圖2所示鐘跳發生時刻所有偽距和相位觀測值同時發生跳躍,導致其偽距和相位觀測值的不連續。

圖1 鐘跳(GENO站)對偽距和載波相位影響

圖2 鐘跳(ZJMJ站)對偽距和載波相位影響

鐘跳引起的觀測值跳變和周跳引起的觀測值的跳變極其相似,但卻與周跳有本質區別。周跳是失鎖造成的,只能引起載波相位觀測值的跳變,在所有通道上同時發生的概率較小。而鐘跳是接收機鐘差的突然變化,同時引起所有衛星載波相位或偽距觀測值相同的跳變。鐘跳和周跳在表現形式上的這種相似性,將給周跳的探測帶來不利的影響,會導致部分現有的周跳探測方法的失效,而將接收機鐘跳誤探為鐘跳。如基于預測殘差的方法,通過某一方式給出某一觀測歷元載波相位的預測值,將其與實際的觀測值進行比較,根據兩者的差異大小判斷該歷元是否發生周跳。

接收機鐘跳一旦被誤探為周跳,不僅會造成觀測數據模糊度參數的反復初始化,降低數據處理的效率,而且還有可能對定位結果造成影響。如第一類鐘跳只對偽距觀測值造成影響,而不會對載波相位造成影響,而利用M-W組合進行周跳探測時,會把第一類鐘跳誤探為周跳,一旦被誤探,強加給相位觀測值的改正,會對定位結果造成影響。雖然第二類鐘跳對M-W組合和電離層殘差組合探測周跳不會有影響,但會對其它周跳探測方法造成影響,而高精度的周跳探測一般是采用多種周跳探測方法相結合,最終仍會導致鐘跳被誤探為周跳。為避免鐘跳對周跳的影響,進行周跳探測時應當對鐘跳進行準確的探測和修復。

2 鐘跳的實時探測和修復

接收機鐘跳探測方法一般可以分為兩類,一類是基于鐘差參數域;一類是基于觀測值域[8]。基于參數域的鐘跳探測方法,通過分析歷元間鐘差的變化來判斷是否存在鐘跳。然而此方法需要事先估計接收機鐘差參數,對目前實時定位系統而言,顯然不能滿足實時的需要。鑒于基于參數域的鐘跳探測方法的不足,一些學者提出了利用偽距和載波相位組合量探測接收機鐘跳的方法。公式為

Δt(i)=|R(i)-R(i-1)-(φ(i)-

φ(i-1))|,

(1)

但此方法無法準確探測第二類鐘跳。因此,本文提出了一種基于觀測值域,利用多普勒觀測量進行鐘跳探測的方法。多普勒觀測量可以看作載波相位(偽距)的變率,其不受接收機鐘跳的影響(對比圖1與圖3、圖2與圖4可知),可用于反應載波相位(偽距)觀測量的變化。利用多普勒觀測量計算得到的預測值與觀測值差異在一定范圍內,否則認為產生了鐘跳。

圖3 鐘跳(GENO站)對多普勒觀測值影響

圖4 鐘跳(ZJMJ站)對多普勒觀測值影響

構造鐘跳探測量:

D(i-1))·T/2|/c,

(2a)

D(i-1))·T/2|/c,

(2b)

此檢測量消除了衛星鐘、對流層等與頻率無關的誤差項影響,僅受周跳、鐘跳、電離層殘差及觀測噪聲的影響。為消除周跳對鐘跳探測的不利影響,可首先利用不受鐘跳干擾影響的無幾何距離組合(GF)進行大周跳探測,一旦發現周跳,則不再參與后續鐘跳探測。未被探測為周跳的再利用鐘跳探測量進行鐘跳探測。

計算出鐘跳探測量后,可根據設定的探測量閾值判斷是否發生鐘跳。因毫秒鐘跳和微妙鐘跳有明顯差別,應采用不同的探測量閾值來探測鐘跳,用式(3)來探測微秒鐘跳,式(4)來探測毫秒鐘跳。

(3a)

(3b)

(4a)

(4b)

式中,k1、k2、k3為探測量閾值。在無周跳和鐘跳Δtjump(i)的影響下,探測量僅受電離層殘差和觀測噪聲的影響,數值較小,當有鐘跳發生時,兩探測量在數值上將不再連續,產生明顯的突變。毫秒鐘跳引起誤差為10-3,微秒鐘跳引起的誤差一般為10-7～10-5,若不考慮觀測噪聲影響,探測量閾值k1、k2、k3可設定如下:

(5a)

(5b)

(5c)

當方程組(3)(或(4))中兩式同時成立時,則認為第i歷元有第二類鐘跳發生;當第二式成立,第一式不成立時則認為第i歷元有第一類鐘跳發生;當兩公式均不成立時,認為無鐘跳發生。

殘余粗差和周跳會對鐘跳探測造成干擾,利用接收機鐘跳對所有衛星、所有頻率觀測量造成的影響大小相同這一特點,對探測結果進行檢驗。若所有衛星、所有頻率的觀測量在同一時刻都產生了數值相近的跳變,則認為該時刻發生鐘跳,鐘跳大小滿足:

(6)

鐘跳造成了接收機偽距和相位觀測數據時間基準的不一致,為了確保時間基準的一致性,必須對接收機觀測值進行修復。根據接收機鐘跳對觀測值的影響方式的不同,給定不同的修復方式。

對于第一類鐘跳,造成了偽距觀測量的不連續,只需將連續的相位觀測值調整成跳變形式,同偽距基準保持一致。此方法既有利于保持偽距和相位基準的一致,又沒有破壞模糊度參數的連續性。其修復公式[8-10]為

(7)

對于第二類鐘跳,同時造成載波相位和偽距觀測量的跳變,跳變后兩者時間基準仍然一致,鐘跳引起的系統性偏差解算時將被接收機鐘差完全吸收,不影響定位結果,不需要修復,只需對其作鐘跳標記。

3 考慮鐘跳的實時周跳探測方法

結合已有周跳探測方法,通過對接收機鐘跳的探測和修復提出的實時周跳探測方法。即對于雙頻GNSS數據,首先利用對鐘跳不敏感的無幾何距離組合進行周跳探測,一旦發現周跳,則不再參與后續鐘跳探測。未被探測為周跳的再利用本文提出的基于觀測值域利用多普勒觀測量進行鐘跳探測的方法對接收機鐘跳進行探測與修復。最后,將修復后的觀測量再運用M-W進行周跳探測,具體方法如圖5所示。而對于單頻GNSS數據則用偽距相位,可用偽距相位組合法代替流程中的GF組合,用多項式擬合算法代替流程中的M-W組合。

圖5 考慮鐘跳的實時周跳探測方法

4 實驗分析

為進一步分析采用考慮接收機鐘跳的實時周跳探測方法的正確性,將本文方法運用于非差數據處理中,分析考慮鐘跳的周跳探測方法的效果。限于篇幅本文僅給出雙頻GNSS數據驗證結果。采用ZIMJ站干凈無周跳的數據,對比分析運用本文提出的方法和未運用鐘跳探測和修復的方法探測周跳的結果。如圖6所示,橫軸為GPS觀測歷元,左-縱軸和右-縱軸分別為未運用鐘跳探測和修復的方法和運用鐘跳探測和修復的方法探測周跳的結果,“0”代表無周跳,“1”代表有周跳。

圖6 兩種方法探測結果比較

由圖可知,采用考慮接收機鐘跳的實時周跳探測方法,有效避免了鐘跳被誤探為周跳的可能性,提高了數據處理的精度效率。

5 結束語

鐘跳在表現形式上與載波相位的周跳十分類似,都會引起接收機觀測數據的跳變,鐘跳能夠導致現有的部分周跳探測方法對鐘跳探測的準確性。本文利用鐘跳不會引起多普勒觀測量跳變這一特點,采用基于多普勒觀測量的考慮接收機鐘跳的實時周跳探測方法,能夠有效的避免鐘跳被誤探為周跳的可能性,提高了周跳探測的準確度,減少了不必要的重新初始化,改善了非差數據處理的精度和效率。

致謝:感謝全球連續監測評估系統(IGMAS)信息工程大學分析中心對本文工作的支持。

[1]黃令勇,宋力杰,王 琰,等.基于北斗三頻無幾何相位組合周跳探測與修復[J].測繪學報,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]李金龍.GNSS三頻精密單點定位數據處理方法研究[D].鄭州:信息工程大學,2011.

[4]汪 平,郝金明,沈國康.單頻精密單點定位中周跳的處理方法[J].測繪科學技術學報,2009,26(5):337-339,343.

[5]張成軍,賈學東.接收機鐘跳對GPS定位的影響及探測方法[J].測繪通報,2009(12):7-9.

[6]楊 劍,王澤民,王貴文，等.GPS接收機鐘跳的研究[J].大地測量與地球動力學.2007(3):123-127.

[7]張小紅,郭 斐,李 盼,等.GNSS精密單點定位中的實時質量控制[J].武漢大學學報·信息科學版,2012:37(8):940-944.

[8]郭 斐,張小紅.基于GNSS觀測值域的實時鐘跳探測與修復方法 [C]//第三屆中國衛星導航學術年會,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.