L5載波相位觀測值的模擬分析

伍 岳,劉正平,邱 蕾,王海軍

(1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034；3.深圳市地籍測繪大隊，廣東 深圳 518028；4.二炮士官學校作戰(zhàn)保障教研室，山東 青州 262500)

L5載波相位觀測值的模擬分析

伍 岳1,劉正平2,邱 蕾3,王海軍4

(1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034；3.深圳市地籍測繪大隊，廣東 深圳 518028；4.二炮士官學校作戰(zhàn)保障教研室，山東 青州 262500)

GPS現(xiàn)代化計劃目前只在幾顆衛(wèi)星上加入了L5信號，第三頻率觀測數(shù)據(jù)尚不能進行組網(wǎng)數(shù)據(jù)處理。如何驗證現(xiàn)有多頻理論的有效性，以及進行更深入、更廣泛的多頻數(shù)據(jù)處理理論應用研究，L5數(shù)據(jù)的獲取成為一個重要問題。文中結合載波相位觀測值之間的物理相關性，模擬L5載波相位觀測值，對L5載波相位觀測值的精度進行了分析，取得了一些有益的結論。

GPS現(xiàn)代化；多頻數(shù)據(jù)處理；觀測值模擬；精度分析；L5觀測值

GPS系統(tǒng)是目前系統(tǒng)最完善、應用最廣泛的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。但是GPS系統(tǒng)由美國軍方控制,由于系統(tǒng)設計和政策等原因,對于民間用戶和他國軍方用戶的安全性無法保障，在保護軍方利益的前提下[1]，美國提出了GPS現(xiàn)代化措施。GPS現(xiàn)代化措施中增加了第三頻率L5，這有利于提高民用實時定位的精度和導航的安全性，同時通過3個頻率的組合觀測值，比按現(xiàn)行雙頻觀測值縮小了整周模糊度的搜索空間，大大加快了解算模糊度真值的速度[2]，可實現(xiàn)更大范圍的高效率的基線模糊度解算。但時至今日，美國只在少數(shù)衛(wèi)星增加了L2C及L5信號，還不能將其應用到實際的GPS數(shù)據(jù)處理中。如何驗證現(xiàn)有多頻理論的有效性，以及進行更深入、更廣泛的多頻數(shù)據(jù)處理理論研究，L5數(shù)據(jù)的獲取已成為一大瓶頸。本文結合GPS載波相位雙差觀測值之間的物理相關性，通過數(shù)學變換對L5載波相位觀測值進行了模擬，分析了模擬觀測值的精度，并通過與L1數(shù)據(jù)進行基線解算對比驗證了模擬數(shù)據(jù)的可靠性。

1 L5雙差觀測值的模擬

由于各種測量誤差對非差載波觀測值的影響較大，導致整周模糊度很難確定，因此一般采用雙差觀測值消除部分誤差后進行解算。對于L1、L2和L5載波，其雙差載波觀測方程及L5雙差偽距觀測方程可寫為

(1)

其中:▽Δ為雙差符號；λi為載波相位波長(i=1,2,5)；▽ΔNi為雙差模糊度(i=1,2,5)；▽ΔT為雙差后的對流層與衛(wèi)星軌道誤差之和；▽ΔI為L1載波觀測值雙差后電離層誤差；ε為雙差后的觀測噪聲(i=1,2,5)。

(2)

式(2)解方程得

令

則I,T可簡化為

(3)

(4)

通過式(2)～式(4)可分別得出L5載波的相位觀測值和偽距觀測值

(5)

(6)

假設各頻率間不存在物理相關性，L5載波觀測值和偽距觀測值方差分別為

(7)

(8)

認為各頻率上觀測噪聲等同，可通過式(7)、式(8)得出L5載波和偽距觀測值的方差，再通過隨機函數(shù)[2]調(diào)制到式(5)、式(6)，即可模擬出L5的載波和偽距觀測值。

若將L5觀測值的頻率替換為L2觀測值頻率，可以根據(jù)上述公式計算出模擬的L2觀測值與真實L2觀測值的差值。圖1～圖6為上述方法解出的雙差C/A碼及L2載波觀測值與實際雙差觀測值之比較。

圖1 雙差C/A碼實際觀測值

圖2 雙差C/A碼模擬觀測值

圖3 雙差C/A碼與模擬值之比較

圖4 雙差L2實際觀測值

圖6 雙差L2與模擬值之比較

通過模擬，C/A碼實際雙差值(見圖1)與模擬值(見圖2)有±1.5 m的偏差(見圖3)，這可能與碼觀測值的觀測噪聲有關；圖5中L2的模擬值與真實值(見圖4)偏差不到±0.008周(見圖6)，接近于載波觀測噪聲的水平。L2的數(shù)據(jù)模擬實驗說明了本文的方法是可行的。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

觀測數(shù)據(jù)來自武漢市CORS的一條基線HNXZ，長度約92 km。觀測時間為2008年5月1日00：00-24：00，采樣率1 s，截止高度角為10°。采用上述方法進行L5數(shù)據(jù)的模擬。通過TCAR方法[3]將L5雙差模糊度單歷元固定后，再進行單歷元實時定位計算[4-6]；同時固定L1雙差模糊度后單歷元定位計算[7-9]。將3個方向NEU的定位結果繪制成圖7～圖12。圖中橫坐標為時間，縱坐標為NEU方向與真值的差值，單位為m。可以看出，L5雙差載波定位在平面為4 cm內(nèi)，高程方向稍差，在15 cm內(nèi)；L1雙差載波定位精度平面在4 cm內(nèi)，高程在15 cm內(nèi)，兩組解算值隨歷元有良好的相關性。實驗表明,模擬的雙差L5觀測數(shù)據(jù)與真實的L1觀測數(shù)據(jù)解算結果非常接近，能滿足相關的應用要求。

圖7 利用L5模擬數(shù)據(jù)解算的N方向定位精度

圖8 利用L1數(shù)據(jù)解算的N方向定位精度

圖9 利用L5模擬數(shù)據(jù)解算的E方向定位精度

圖10 利用L1數(shù)據(jù)解算的E方向定位精度

圖12 利用L1數(shù)據(jù)解算的U方向定位精度

3 結 論

GNSS多頻數(shù)據(jù)處理理論已經(jīng)發(fā)展多年，近年來美國陸續(xù)在少數(shù)衛(wèi)星上加載了L2C民用信號和L5載波信號，但經(jīng)過試驗L5載波聯(lián)合雙頻后的數(shù)據(jù)處理效果不甚理想，因此如何獲得可靠的L5模擬觀測值仍是驗證多頻數(shù)據(jù)處理理論的關鍵。本文利用載波之間的物理相關性通過數(shù)學變換的方法模擬了L5頻率的載波與偽距觀測值，通過TCAR模糊度求解方法求解了中長基線(90 km以上)的L5頻率雙差模糊度，其24 h中的單歷元定位精度與L1定位精度相當，反映了本方法所模擬數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性，也表明通過本方法模擬的多頻數(shù)據(jù)可以運用到多頻數(shù)據(jù)處理理論的應用之中。

[1]伍岳.第二代導航衛(wèi)星系統(tǒng)多頻數(shù)據(jù)處理理論及應用[D].武漢：武漢大學，2005.

[2]劉基余.全球定位系統(tǒng)原理及其應用[M].北京：測繪出版社，2002.

[3]伍岳,付小林,李海軍.TCAR/MCAR方法在不同距離基線模糊度求解中的應用[J].武漢大學學報:信息科學版，2007,32(2):172-175.

[4]趙興旺，張翠英.精密單點定位中相位偏差估計與修正方法研究[J].測繪科學，2014，39(7)：25-28.

[5]伍岳,邱蕾.網(wǎng)絡RTK模式下多頻載波相位觀測值解算整周模糊度[J].測繪工程，2013,22(4)：1-4.

[6]羅和平，邱蕾.利用載波相位平滑偽距分析深圳市電離層變化規(guī)律[J].測繪工程，2014，23(2)：54-56.

[7]陳振宇,馮旭哲.GPS衛(wèi)星信號體制研究[J].計算機與現(xiàn)代化,2011(1)：142-144.

[8]宿晨庚,郭樹人,周鴻偉.新型GNSS信號波形設計[J].北京航空航天大學學報,2012,38(12):1676-1681.

[9]蔡華,趙齊樂,孫漢榮,等.GNSS實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[J].武漢大學學報:信息科學版,2011,38(7):820-824.

[責任編輯：劉文霞]

Analysis of L5 observation simulation in GPS modernization plan

WU Yue1，LIU Zheng-ping2，QIU Lei3，WANG Hai-jun4

(1.Key Laoratory of Geological Hazards Controlling of Three Gorges Reservoir Area，Yichang 443002，China;2.Geological Environmental Center of Hubei Province，Wuhan 430034，China;3 Zhenxin Road，Shenzhen 518028,China;4.Staff Room of Campaign Guarantee，The Second Artillery Petty Officer School，Qinzhou 262500，China)

There are only a few satellites with added L5signal in GPS modernization plan.Those L5 observations are not able to participate in network data processing with L1 and L2 observations.So how to get L5 observations is a big bottleneck for proving the availability and deeply researching of multi-frequency method.In this paper the third frequency carrier phase observation is simulated by numerical transform through the physical relationship of each frequency carrier phase observations，and its precision is analysed.Then it analyzes an example of a 92km baseline positioning using L5 and L1 observations.The result shows that the L5 simulate observation is close to L1 on GPS date processing.

GPS modernization plan;multi-frequency data processing;observation simulation;precision analysis;L5 observation

2013-11-13；補充更新日期：2014-10-18

國家自然科學基金資助項目(41004010)

伍 岳(1977-)，男，博士.

P228

：A

：1006-7949(2014)11-0016-03