定位坐標(biāo)分量依賴于衛(wèi)星高度角的靈敏度分析

岳 俊，何 冰

(1.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京100871;2.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079)

一、引 言

在GPS外業(yè)測量中，經(jīng)常會遇到遮擋導(dǎo)致高度角變大的情況，影響測量精度，要減小高度角通常要付出一定成本。本文通過大量統(tǒng)計分析出對測量精度影響最大的截止高度角，測量時使遮擋產(chǎn)生的高度角小于此截止高度角通常會得到較大的效益。本文的結(jié)果將為GPS外業(yè)觀測計劃的制訂提供參考。

DOP值通常到了一定高度角就會產(chǎn)生顯著變化，但僅通過DOP值的數(shù)值變化并不能正常反映其依賴于衛(wèi)星截止高度角的靈敏度。本文提出了GPS不可用率并用其衡量DOP值的變化，對GPS不可用率進(jìn)行小波濾噪和曲線擬合，求出其對應(yīng)的分布函數(shù)和概率密度函數(shù)，以此計算各個DOP值的靈敏度。同時本文通過大量的數(shù)據(jù)處理，建立了5種DOP值之間的統(tǒng)計經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?/p>

二、DOP值依賴于衛(wèi)星截止高度角的變化規(guī)律

獲得高精度定位結(jié)果的重要因素是可視衛(wèi)星擁有良好的幾何圖形結(jié)構(gòu)，尤其是對單點定位和定態(tài)測量而言。可見性是指衛(wèi)星和接收機(jī)之間的通視。由于衛(wèi)星和用戶間存在相對運(yùn)動，衛(wèi)星的空間幾何圖形結(jié)構(gòu)會隨時間而變化。瞬時衛(wèi)星幾何圖形一般采用精度衰減因子(dilution of precision，DOP)進(jìn)行評定［1］。

由于DOP值的計算依賴于衛(wèi)星高度角，當(dāng)截止衛(wèi)星高度角變化時，可見衛(wèi)星數(shù)和DOP值隨之發(fā)生變化，DOP值在單歷元依賴于衛(wèi)星高度角的變化情況如圖1所示。

圖1 單歷元DOP值隨衛(wèi)星截止高度角的變化

由圖1及DOP值計算方法可知，只有截止高度角處存在，衛(wèi)星DOP才會發(fā)生變化，因此對于單歷元，截止高度角-DOP值二維圖為階越型。為了得到DOP值隨著高度角變化的統(tǒng)計規(guī)律，對單天96個歷元的DOP值按角度取平均，得到圖2。

由圖2可以分析出，由于DOP值的計算方法，DOP值會隨著衛(wèi)星截止高度角的增大而顯著增大，如果直接對DOP值進(jìn)行擬合，將難以得出符合實際的定位坐標(biāo)分量精度依賴于衛(wèi)星高度角的靈敏度，因此本文擬從統(tǒng)計學(xué)的角度得出衛(wèi)星高度角的靈敏度。對此，本文提出“GPS不可用率”這個概念。

圖2 96歷元平均DOP值隨衛(wèi)星截止高度角的變化

GPS衛(wèi)星可用性是指GPS系統(tǒng)的服務(wù)可以使用的時間的百分比，由文獻(xiàn)［2］分析得知，GPS可用性將取決于精度要求的嚴(yán)格程度，其分析認(rèn)為PDOP≤6為GPS可用性的門限。由此可得，對于單歷元必有唯一一個門限高度角。對于多個歷元，每一個高度角均對應(yīng)一個GPS可用歷元數(shù)，將GPS可用歷元數(shù)除以總歷元數(shù)定義為GPS可用率，將歷元數(shù)減GPS可用歷元數(shù)除以總歷元數(shù)定義為GPS不可用率。

GPS不可用率隨著衛(wèi)星高度角的增加而增大，最小值為0，最大值為1。GPS不可用率越高，表明定位精度越低。從中可以找到GPS衛(wèi)星可用率隨著衛(wèi)星截止高度角變化的靈敏度，并計算靈敏度最大值，在全球范圍內(nèi)得出靈敏度的置信區(qū)間。

由于文獻(xiàn)［2］僅給出了 GPS可用性選擇的PDOP門限值，對10周數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，構(gòu)建VDOP、HDOP、TDOP、GDOP與 PDOP的經(jīng)驗關(guān)系，以此求出 GPS 可用性選擇的 VDOP、HDOP、TDOP、GDOP門限值。

取截止高度角為40°，對10周共70天6720個歷元的數(shù)據(jù)進(jìn)行DOP值數(shù)據(jù)擬合。數(shù)據(jù)擬合如圖3所示。

圖3 DOP值數(shù)據(jù)擬合

由DOP值擬合曲線方程可以得知，PDOP值為6 時，HDOP、VDOP、TDOP、GDOP 分別為 2.394 5、5.492 7、4.601 1、7.561 4，滿足 DOP 值的基本關(guān)系方程。將這些值分別取為門限D(zhuǎn)OP值，由5個門限D(zhuǎn)OP值對應(yīng)的門限高度角所計算出來的GPS不可用率隨衛(wèi)星的變化如圖4所示。

由圖4可得，通過取5種DOP值的門限值計算出來的GPS不可用率幾乎相同，證明GPS不可用率的概念有其重要的價值，在單個DOP值計算中，如果截止高度角內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)小于4則無法計算出來，通過計算GPS不可用率這個統(tǒng)計值可以得到GPS定位精度隨著高度角的變化值。

三、基于小波濾波和曲線擬合的靈敏度計算

在得到DOP值概率分布離散形式后，由于數(shù)據(jù)處理過程的不完善等因素，必然會存在高頻的噪聲，因此需要對采集到的離散的概率分布函數(shù)進(jìn)行濾波降噪。本文中采用小波變換的方式進(jìn)行去噪處理。

圖4 5種DOP值計算得出的GPS衛(wèi)星不可用率隨衛(wèi)星截止高度角的變化

在小波分析中，尺度函數(shù)φ(x)表示低頻整體部分，小波函數(shù)ψ(x)表示高頻細(xì)節(jié)部分，通常采用塔式Mallat算法進(jìn)行小波分解和重構(gòu)。設(shè)有離散信號，將其加載到尺度函數(shù)上得到，則 有 如 下 Mallat 算 法 卷 積 表達(dá)式［3］

式1表示小波分解，式2表示小波重構(gòu)。式中，cj-1表示分辨率2j-1上的近似信息;dj-1表示位于分辨率2j-1～2j之間的細(xì)節(jié)信息。

設(shè)長度為N的信號fn被噪聲en污染，所測得的含噪數(shù)據(jù)為xn=fn+en。對含噪數(shù)據(jù)用Mallat算法進(jìn)行分解，得到低頻的整體部分和高頻的小波部分［4］。對高頻部分做閾值處理，閥值為

式中，μ為閾值;σ為估計的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。

分解與重構(gòu)結(jié)果如圖5、圖6所示(以GDOP為例)。

在經(jīng)過小波變換后，由于衛(wèi)星分布的不連續(xù)性等因素的影響，離散點陣的簡單勾連所得到的曲線其變化仍然不是特別平滑，故需要對其進(jìn)行擬合。根據(jù)上述小波重構(gòu)得到的未擬合的概率分布函數(shù)可知，其在0—15°范圍內(nèi)不可用率為0，在50°以后不可用率累計保持為1。故在選擇最優(yōu)的擬合函數(shù)的時候除了需要考慮擬合函數(shù)與原函數(shù)殘差較小外，還需要保證擬合函數(shù)的微分函數(shù)在0—15°和50°以上函數(shù)值近似等于0。根據(jù)上述條件，結(jié)合實際觀測數(shù)據(jù)確定采用23階多項式模型擬合該概率分布函數(shù)為最佳。擬合后的概率分布函數(shù)及其概率密度函數(shù)如圖7、圖8所示。

圖5 小波分解

圖6 一維小波重構(gòu)

圖7 擬合后的概率分布函數(shù)

圖8 概率密度函數(shù)

四、基于DOP值概率分布函數(shù)和概率密度函數(shù)的靈敏度分析

所謂靈敏度是指定位坐標(biāo)分量的精度隨著衛(wèi)星高度角變化的變化率。而對定位坐標(biāo)分量的精度進(jìn)行衡量的指標(biāo)即為各類值，故靈敏度可以理解為各類DOP值相對于角度變化量的變化率。如前所述DOP值在不加限制條件的情況下，其值隨角度的增大而加速增大，以此計算出來的靈敏度也必將隨著角度增加而增大，在90°時達(dá)到最大。但是這并沒有現(xiàn)實的意義，因為一般高度角大于50°時即無法進(jìn)行實際觀測。所以本文設(shè)定了DOP值的閾值，并以此為基礎(chǔ)統(tǒng)計不同高度角時DOP值超過閾值的百分比，即衛(wèi)星的不可用率。然后通過研究衛(wèi)星的不可用率隨角度變化的概率分布函數(shù)及其概率密度函數(shù)，來間接確定衛(wèi)星靈敏度隨角度變化的規(guī)律。

根據(jù)上述在WUHN站以GDOP值計算所構(gòu)建的擬合后的概率分布函數(shù)圖像和概率密度函數(shù)可知:衛(wèi)星在0—15°范圍內(nèi)全部可用，在50°以上完全不可用，故靈敏度均為0，對應(yīng)的概率密度函數(shù)在該范圍內(nèi)也應(yīng)趨近于0。在15—50°的范圍內(nèi)根據(jù)概率分布函數(shù)可知，衛(wèi)星的不可用率顯著增加，并在50°附近達(dá)到100%，根據(jù)概率密度函數(shù)可知衛(wèi)星不可用率的增長率先增大后減小，在36.5°附近達(dá)到最大，故可認(rèn)為GDOP值所對應(yīng)的靈敏度在15°—50°的范圍內(nèi)先增大后減小，在36.5°附近最大。

通過上述分析可知在15°左右時開始出現(xiàn)不可用衛(wèi)星，在36.5°左右定位坐標(biāo)的整體精度(對應(yīng)GDOP值)依賴于衛(wèi)星高度角的靈敏度達(dá)到最大。所以在實際的工程應(yīng)用中可以根據(jù)實際的觀測條件和精度要求，設(shè)定不同的衛(wèi)星高度角。根據(jù)上述結(jié)論，在要求整體精度最優(yōu)的情況下，如果受到條件的限制而不能以0—15°范圍內(nèi)的高度角進(jìn)行觀測，接收機(jī)觀測的截止高度角最大不應(yīng)超過36.5°。

對全球8個IGS站應(yīng)用上述模型，求出8個測站DOP值靈敏度最大值對應(yīng)高度角，其結(jié)果見表1。

表1 全球多個測站的靈敏度最大值對應(yīng)高度角(°)

由表1可知，各個站所定位坐標(biāo)分量靈敏度最大值所對應(yīng)的高度角有一定區(qū)別，但是基本上在30°以上。通過本文所建立的模型，輸入測站對應(yīng)的坐標(biāo)即可計算出其靈敏度最大的高度角。在GPS外業(yè)測量時，如果衛(wèi)星截止高度角高于30°，則測量誤差會顯著增大。測量時遇到遮擋應(yīng)盡量使遮擋后產(chǎn)生的高度角低于30°，將會獲得比較大的效益。

五、結(jié)束語

本文主要進(jìn)行了定位坐標(biāo)分量依賴于衛(wèi)星高度角的靈敏度分析，提出了全角度區(qū)間衡量DOP值的統(tǒng)計的指標(biāo)“GPS不可用率”，建立了5種DOP值之間的經(jīng)驗關(guān)系模型，并通過小波濾波、曲線擬合等方法成功獲得GPS不可用率隨截止高度角的變化及其概率密度函數(shù)，以此獲得了定位精度靈敏度最大時所對應(yīng)的截止高度角，并提出了GPS觀測時的注意事項，可為GPS外業(yè)觀測計劃的制訂提供參考。同時對比了多個IGS站應(yīng)用該模型的結(jié)果，可知影響模型結(jié)果的因素與測站地理位置、衛(wèi)星軌道整體布局的相對位置有關(guān)，這將作為后續(xù)研究的重點。

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