接收機類型對精密單點定位收斂速度的影響分析

潘宇明，張小紅，李 盼，左 翔

(武漢大學 測繪學院，武漢 430079)

接收機類型對精密單點定位收斂速度的影響分析

潘宇明，張小紅，李 盼，左 翔

(武漢大學 測繪學院，武漢 430079)

主要從抗多路徑方面比較了不同類型接收機采集的觀測數據質量，從收斂速度和收斂穩定性兩個方面分析了不同類型接收機對精密單點定位的影響。分析中為了排除其他因素對收斂速度的影響，實驗以10組采用不同類型接收機的國際全球衛星定位導航服務組織的并址站作為研究對象，利用武漢大學研制的TriP軟件對每個測站一個月的觀測數據分別進行靜態和動態精密單點定位解算，并分析精密單點定位結果的收斂時間和收斂穩定性。結果表明，接收機類型對精密單點定位的收斂速度有一定影響，并且可以說明在一般情況下，當偽距多路徑效應越大時，精密單點定位的收斂時間越長。

精密單點定位；接收機類型；收斂速度；多路徑效應

1 引言

全球定位系統(global positioning system，GPS)精密單點定位(precise point positioning，PPP)技術以其高精度和無需基站支持等特點受到國內外廣泛關注，目前已廣泛應用于測量、導航、授時等應用領域[1-3]。然而，要在單站模式下實現毫米至厘米級的定位精度，PPP仍需要較長的觀測時間，從而限制了其在高精度實時快速導航定位和精密農業等領域的應用。因此，研究影響PPP收斂速度的因素對于進一步開展加快PPP收斂速度、提高作業效率、擴大PPP應用范圍等方面具有重要意義[3]。

影響精密單點定位收斂速度的因素很多，如觀測數據質量、位置精度衰減因子(position dilution of precision，PDOP)、可用衛星數、測站緯度等等。為了提高PPP的收斂速度，國內外諸多學者進行了相應的研究，文獻[4-6]研究了參數個數對收斂時間和穩定性的影響，提出利用P1-P2-CP組合來降低噪聲影響的方法。文獻[7]結合精密單點定位的誤差源，對PPP收斂速度影響因素進行了細致分析和建模，并提出改善措施。除此之外，文獻[8]對測站地理位置、PDOP值及鐘差文件采樣間隔等因素進行分析，得到了一些有意義的結論；文獻[9]也對PPP收斂速度的影響因素進行了深入的研究。

目前，國內外對接收機類型這一可能影響PPP收斂速度的因素還鮮有專門的討論和分析。本文單獨考慮接收機類型這一影響因素，利用全球衛星導航系統國際服務協會(international global navigation satellite system service，IGS)的10組并址測站2013年6月份30 d的數據進行實驗，所謂的IGS并址站，即相隔數米的兩個測站，安置了不同類型的接收機，本文的10組并址站都是共用一臺天線的兩臺不同類型接收機的IGS站。采用并址站不同類型接收機的觀測數據進行對比分析，可以排除測站環境、地理位置、衛星幾何圖形結構等因素對PPP收斂速度的影響。

2 精密單點定位算法

GPS精密單點定位的基本觀測方程采用雙頻無電離層組合以消除電離層一階項誤差的影響。其具體觀測方程為[10]

(1)

(2)

PPP采用IGS提供的精密衛星軌道和衛星鐘差產品來固定衛星軌道和衛星鐘差。對于PPP中的誤差項，主要通過兩種途徑來解決，其一就是對于能精確模型化的誤差采用模型改正，比如衛星天線相位中心的改正、各種潮汐的影響、相對論效應等都可以采用現有的模型精確改正；其二是對于不能精確模型化的誤差加參數進行估計或使用組合觀測值，比如對流層天頂濕延遲，目前還難以用模型精確模擬，則加參數對其進行估計。

TriP軟件中使用擴展Kalman濾波進行參數估計[5]。擴展Kalman濾波的相應動態模型表示為

x(i+1)=Φi+1,ix(i)+ω(i),ω(i)～N(1,Qωω)

(3)

式(3)中，Φi+1,i為狀態轉移矩陣，ω為0均值正態過程噪聲，其方差協方差矩陣Qωω為

Qωω=diag{qp×Δt,qzwd×Δt,qt×Δt,Om×m}

(4)

式(4)中，Δt為相鄰歷元間時間間隔，ZWD和系統時間差參數的譜密度分別設為qzwd=10-8m2/s、qt=10-6m2/s。模糊度和靜態坐標作為常量估計。而在動態PPP中，動態坐標當作白噪聲進行處理，qp對角線元素為104m2/s。相位觀測值初始標準偏差均設為0.003 m。濾波過程中，依據動態模型將前一歷元狀態向量預測到當前歷元，并通過對驗后殘差進行分析，采用改進的IGGIII抗差估計方案進行質量控制。在測量更新過程中利用觀測信息求解狀態向量及其方差協方差。

3 實驗設計及數據準備

目前IGS在世界各地約有430多個GPS跟蹤站，各站采用的接收機和天線多種多樣，將近38%的IGS跟蹤站采用Trimble接收機，其次是Leica、Topcon、Ashtech和Javad接收機，也有部分測站采用AOA、Septentrio、JPS、NovAtel等接收機。

本文設計實驗從：1)觀測數據質量、接收機抗多路徑性能；2)PPP靜態、動態數據處理收斂時間和收斂穩定性，兩方面比較和分析接收機類型對PPP收斂性的影響，為此選取采用不同GPS接收機類型的IGS并址測站，以最大程度地排除測站緯度、PDOP、衛星數等因素對收斂速度分析的影響。圖1為本文所采用的IGS站位置分布。下載并址站2013年6月份30 d的觀測數據，利用TriP軟件分別進行PPP靜態和動態解算。

將TriP解算得到的坐標結果與測站參考坐標真值求差，獲得E、N、U三個方向的定位偏差。本文對PPP收斂的定義為：靜態解算，根據經驗認為PPP定位偏差在水平方向達到10 cm、垂直方向達到20 cm以內收斂；動態解算的收斂性指標與靜態相同，為確保結果的可靠性，還限定首次收斂時刻后續10個歷元的位置偏差都在限值以內時，才認為濾波在當前歷元收斂。此外將結果偏差序列的標準差作為評價收斂穩定性的指標。

圖1 實驗采用IGS并址站位置

限于篇幅，這里只給出了10組采用典型接收機(Ashtech、Jps、Leica、Trimble、Tps、Javad)的并址站的處理對比結果。表1列出本文采用的部分IGS并址站信息。

表1 采用的IGS站基本信息

4 實驗結果及分析

4.1 觀測數據質量(抗多路徑)分析

表1所給出的各組天線類型均相同，接收機類型不同，實際上都是用一個分線器將一臺天線連接在兩臺接收機上，即零基線，這里稱之為并址站。表2給出了利用TEQC軟件對上述10組數據分析得到的多路徑誤差結果，MP1和MP2分別代表P1和P2偽距多路徑誤差單月平均值。

從表2可以看出，第1、2、3、4組中，采用JPS EGGDT接收機的KOKV、GOLD、SUTV和PALV4個測站采集數據的多路徑誤差普遍小于對應的KOKB、GOL2、SUTH和PALM站，后4站采用的都是Ashtech UZ-12接收機；第5組中的TIXG站的TPS ODYSSEY_E和TIXI站的JPS EGGDT接收機的MP1和MP2月平均值基本相當，相差在3 cm以內；第6組并址站UNB3站的Trimble NETR9 和UNBJ站的TPS LEGACY接收機多路徑誤差相差不大，前者的多路徑誤差略小于后者；在后4組并址站的對比中，采用Leica接收機的CPXF站和THU2站多路徑誤差小于Trimble接收機的CPXX站和Ashtech接收機的THU3站，在第10組并址的接收機中，采用Trimble接收機的TID1站和采用Ashtech接收機的TIDB站的MP1相當，MP2前者小于后者，此外采用Javad接收機的DGAV站多路徑誤差比采用Ashtech接收機的DGAR站小15～20 cm。

表2 接收機類型對多路徑影響

4.2 收斂性分析

表3列出各并址站月平均收斂時間和收斂穩定性，圖3的柱狀圖表示各類型接收機平均收斂時間和收斂穩定性比較。可以看出，第1、2、3、4組中，采用Ashtech接收機的4個IGS站觀測數據的PPP收斂時間比采用JPS接收機的四個站要長；在第5、6組IGS站對比中，采用TPS接收機的TIXG站與采用JPS接收機的TIXI站收斂速度基本相當，分別采用Trimble和TPS接收機的UNB3站和UNBJ站收斂時間上差距不大，但總體上TPS接收機的收斂速度略優于JPS和Trimble接收機；其余4組對比中，采用Leica接收機的CPXF站和THU2站收斂速度較采用Trimble接收機的CPXX站和采用Ashtech接收機的THU3站快，而TIDB站的Ashtech接收機比TID1站的Trimble接收機在PPP中收斂更快，DGAV站的Javad接收機收斂速度也快于DGAV站的Ashtech接收機。需要說明的是，以上給出的平均收斂時間和我們定義的PPP收斂到指定的精度有關，但選取的收斂指標并不會影響本文實驗中對并址站收斂速度的比較結果。綜合以上分析得知，采用Leica GRX1200、Javad TRE_G3TH、TPS ODYSSEY_ELEGACY、JPS EGGDT等型號接收機的IGS站收斂速度都快于采用Ashtech UZ-12接收機的對應并址站，其中采用TPS接收機的站收斂略快于采用JPS接收機的測站，采用Trimble Net系列接收機的測站收斂最慢。參考3.1的結論，可知不同類型接收機的收斂速度快慢與使用該類型接收機數據的多路徑大小具有顯著的負相關性，PPP收斂速度很大程度上受到多路徑影響，多路徑越小，收斂速度越快。

表3 收斂時間和收斂穩定性(月平均)

圖3 各類型接收機平均收斂時間和穩定性比較

此外，表3和圖2也給出了PPP位置偏差序列的標準偏差，以反映收斂穩定性。可以看出，收斂穩定性和收斂時間存在強相關性，當PPP收斂需要較長時間的情況下，穩定性指標也相對較大，當兩種類型的接收機收斂時間相差不大時，收斂穩定性也相差不大。

5 結束語

本文利用IGS組織10組并址站在2013年6月份30 d的觀測數據，排除了PDOP、可觀測衛星數、測站緯度等因素的干擾，單獨研究和分析了接收機類型對收斂速度的影響。先分析了不同接收機的觀測數據多路徑水平，從而得到不同接收機抗多路徑性能的比較，然后分別從靜態和動態兩種模式探討了接收機類型對精密單點定位收斂速度的影響。分析表明，不同類型的GPS接收機由于自身性能、指標參數及解碼方式的不同，采集觀測數據質量存在一定差異，同時接收機類型對PPP的收斂速度有一定影響。比較不同接收機多路徑結果和收斂時間，發現Leica GRX1200、Javad TRE_G3TH、TPS ODYSSEY_ELEGACY、JPS EGGDT型號的接收機多路徑誤差小于Ashtech UZ-12接收機，同時前面4種接收機的收斂速度都快于后者，收斂穩定性也比Ashtech UZ-12接收機高，除此之外，Topcon公司的TPS接收機多路徑略小于JPS接收機，收斂速度較后者略快，Trimble Net系列的接收機多路徑大于Ashtech UZ-12接收機，收斂時間比Ashtech UZ-12接收機長，所以Trimble的接收機在抗多路徑性能以及收斂時間方面不及其他5種接收機。

從接收機的多路徑誤差和收斂時間的結果一致性可以看出，偽距的數據質量(多徑、噪聲)能夠反映在PPP的收斂時間上面，這是因為在PPP初始化階段，很大程度上依靠偽距觀測值來求相位模糊度解，偽距精度越高，固定模糊度越快，那么PPP的收斂速度也就越快。

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Analysis of Receiver Influence on Convergence of PPP

PAN Yu-ming，ZHANG Xiao-hong，LI Pan，ZUO Xiang

(School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

This article mainly compares observation data the quality from different types of receiver in the aspect of the anti-multipath，and analyzes the impact of different types of receiver on the performance of PPP，including convergence speed and the stability after convergence.In order to exclude the interference of other factors，the 10 pairs of Co-Location-stations at the IGS，with 1 mouth data are used for experiments in static and dynamic model by TriP，a GPS precise processing software made by Wuhan University.Such we can compare the convergence time，convergence stability of different types of receiver.The results show that the type of receiver do affect the PPP convergence speed.In general，the bigger multipath effect data have，the longer convergence time in PPP.

PPP；receiver type；convergence speed；multipath error

2014-06-21

國家自然科學基金資助項目(41204030)。

潘宇明(1990)，男，黑龍江佳木斯人，碩士生，研究方向為GNSS精密單點定位及其應用。

P

A

2095-4999(2015)-01-0046-06