基于三頻載波組合的周跳探測方法研究

王俊杰,徐東風

(南京地鐵資源開發有限責任公司，江蘇 南京 210012)

基于三頻載波組合的周跳探測方法研究

王俊杰,徐東風

(南京地鐵資源開發有限責任公司，江蘇 南京 210012)

針對GPS現代化的發展，采用L1,L2,L5三種載波進行線性組合，進行周跳探測。實例表明：該組合具有較長的波長，可以降低測量噪聲，其觀測值模型對周跳非常敏感，可以探測出大于0.2周的周跳。

高精度；GPS現代化；載波組合；周跳

在日常生活和工作中GPS導航與定位已廣泛應用，如何提高導航與定位的精度成為國內外專家學者們研究的熱點，而如何解決周跳[1-2]的探測與修復則是提高定位精度的核心問題之一。目前已有的周跳方法主要有差分法、電離層殘差法、多項式擬合法和站間或站星差分法等[3]。以上幾種周跳探測方法各有優缺點，需要根據具體情況進行選擇，同時也可采用聯合處理。

由于GPS現代化的發展[4]，其中最重要的是開始提供民用的L5載波，從而為周跳的探測提供了更多的線性組合方式，具有深遠的研究價值。依據較長波長和較弱測量噪聲等優良特性的組合觀測值，擬采用L1,L2,L5三種載波進行組合,進行相應的周跳的探測。實驗表明，采用該方法進行組合的觀測值模型對周跳非常敏感，可以探測出大于0.2周的周跳，相對于其他周跳探測方法具有明顯的提高。

1 構造周跳檢測量

一般情況下，基線的雙差載波觀測和偽距觀測量模型[5]：

(1)

其中，i=1,2,5；σ(φi)=0.05周；σ(Pi)=1 m；εφi,εPi表示各種誤差的綜合，主要包括衛星鐘誤差、衛星位置誤差、對流層、電離層延遲，多路徑效應和噪聲誤差等。

相對應的觀測值組合[6]包括：

(2)

式中：m,n=1,2,5。當m=2,n=5時，該式稱為超寬巷組合，同時相關頻率、波長和整周模糊度具有如下的關系：

(3)

則各種載波組合其頻率和波長具體數值如表1所示。

表1 組合觀測值

由上表可以看出超寬巷組合具有較長的波長，對周跳有較高的靈敏性，便于進行周跳的探測。

2 超寬巷組合周跳的探測

不同頻率的載波和對應的相位觀測值之間具有相關性[7-11]，則得到L5載波的相位觀測值：

(4)

偽距觀測方程為

(5)

(6)

初始距離觀測值需選擇精度高的雙差偽距觀測值，故采用L5的偽距觀測值作為初始距離觀測值。

(7)

則超寬巷組合的整周模糊度為

(8)

其中，λL25=5.861 m，σ(NL25)=0.2周，重復計算得到較為精確的站星之間的幾何距離：

(9)

同理，根據σ(NL12)=0.5周，再次進行站星距離幾何計算為

(10)

根據式(1)，得到

(11)

根據式(10)，得到σ(NL1)=0.3周，σ(NL2)=0.4周，則可以把L1和L2的整周模糊度確定下來，根據兩者整周模糊度在歷元間的變化進行周跳的探測。

3 實例分析

利用觀測的數據，對L5的觀測數據進行模擬，通過實測數據分析L2和超寬巷組合觀測值歷元間的整周模糊度之差，并以3σ作為判斷是否存在周跳，當超過限差值，則該值即為周跳數值。

實驗選取一組含有120連續歷元無周跳的PRN24衛星數據，該數據以30 s的間隔進行采樣。圖1和圖2分別表示無周跳條件下，L2載波和超寬巷組合觀測值隨歷元的變化。

圖1 無周跳L2觀測值模糊度隨歷元變化

圖2 無周跳超寬巷組合模糊度隨歷元變化

由圖1和圖2可以發現L2載波無周跳連續歷元模糊度差變化范圍在±1周之內，而超寬巷組合無周跳連續歷元模糊度差變化范圍在±0.1周之內，同時L2載波和超寬巷模糊度之差均在允許臨界值之內，根據以上數據，超寬巷組合可以探測出大于0.2周的周跳。

為了檢驗超寬巷組合的探測效果，人為對第30個歷元加0.5周跳；第50歷元加2周跳；第70歷元加0.3周跳。得到如圖3和圖4所示含有周跳時，L2載波和超寬巷模糊度隨歷元變化的模糊度。

圖3 含有周跳的L2觀測值模糊度隨歷元變化

圖4 含有周跳超寬巷組合觀測值變化

從以上數據圖表發現，超寬巷組合觀測值模型對周跳非常敏感，更容易對周跳的探測。

4 結 論

通過對GPS現代化后L5載波的研究，發現可以利用三種載波進行相互組合，得到超寬巷組合的周跳探測方法，并利用相關實驗進行分析，主要得到以下幾點結論：

1)利用L5載波偽距作為初始值對超寬巷組合模糊度進行求解，同時得到相對精確的站星距離，然后進行類似上一步處理，得出超寬巷組合更精確的整周模糊度和站星距離。

2)超寬巷組合具有較長的波長，對周跳有較高的靈敏性，相對于其他的周跳探測方法具有明顯優勢，該組合可以探測出大于0.2周的周跳。

[1] 劉大杰，施一民，過靜珺. 全球定位系統(GPS)的原理與數據處理[M]. 上海：同濟大學出版社，1996.

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[3] 伍岳.第二代導航衛星系統多頻率數據處理理論及應用[D]. 武漢: 武漢大學, 2005.

[4] 陳俊勇.GPS進展及其現代化[J]. 大地測量與地球動力學, 2010，30(3): 1-4.

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[7] 李樂樂，王振杰，賀凱飛. 基于北斗三頻數據的周跳探測與修復[J]. 測繪工程，2016,25(10)：20-25.

[8] 李彬.北斗系統周跳探測與修復方法探究[J].測繪與空間地理信息,2016,39(8):160-165.

[9] 彭秀英. GPS周跳探測與修復的算法研究與實現[D]. 青島: 中國石油大學，2007.

[10] 賈沛璋，吳連大.單頻GPS周跳檢測與估計算法[J].天文學報, 2001,42(2):192.

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[責任編輯：李銘娜]

On the method of detecting cycle slips based on combination of triple frequency carrier

WANG Junjie，XU Dongfeng

(Nanjing Metro Resources Development Co., Ltd.,Nanjing 210012, China)

The modernization of GPS makes it possible to adopt the combination ofL1,L2andL5carrier waves, to detect the cycle slip.The case is characterized with longer wave length which can reduce the measurement noise. The observation model shows that it is highly sensitive to cycle slips, which can detect the cycle slip is larger than 0.2.

high-resolution; the modernization of GPS; combined carrier waves; cycle clip

著錄：王俊杰,徐東風.基于三頻載波組合的周跳探測方法研究[J].測繪工程，2017，26(11)：69-70，76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.015

2016-10-09

王俊杰(1990-)，男，助理工程師，碩士.

P228

A

1006-7949(2017)11-0069-02