多站精密定位技術研究

2018-11-02 05:34:26張旭東閆志闖

測繪工程 2018年11期

張旭東，劉永，閆志闖

(1.72515部隊，山東濟南 250000；2.西安測繪總站，陜西西安 710054)

目前，美國的GPS衛星導航系統日臻成熟精確，俄羅斯的GLONASS衛星導航系統不斷發展完善，歐盟的伽利略以及我國的北斗衛星導航系統正在快速發展。GNSS在各領域應用廣泛，扮演的角色越來越重要。精密單點定位技術在交通運輸、環境勘察、災害預報、戰場環境等方面作用明顯。目前衛星采用非差、單差、雙差等定位模式，精密單點定位(PPP)及其模糊度固定技術是當今GNSS領域的研究熱點，該技術能夠在全球范圍內快速獲取高精度框架坐標，但存在單點作業的局限性、非差模糊度難以固定及嚴重依賴高精度衛星軌道和鐘差產品等問題，傳統的非差精密定位只能得到模糊度浮點解，無法得到模糊度固定解，效果不好。但非差定位保留觀測信息多、可保留原始的觀測值等優點，非差定位觀測量之間相互獨立，同時還可以解算測站的絕對坐標。

針對模糊度固定問題，本文研究多個測站情況下的精密定位算法及其模糊度固定技術，先根據多個測站找到獨立基線，在獨立基線基礎上由非差模糊度構建雙差模糊度，采用LAMBDA算法搜索雙差模糊度，根據非差模糊度與雙差模糊度之間的映射關系，進而得到4個非差模糊度的約束關系，作為強約束，給其盡量大的權，從而在法方程中進行約束，得到模糊度約束解。從而解決多站條件下的模糊度固定問題，提高定位精度。

1 多站精密定位技術

1.1 精密單點定位觀測模型

精密單點定位是利用衛星的雙頻非差載波相位和偽距觀測量，采用IGS提供的衛星精密軌道和鐘產品，采用嚴密的定位模型，解算相應框架下的絕對坐標。精密單點定位通常需要雙頻偽距和載波組合觀測，其雙頻消電離層組合可以表示為

PC=ρ+dTrop+δtr-δts+drel+

dgra+dwind+ΔPC,

LC=ρ+dTrop+amb+δtr-δts+drel+

dgra+dwind+ΔLC.

(1)

式中:PC表示雙頻偽距消電離層組合觀測量；LC表示雙頻載波消電離層組合觀測量；ρ為星地間距離；amb是非差模糊度參數，由于進行了消電離層組合，因此這里的模糊度失去了整數特性，后面作浮點解進行估計；dTrop為星地連線方向對流層改正延遲；δtr是接收機鐘差改正；δts是衛星鐘差改正；drel是相對論延遲改正；dgra是引力延遲改正；dwind是相位纏繞改正；ΔPC是雙頻偽距消電離層組合的測量誤差；ΔLC是雙頻載波消電離層測量誤差。此外，對站點位置及衛星位置有關的改正量體現在星地間距離ρ中。

1.2 非差模糊度約束基本原理

1.2.1 獨立基線(模糊度)的選擇

在本文中獨立基線采用最大固定可能法。對于雙差模糊度的選擇，任何超過10 min觀測弧段的雙差模糊度可以作為備選值，它的寬巷模糊度可以使用相關相位和偽距觀測值通過MW方法進行估計，其固定可能性(固定到最近整數的可能性)可以用式(2)進行計算。

(2)

(3)

式中:b和σ2是寬巷模糊度的估值和它的方差；I是b最近的整數。

對于給定的置信水平α，如0.1%，如果P0>1-α，模糊度能夠被固定到最近整數，否則，將不能被固定。如果這個步驟寬巷不能被固定，那么窄巷也不能被固定。因此，僅僅那些固定寬巷的模糊度才能夠作為固定的下一個步驟。

1.2.2 雙差LC組合模糊度

精密單點定位為消除一階項的電離層，采取無電離層的LC組合公式，設測站k對于衛星i的LC組合為

(4)

(5)

為了進行模糊度固定，雙差LC組合模糊度可以用寬巷和窄巷表示為

(6)

1.2.2.1 寬巷固定

設接收機k和衛星i的寬巷和偽距觀測值為

(7)

從式(7)中，每個歷元從觀測方程獲得的寬巷模糊度為

(8)

第j歷元的寬巷模糊度的估值和中誤差為

(9)

1.2.2.2 窄巷固定

在寬巷模糊度固定后，窄巷模糊度的估值和中誤差表示為

(10)

2 數據實驗與分析

2.1 實驗數據概況

采用2015年年積日005的35個全球IGS測站觀測數據進行實驗，精密星歷和鐘差采用IGS官方發布的高精度產品。在進行非差映射雙差過程中，首先根據兩個測站距離由近及遠進行排列，同時考慮基線之間的獨立性。在選擇獨立基線后，逐顆衛星選擇獨立的雙差模糊度，選擇準則是雙差模糊度觀測弧長由大到小，且必須是獨立的雙差模糊度。根據上述原則，實驗中采用的35個全球IGS測站及其獨立基線圖表示為圖1。

2.2 定位結果分析

本實驗采用多站非差定位模式，35個測站同時進行定位，根據模糊度是否約束，可以分為浮點解和約束解兩種模式，圖2和圖3分別給出兩種模式下定位精度與IGS周解之間的差異。表1表示浮點解與模糊度約束解三維方向差異。

圖1 IGS測站及其獨立基線選擇圖

由實驗結果可以看出，多站精密定位能夠達到較高的定位精度，無論模糊度是否約束，定位精度都能夠達到厘米甚至毫米級。從圖1和圖2中看出，模糊度約束解與浮點解相比，在E和N方向精度有所提高，而在U方向，精度改善有限，精度甚至可能有所降低。總體上看，E和N方向定位精度要優于U方向定位精度。從表1可以看出，采用模糊度約束方法固定部分模糊度，大部分測站3D精度有所提高，但也有部分測站精度有所降低，但都在mm量級。總體上看，采用模糊度約束方法整體上能夠提高多站定位精度。