GPS&北斗組合高精度基線解算精度分析

劉洋,王延國

摘 要：本論文結合北斗載波相位觀測數(shù)據(jù)的性質，采用經典的電離層殘差法及MW組合算法，解決了北斗數(shù)據(jù)的周跳探測與修復問題，采用LAMBDA算法，對整周模糊度進行準確固定，開發(fā)一套適合于該模型的高精度基線解算程序GPS/COMPASS組合基線解算軟件，進而對單、雙數(shù)據(jù)進行精度分析。

關鍵詞：GPS； 基線解算； 精度

Accuracy analysis on high-precision baseline resolution algorithm of GPS / COMPASS combination

LIU Yang1， WANG Yanguo2

（1. Jilin Normal University， School of Science and Technology of Computer， Siping 136000， China；

2. CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.， Ltd， Guangzhou 510000， China）

Abstract： This paper first analyzes the nature of the the Beidou carrier phase observation data，solve the program of Beidou-data cycle slip detecting and repairing，using classic ionospheric residuals method and M-W combination algorithm.A set of high-precision baseline resolution algorithm suitable for this model is developed through using LAMBDA algorithm to accurately fix ambiguity. Further ， the accuracy of single and double datas can be analysed.

Keywords： Global Positioning System， baseline solution， accuracy

1 引言

隨著衛(wèi)星定位技術的日益普及，GPS、GLONASS、GALILEO系統(tǒng)和我國的第二代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Compass）是目前全球四大導航定位系統(tǒng)。由于各衛(wèi)星系統(tǒng)使用權限及觀測條件的限制，定位精度、安全性、 可靠性及可用性難以得到保證[1]，而多星座組合定位可以解決這一問題，組合定位可以增加觀測衛(wèi)星數(shù)目，降低精度稀釋因子，并且有更好的幾何分布，為高精度定位提供可能。本文的研究成果—GPS/北斗組合的高精度基線解算技術將能廣泛應用于測量工作的各個領域。

2 數(shù)據(jù)預處理

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的預處理的目的是：對數(shù)據(jù)進行平滑濾波的檢驗、剔除粗差；統(tǒng)一數(shù)據(jù)文件的格式，并將數(shù)據(jù)文件加工成標準文件；周跳的探測與修復；對各觀測值進行模型改正。在軟件的具體實現(xiàn)中，為快速獲得衛(wèi)星信息和載波相位觀測值等相關信息，在數(shù)據(jù)預處理后生成共視衛(wèi)星文件（.coms），該格式文件由基線兩端觀測站觀測文件及星歷文件生成，不僅包含了觀測站的觀測信息，還融合了參與解算的衛(wèi)星高度角、空間信息等解算基線所需信息，能夠提高軟件的解算效率。

共視衛(wèi)星文件由文件頭和各歷元衛(wèi)星的有關數(shù)據(jù)組成。在文件頭中，解釋了兩測站的一些必要的基本信息，如基線長度、起止歷元、衛(wèi)星截止高度角、方位角、電離層延遲、參考衛(wèi)星編號、共視衛(wèi)星的編號、衛(wèi)星的坐標、載波相位觀測值等組成[2]。

3 周跳的探測與修復

1、電離層殘差法

從圖1中明顯看出紅色線所示衛(wèi)星產生周跳，運用電離層殘差法將該衛(wèi)星踢除后，周跳修復后：

經數(shù)據(jù)測試可以得出，運用電離層殘差法能有效探測出周跳并可對衛(wèi)星進行適當提出[3]。但由于電離層殘差法具有以下缺點：1.不能判別出周跳出現(xiàn)在哪個頻率上；2.只用到觀測數(shù)據(jù)而無衛(wèi)星、測站坐標等信息；3.僅適用于雙頻數(shù)據(jù)，而對單頻機不適用。基于以上方法的不足，本論文提出再進行M-W組合觀測值計算寬巷模糊度。

分析：

a、采樣間隔大小對于電離層殘差法探測影響較大，若觀測數(shù)據(jù)的采樣間隔是1s，周跳誤差比較敏感；若數(shù)據(jù)的采樣間隔較大，那么相近歷元的電離層變化很大，這種情況下探測結果很可能出現(xiàn)錯誤；若周跳組合能夠形成一定的組合關系，此方案將會失效。因此用此種方法探測周跳，較為有效，聯(lián)合M-W方法再進行修復周跳，兩種方法結合效果更好。

b、M-W的核心是利用寬巷模糊度探測周跳與修復周跳，在進行模型分析處理時要用到偽距的觀測值，因此這會影響到周跳偏差的估值，如果周跳發(fā)生在兩頻段上，且大小相同，這種方法便無意義。

c、聯(lián)合利用M-W組合及電力層殘差法進行處理周跳，彌補了各自方法的不足，可以得到高精度結果，為下一步高精度基線解算提供保障。

4 數(shù)據(jù)處理及精度評定

基線解算時由GPS_COMPASS軟件對處理GPS/COMPASS數(shù)據(jù)進行解算，探測并修復周跳，求算參數(shù)的浮點解、固定解（基線向量坐標分量、基線向量長度、整周模糊度）及其方差協(xié)方差、中誤差，用來評定基線解算質量優(yōu)劣。

論文中算例由雙頻接收機測得，盡量減小接收機鐘差、電離層延遲、對流層延遲的影響，首先探討單基線數(shù)據(jù)。此次測試觀測條件良好，采樣間隔1s，選取1h的數(shù)據(jù)進行解算比對。本論文采用如下指標進行精度評定：

1、基線分量及精度

2、單歷元載波雙差定位基線分量改正分析，對窄巷組合方案進行分析，見下圖endprint

由以上各圖歸納如下表：

表4 精度評定

從以上各圖及統(tǒng)計表分析及目前COMPASS衛(wèi)星的發(fā)射狀況來看，對于短基線的載波雙差定位解算數(shù)據(jù)，觀測條件良好的情況下，無論采用何等組合方案， GPS/COMPASS組合基線解算的精度與單系統(tǒng)基線解算相比，解算精度有了小幅提高，但基本都維持在毫米級精度水平，精度差距并不明顯。

3、RATIO

數(shù)據(jù)處理完畢后，查看靜態(tài)基線，我們要檢查RATIO是否大于3，若比3大，證明基線的固定雙差解解算合格，若小于3，說明此基線解算的固定雙差解不夠合格

雙系統(tǒng)RATIO值見下表

表5 RATIO值對照表

由表中RITIO值我們可以得出，GPS/COMPASS組合后基線解算的RATIO值，用L1、窄波組合時，明顯優(yōu)于單GPS系統(tǒng)，單COMPASS系統(tǒng)基線解算質量最差。

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

選用了一段18km的基線，選用測站名為LIXI，JLHU，采樣率5s，同步接收數(shù)據(jù)5小時，數(shù)據(jù)下載后經過衛(wèi)星狀況分析，分成5個觀測時段進行分析，每個時段時間約為1小時，在整個觀測過程中前4個間段雙系統(tǒng)衛(wèi)星質量較好，單系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以單獨進行基線解算，求出固定解。第5時段GPS衛(wèi)星數(shù)量不足3課，無法固定衛(wèi)星，這時將COMPASS數(shù)據(jù)引入進行雙星組合解算基線，便可以對基線進行解算處理。

在第3時段，GPS衛(wèi)星質量較差，但可以求出固定解，但接收機接收各系統(tǒng)衛(wèi)星的數(shù)目都大于4課，以第3時段基線解算為例，探討18km基線解算精度。

分析：在第3時段，對于18km基線進行解算，由于觀測條件及電離層改正等因素的限制，GPS衛(wèi)星的觀測質量不佳，由上述表看出，單GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基線分量的誤差最大，但是經過GPS/COMPASS衛(wèi)星組合解算基線[8]，精度有了顯著提高，基線分量的誤差在4cm以下，維持在厘米級水平。在第5時段，GPS衛(wèi)星質量更差，觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不足4顆，不能求出固定解，COMPASS衛(wèi)星質量稍好。

測試數(shù)據(jù)分析：在本數(shù)據(jù)測試中，GPS衛(wèi)星僅為三顆：‘G04'，‘G10'，‘G17'，而COMPASS衛(wèi)星則有多顆：‘C01'，‘C03'，‘C04'，‘C06'，‘C08'，‘C09'。此時段GPS衛(wèi)星數(shù)目不足，無法進行基線的固定解算，而加入COMPASS衛(wèi)星后共同參與解算，便能能準確固定，定位誤差大幅度減小，精度明顯優(yōu)于單COMPASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算結果，說明在GPS衛(wèi)星較少時，COMPASS衛(wèi)星可以起到補充作用，能大幅提升衛(wèi)星定位精度，使基線解算更為穩(wěn)定。■

參考文獻

[1]黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)原理與應用[M].北京：測繪出版社，2007

[2]劉基余等.GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法 [M].北京： 科學出版社，2008

[3]中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展報告（2.1版）[S]. 2012

[4]劉智敏.改進的遺傳算法在GPS基線解算上的研究[J]，測繪科學，2008（9）

[5]楊潤書.GPS基線解算的優(yōu)化技術[J].測繪通報，2005（5）：36-39

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[7] 劉偉平，郝金明等.Kalman濾波在周跳探測與修復中的應用[J].大地測量與地球動力學，2009，29（6）：101-103

[8] 楊霞，黨亞民，成英燕.Galileo/GPS組合觀測值模糊度解算方法研究[J]，測繪科學，2009，34（2）：40-42endprint

由以上各圖歸納如下表：

表4 精度評定

從以上各圖及統(tǒng)計表分析及目前COMPASS衛(wèi)星的發(fā)射狀況來看，對于短基線的載波雙差定位解算數(shù)據(jù)，觀測條件良好的情況下，無論采用何等組合方案， GPS/COMPASS組合基線解算的精度與單系統(tǒng)基線解算相比，解算精度有了小幅提高，但基本都維持在毫米級精度水平，精度差距并不明顯。

3、RATIO

數(shù)據(jù)處理完畢后，查看靜態(tài)基線，我們要檢查RATIO是否大于3，若比3大，證明基線的固定雙差解解算合格，若小于3，說明此基線解算的固定雙差解不夠合格

雙系統(tǒng)RATIO值見下表

表5 RATIO值對照表

由表中RITIO值我們可以得出，GPS/COMPASS組合后基線解算的RATIO值，用L1、窄波組合時，明顯優(yōu)于單GPS系統(tǒng)，單COMPASS系統(tǒng)基線解算質量最差。

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

選用了一段18km的基線，選用測站名為LIXI，JLHU，采樣率5s，同步接收數(shù)據(jù)5小時，數(shù)據(jù)下載后經過衛(wèi)星狀況分析，分成5個觀測時段進行分析，每個時段時間約為1小時，在整個觀測過程中前4個間段雙系統(tǒng)衛(wèi)星質量較好，單系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以單獨進行基線解算，求出固定解。第5時段GPS衛(wèi)星數(shù)量不足3課，無法固定衛(wèi)星，這時將COMPASS數(shù)據(jù)引入進行雙星組合解算基線，便可以對基線進行解算處理。

在第3時段，GPS衛(wèi)星質量較差，但可以求出固定解，但接收機接收各系統(tǒng)衛(wèi)星的數(shù)目都大于4課，以第3時段基線解算為例，探討18km基線解算精度。

分析：在第3時段，對于18km基線進行解算，由于觀測條件及電離層改正等因素的限制，GPS衛(wèi)星的觀測質量不佳，由上述表看出，單GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基線分量的誤差最大，但是經過GPS/COMPASS衛(wèi)星組合解算基線[8]，精度有了顯著提高，基線分量的誤差在4cm以下，維持在厘米級水平。在第5時段，GPS衛(wèi)星質量更差，觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不足4顆，不能求出固定解，COMPASS衛(wèi)星質量稍好。

測試數(shù)據(jù)分析：在本數(shù)據(jù)測試中，GPS衛(wèi)星僅為三顆：‘G04'，‘G10'，‘G17'，而COMPASS衛(wèi)星則有多顆：‘C01'，‘C03'，‘C04'，‘C06'，‘C08'，‘C09'。此時段GPS衛(wèi)星數(shù)目不足，無法進行基線的固定解算，而加入COMPASS衛(wèi)星后共同參與解算，便能能準確固定，定位誤差大幅度減小，精度明顯優(yōu)于單COMPASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算結果，說明在GPS衛(wèi)星較少時，COMPASS衛(wèi)星可以起到補充作用，能大幅提升衛(wèi)星定位精度，使基線解算更為穩(wěn)定?！?/p>

參考文獻

[1]黨亞民，秘金鐘，成英燕.全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)原理與應用[M].北京：測繪出版社，2007

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[8] 楊霞，黨亞民，成英燕.Galileo/GPS組合觀測值模糊度解算方法研究[J]，測繪科學，2009，34（2）：40-42endprint

由以上各圖歸納如下表：

表4 精度評定

從以上各圖及統(tǒng)計表分析及目前COMPASS衛(wèi)星的發(fā)射狀況來看，對于短基線的載波雙差定位解算數(shù)據(jù)，觀測條件良好的情況下，無論采用何等組合方案， GPS/COMPASS組合基線解算的精度與單系統(tǒng)基線解算相比，解算精度有了小幅提高，但基本都維持在毫米級精度水平，精度差距并不明顯。

3、RATIO

數(shù)據(jù)處理完畢后，查看靜態(tài)基線，我們要檢查RATIO是否大于3，若比3大，證明基線的固定雙差解解算合格，若小于3，說明此基線解算的固定雙差解不夠合格

雙系統(tǒng)RATIO值見下表

表5 RATIO值對照表

由表中RITIO值我們可以得出，GPS/COMPASS組合后基線解算的RATIO值，用L1、窄波組合時，明顯優(yōu)于單GPS系統(tǒng)，單COMPASS系統(tǒng)基線解算質量最差。

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

選用了一段18km的基線，選用測站名為LIXI，JLHU，采樣率5s，同步接收數(shù)據(jù)5小時，數(shù)據(jù)下載后經過衛(wèi)星狀況分析，分成5個觀測時段進行分析，每個時段時間約為1小時，在整個觀測過程中前4個間段雙系統(tǒng)衛(wèi)星質量較好，單系統(tǒng)數(shù)據(jù)可以單獨進行基線解算，求出固定解。第5時段GPS衛(wèi)星數(shù)量不足3課，無法固定衛(wèi)星，這時將COMPASS數(shù)據(jù)引入進行雙星組合解算基線，便可以對基線進行解算處理。

在第3時段，GPS衛(wèi)星質量較差，但可以求出固定解，但接收機接收各系統(tǒng)衛(wèi)星的數(shù)目都大于4課，以第3時段基線解算為例，探討18km基線解算精度。

分析：在第3時段，對于18km基線進行解算，由于觀測條件及電離層改正等因素的限制，GPS衛(wèi)星的觀測質量不佳，由上述表看出，單GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的基線分量的誤差最大，但是經過GPS/COMPASS衛(wèi)星組合解算基線[8]，精度有了顯著提高，基線分量的誤差在4cm以下，維持在厘米級水平。在第5時段，GPS衛(wèi)星質量更差，觀測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)不足4顆，不能求出固定解，COMPASS衛(wèi)星質量稍好。

測試數(shù)據(jù)分析：在本數(shù)據(jù)測試中，GPS衛(wèi)星僅為三顆：‘G04'，‘G10'，‘G17'，而COMPASS衛(wèi)星則有多顆：‘C01'，‘C03'，‘C04'，‘C06'，‘C08'，‘C09'。此時段GPS衛(wèi)星數(shù)目不足，無法進行基線的固定解算，而加入COMPASS衛(wèi)星后共同參與解算，便能能準確固定，定位誤差大幅度減小，精度明顯優(yōu)于單COMPASS衛(wèi)星數(shù)據(jù)解算結果，說明在GPS衛(wèi)星較少時，COMPASS衛(wèi)星可以起到補充作用，能大幅提升衛(wèi)星定位精度，使基線解算更為穩(wěn)定?！?/p>

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