載波相位約束整周模糊度在短基線RTK中的應(yīng)用

李　峰，張建軍，李　健,劉長建，程志強(qiáng)

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450052)

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載波相位約束整周模糊度在短基線RTK中的應(yīng)用

李峰，張建軍，李健,劉長建，程志強(qiáng)

(信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院,河南 鄭州 450052)

摘要：針對單歷元RTK定位中受到衛(wèi)星升起、周跳頻發(fā)等外界條件干擾時，整周模糊度長時間不能固定，嚴(yán)重影響RTK定位實時精度的問題。文中提出一種用載波相位約束整周模糊度的方法來提高模糊度固定率、Ratio值和解算精度，并且結(jié)合GPS單系統(tǒng)、GPS/GLONASS雙系統(tǒng)兩組實測數(shù)據(jù)進(jìn)行未加入和加入載波相位約束整周模糊度的比較實驗。結(jié)果表明該方法可行。

關(guān)鍵詞：RTK；載波相位約束整周模糊度；模糊度固定率；短基線；GPS/GLONASS

實時動態(tài)定位在軍事和民用中具有廣泛的使用范圍和很高的應(yīng)用價值，如精確打擊、道路橋梁的實時變形監(jiān)測等[1]。與靜態(tài)相對定位不同，單歷元解算只需探測周跳。若發(fā)生周跳，則重新初始化其位置的模糊度；若無周跳發(fā)生，則認(rèn)為模糊度是連續(xù)的，利用上一個歷元信息，經(jīng)過卡爾曼濾波預(yù)報修正，并且顧及前后歷元模糊度的相關(guān)性，一個或者幾個歷元后其精度可達(dá)到厘米級。但某個時刻升起一顆衛(wèi)星或者產(chǎn)生周跳，整周模糊度需重置，有時幾個歷元都難以固定，解算精度變化劇烈，影響RTK的實時精度[2-3]；另外，還存在由于前后歷元整周模糊度的相關(guān)性致使其后歷元解算結(jié)果長時間不收斂的問題。

針對這些問題，本文運用載波相位約束整周模糊度方法加速模糊度固定，進(jìn)一步提高解算結(jié)果精度。并且結(jié)合當(dāng)前雙系統(tǒng)和多系統(tǒng)融合的大趨勢，利用GPS/GLONASS雙系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)對本文所提出的算法進(jìn)一步驗證，實驗取得較好的效果。

1RTK解算原理和方法

1.1基本觀測方程

假如RTK單歷元定位中衛(wèi)星個數(shù)為n，則分別有2(n-1)個雙差載波相位觀測量、模糊度以及3個測站坐標(biāo)未知數(shù)，所以觀測方程是秩虧的。為了實現(xiàn)RTK實時測量，則必須采用聯(lián)合載波相位和其他雙差觀測值的解算方法。本文選擇觀測量為偽距與載波相位，其基本聯(lián)合觀測方程為[4]

(1)

短基線相對定位普遍采用的觀測值組合有單差、雙差、三差，而單差又分為站間單差和星間單差，其中應(yīng)用最廣泛的是站間單差。站間單差可以消除衛(wèi)星鐘差，也可以減小電離層延遲誤差和對流層延遲誤差。偽距與載波相位單差方程為[4]

(2)

雙差不僅具有單差的優(yōu)勢，還能消除接收機(jī)鐘差，進(jìn)一步削弱電離層延遲殘差、對流層延遲殘差，同時模糊度仍具有整數(shù)特性。偽距與載波相位雙差方程為[4]

(3)

由于本文研究對象為短基線，認(rèn)為雙差后，衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、電離層延遲殘差和對流層延遲殘差已被完全消除，同一歷元觀測方程聯(lián)合求解[5]

(4)

其中，

式中：(xr0,yr0,zr0)為接收機(jī)初值，采用偽距單點定位求得[6]，(xi,yi,zi)為根據(jù)廣播星歷求得的衛(wèi)星位置，ρr0是衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離初值。

等權(quán)法、衛(wèi)星高度角法和接收機(jī)信噪比法是常用的隨機(jī)模型；本文采用衛(wèi)星高度角法，并且為改善法方程的病態(tài)，根據(jù)偽距和載波相位測量精度，按照偽距和載波相位雙差1∶1 000的權(quán)比[7]。

1.2RTK解算方法

本文采用附有模糊度參數(shù)的卡爾曼濾波方法來實時更新下個歷元的狀態(tài)向量及其協(xié)方差陣，并且估算出參數(shù)的浮點解[8]。在附加模糊度參數(shù)的模型中，待估參數(shù)不僅含有位置參數(shù)和速度參數(shù)，還包含單差模糊度向量參數(shù)。由于以上得到的模糊度是單差模糊度，所以需要一個轉(zhuǎn)化矩陣把單差模糊度轉(zhuǎn)化為雙差模糊度，然后利用雙差模糊度浮點解及其協(xié)方差陣用MLAMBDA法固定模糊度[9]，最后用Ratio比值法確認(rèn)，閾值根據(jù)經(jīng)驗一般取值2或者3。

(5)

然后采用式(6)直接求位置參數(shù)的固定解[10]。

(6)

1.3載波相位約束整周模糊度

RTK單歷元解算時，整周模糊度固定的快慢以及固定率的高低直接影響解算精度的高低。本文采用載波相位去約束整周模糊度將解算的結(jié)果傳遞給下個歷元，來提高整周模糊度固定率和定位精度。其狀態(tài)方程以及預(yù)測值的協(xié)方差陣為

(7)

載波相位約束整周模糊度的觀測方程為

(8)

在卡爾曼濾波模型濾波過程中，首先計算增益矩陣：

(9)

式中：R為觀測量的誤差方差陣，由于衛(wèi)星高度角較低時觀測噪聲和多路徑效應(yīng)對信號影響較大[11-12]，則本算法在高度角確定隨機(jī)模型基礎(chǔ)上做改進(jìn)

式中：σ為載波相位觀測量的標(biāo)準(zhǔn)差；E為在測站s點衛(wèi)星i的高度角。

運用以上函數(shù)模型和隨機(jī)模型通過卡爾曼濾波得到未知參數(shù)最優(yōu)估計為

(10)

式中：x為經(jīng)過卡爾曼濾波后的參數(shù)估計值；v為殘差項；Px為更新后參數(shù)的協(xié)方差陣，將更新后模糊度參數(shù)估計值和協(xié)方差陣作為下個歷元的初始值。

2短基線RTK實驗結(jié)果與精度分析

2.12.5km GPS雙頻數(shù)據(jù)實驗分析

利用拓普康GPS雙頻接收機(jī)在信息工程大學(xué)內(nèi)測量了單條基線，基線長為2.5 km，觀測時間2013-3-28，采樣間隔為1 s，觀測時長為1 h 10 min，本實驗按未加入載波相位約束整周模糊度和加入載波相位約束的算法分別對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以下是兩種算法在搜索次數(shù)、Ratio值和E,N,U 3個方向的坐標(biāo)絕對誤差等方面的對比結(jié)果。

由圖1知，從搜索次數(shù)上看未加入載波相位約束模糊度的最大值超過300，隨著觀測歷元的增多模糊度搜索次數(shù)逐漸降低，當(dāng)接近2 000歷元和3 000歷元時分別升起一顆衛(wèi)星和產(chǎn)生了周跳，因為模糊度重置導(dǎo)致搜索次數(shù)先增加后減少，而加入載波相位約束的整周模糊度搜索次數(shù)不隨衛(wèi)星數(shù)目增加和周跳而跳躍，始終保持在25～100次之間。

圖1　模糊度搜索次數(shù)和Ratio值

由表1從Ratio值上來講，除接近2 000歷元和3 000歷元時模糊度重置，未加入載波相位約束的Ratio值始終保持在50左右，而加入載波相位約束的Ratio值都高于500，在相同的Ratio值情況下，載波相位約束模糊度的固定率要高于未加入載波相位約束模糊度。

表1　整周模糊度固定率

表2是RTK定位中的絕對誤差的均方根誤差(RMS)，從中得知未加入載波相位約束模糊度的各個方向的RMS值略低于加入載波相位約束的各個方向的值。而從圖2的結(jié)果可以看出，未加入載波相位約束模糊度解算結(jié)果和加入載波相位約束模糊度的大體趨勢相同，都能在單歷元內(nèi)得到平面定位精度在1.5 cm以內(nèi)，高程精度在3 cm以內(nèi)，并且平面精度變化平緩，高程精度起伏較大；結(jié)合表2和圖2可以看出接近2 000歷元和3 000歷元處由于衛(wèi)星升起和周跳,整周模糊度幾個歷元未能固定導(dǎo)致解算結(jié)果誤差較大。

表2　絕對誤差RMS　mm

圖2　基線向量在E,N,U方向的坐標(biāo)差

2.21.5 km GPS/GLONASS雙系統(tǒng)數(shù)據(jù)實驗分析

本次實驗在河南省嵩山市訓(xùn)練基地,利用拓普康HipperⅡG型接收機(jī)采集GPS/GLONASS數(shù)據(jù)，基線長度為1.5 km，觀測時間2014-3-29，采樣間隔為1 s。采用高精度靜態(tài)測量解得的兩站點的坐標(biāo)作為已知值。抽取雙系統(tǒng)接收機(jī)前20 min數(shù)據(jù)用于本次實驗。對比分析未加入載波相位約束、加入載波相位約束兩種情況下的Ratio值、整周模糊度固定率和ENU方向坐標(biāo)差。

分析圖3知，未加入載波相位約束時，Ratio值非常穩(wěn)定，維持在3左右；加入載波相位約束時，前400個歷元Ratio值上升較快，而后穩(wěn)定在200左右。另外，表3表明閾值設(shè)置為2或者3時固定率均得到提高，尤其閾值為3時，效果顯著。

圖3　Ratio值

%

圖4表明，未加入載波相位約束時由于周跳和衛(wèi)星升降導(dǎo)致坐標(biāo)差誤差較大，直到800歷元后才趨于穩(wěn)定，而加入載波相位約束的坐標(biāo)誤差相對比較平緩，平面位置誤差維持在5 mm以內(nèi)，高程誤差在2 cm以內(nèi)。

3結(jié)束語

本文在已有短基線RTK單歷元定位算法和數(shù)據(jù)處理理論基礎(chǔ)上提出載波相位約束整周模糊度方法，通過實驗驗證該方法在減少模糊度搜索次數(shù)、提高模糊度固定率及坐標(biāo)精度方面的有益作用。

1)該方法在處理GPS單系統(tǒng)數(shù)據(jù)時顯著提高模糊度搜索效率和Ratio值，同時固定率和坐標(biāo)精度也得到提高。

2)在處理GPS/GLONASS雙系統(tǒng)雙頻數(shù)據(jù)

圖4　基線向量在E,N,U方向的坐標(biāo)差

時，Ratio值和整周模糊度固定率以及坐標(biāo)精度均得到較大提高。

3)該方法可以對雙系統(tǒng)或者多系統(tǒng)融合條件下RTK定位方法研究提供有益參考。

4)本文重點討論該算法在短基線條件下的實時定位應(yīng)用情況，針對中長基線的適用性有待進(jìn)一步的驗證。

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[責(zé)任編輯：李銘娜]

A method of using carrier phase to constrain integerambiguity and application to short baseline rtkLI Feng，ZHANG Jianjun，LI Jian，LIU Changjian,CHENG Zhiqiang

(Institute of Surveying and Mapping，Information and Engineering University，Zhengzhou 450052，China)

Abstract：When external factors such as the rising satellite and frequent cycle slips interfere with the process of single epoch RTK positioning，the integer ambiguity cannot be fixed within long time，which severely impacts the RTK positioning accuracy.Aiming at the problem mentioned above，this paper puts forward a method of using carrier phase to constrain integer ambiguity，in order to improve the fixed rate of ambiguity，the value of the Ratio，and the calculates precision.Additionally，the method proposed is adopted to conduct the experiment for the measured data of GPS and GPS/GLONASS system，and then to make a comparison with the method without adding the carrier phase constraint.The results indicate that this method is feasible.

Key words：RTK；carrier phase constraining integer ambiguity；the fixed rate of ambiguity；short baseline；GPS/GLONASS

中圖分類號：P228

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)05-0064-05

作者簡介：李峰(1988-)，男，碩士研究生.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41374041)

收稿日期：2015-03-10；修回時間：2015-09-11