單、雙頻GPS數據聯合處理基線分析

王文貫 陸海波

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 引言

隨著GPS技術的發展,GPS接收機越來越先進,雙頻GPS接收機已經廣泛應用于工程測量中。但早期的雙頻GPS接收機價格昂貴,許多生產單位及科研院所只配備了單頻GPS接收機,隨著現在雙頻接收機的廣泛應用,單頻接收機被大量閑置,造成極大的資源浪費。因此在測繪生產中,如果能把單頻機充分利用起來,在滿足精度的前提下配合雙頻接收機,共同快速、高效的完成測量任務,是一個很有實際意義課題。

2 單、雙頻GPS接收機特點

單頻GPS接收機只能接收L1載波信號,測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響,單頻GPS接收機只適用于短基線(≤15km)的精密定位。

雙頻GPS接收機可以同時接收L1和L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣,可以消除電離層對電磁波信號延遲的影響,因此雙頻GPS接收機可用于長達幾千公里的精密定位,在快速靜態和動態測量中觀測時間比單頻機短。

3 基線解算的重要性及其指標

GPS基線解算精度對整個GPS控制網起著至關重要的作用。在外業觀測中,可觀測衛星的多少、衛星的空間分布、測站附近電磁場的干擾、多路徑效應以及電離層、對流層折射等都會影響基線解算的質量。基線的質量檢驗需要通過RATIO,RDOP,RMS、同步環閉合差、異步環閉合差和重復基線較差來進行。檢驗合格后才能用于后續的數據處理中。單、雙頻GPS接收機聯合作業中,形成的基線類型有三種:單頻接收機與單頻接收機之間形成的基線 (以下簡稱單頻基線),雙頻接收機與雙頻接收機之間形成的基線 (以下簡稱雙頻基線),單頻接收機和雙頻接收機之間形成的基線 (以下簡稱單、雙頻基線)。在基線解算時,單頻+單頻=單頻,單頻+雙頻=單頻,雙頻+雙頻=雙頻。

4 試驗分析

為分析單、雙頻GPS接收機聯合作業時形成基線的精度情況,理想的做法是在相同的觀測時間內對同一條基線分別用單頻接收機和雙頻接收機同時進行測量。

為此,實驗數據采用某市a期的GPS觀測數據,接收機型號為Trimble 5700,數據采樣率為15S。該網中的觀測數據全部為雙頻GPS接收機觀測得到的數據,為獲得同一條基線上的單頻數據,編程對觀測數據進行了預處理,即將雙頻觀測數據中的L2頻率的有關信息過濾掉,只保留 L1頻率相關數據,這樣經處理后的數據就相當于單頻數據,由此得到用標稱精度相同的單頻接收機和雙頻接收機測得的同一條基線上的兩種觀測值,分別對單頻數據和雙頻數據進行處理分析。

基線解算采用 TGO(Trimble Geomatic Office6.0)后處理軟件,對每條基線觀測的數據按不同時長進行自動處理,研究不同頻率組合,不同長度的基線解算結果隨觀測時長的變化情況。研究的基線分別選用5km以下、5km～10km、10km～15km、15km～20km、20km～25km和25km～30km的基線各三條,各基線情況見表1。

表1 試驗基線情況表

根據基線處理結果,繪制相應的精度隨時間變化的曲線圖如圖1～圖6(其中Ⅰ組合為單頻組合,Ⅱ組合為雙頻組合)。

圖1 5km以下基線 時長精度圖 觀測時長(min)

圖2 5km～10km基線 時長精度圖 觀測時長(min)

圖3 10km～15km基線 時長精度圖 觀測時長(min)

圖4 15km～20km基線 時長精度圖 觀測時長(min)

圖5 20km～25km基線 時長精度圖 觀測時長(min)

圖6 25km～30km基線 時長精度圖 觀測時長(min)

從各基線時長-精度變化圖可以看出:

(1)長度小于5km的基線,在觀測20min后,單頻基線和雙頻基線都達到了較好的精度,兩者的解算精度在相同的觀測時長內基本相同,并且隨著觀測時間的增加兩者精度都在逐漸提高。說明單頻接收機和雙頻接收機測量5km以內長度的基線上,兩者基本相同。

(2)5km～10km基線,基本趨勢同5km以下基線。但在相同的時間內,單頻基線的解算精度反而優于雙頻基線的解算精度。原因可能是對于短基線,基線兩端的電離層延遲具有強相關性,由于自動處理采用L1C消除電離層的解算模式,組合兩個頻率上的數據所引入的誤差已經超過了處理過程中所消除的電離層誤差;對于單頻數據,采用 L1解算模式進行單頻差分處理可將大部分電離層延遲消除。因此會出現雙頻精度反而不如單頻的現象。

(3)10km～15km基線,兩者20min后基線解算精度穩定地提高。單頻基線解算精度同樣優于雙頻基線解算精度。但是在90min觀測后,單頻基線解算精度出現跳躍性變化,說明在這個長度區間的基線,單頻基線解算精度不如雙頻基線解算精度穩定。

(4)15km～20km的基線,雙頻基線的解算精度隨觀測時間的增加,解算精度平穩的提高。在20min的觀測時間內已達到了較好的精度。而單頻基線在1h內的解算精度都較差,觀測時間在1h后,解算精度才趨于穩定,但是在100min后也出現跳躍性變化,單頻基線的解算精度穩定性顯著不如雙頻基線好。

(5)大于20km的基線,雙頻基線解算精度仍能隨著觀測時間的增加而平穩的提高,并且在20min的觀測時間里能達到相對較好的精度。但單頻基線解算精度很不穩定,得到的大多都是浮動解,精度呈現跳躍性變化,解算精度遠遠不及雙頻組合的解算精度高。

5 結論

(1)對于15km以內的短基線,兩種接收機的觀測數據處理都能得到較好的精度,單頻基線的解算精度甚至優于雙頻基線的解算精度。對于15km～30km的基線,單頻基線計算得到的大都為浮動解,精度出現較大的跳躍,表現很不穩定。因此,單、雙頻GPS聯合測量時,建議單頻的基線長度不大于10km。

(2)對于15km以內的短基線,無論是單頻接收機還是雙頻接收機,進行20min的觀測基本上都可以獲得較好的精度,如果進行40min左右的觀測能夠獲得比較穩定且質量較高結果。因此建議單、雙頻GPS接收機聯合作業的觀測時長在40min以上。

(3)單、雙頻GPS接收機各有優缺點,在精度允許的情況下,兩者完全能夠聯合測量,既充分利用了單頻GPS接收機,又大大提高了工作效率。

略)