單頻GPS相位觀測值周跳探測方法

劉博，曹健

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021)

1 引言

GPS在高精度的應用領域，如大地測量領域，采用的GPS接收機大都是雙頻大地測量型GPS接收機，。雙頻接收機可以消除電離層影響，獲得長波長組合觀測值，容易探測與修復周跳。單頻GPS接收機接收L1載波相位觀測數據和C/A碼偽距，相對于雙頻接收機價格低廉，但是在絕對定位或長基線差分定位應用中，無法通過雙頻組合削弱電離層的影響。值得欣喜的是:區域電離層延遲改正可以由CORS系統實時提供，全球電離層改正可以從IGS網站獲得。因此如何探測和修復單頻的周跳，為后續的數據處理提供“干凈”的數據源，得出高精度的定位結果，是單頻GPS高精度定位的關鍵環節，也成為本文的研究重點。

目前單頻周跳探測方法主要有:三次差法，最小二乘殘差法、高階差分法、低階多項式擬合法、小波變換法、擬準檢定法、外推法、卡爾曼濾波法等。

本文主要探討高次差法和多普勒法探測周跳的能力，通過模擬單頻相位周跳研究分析兩種方法探測周跳的能力、適用性及與采樣率和多普勒觀測值的聯系，得出相關結論。

2 單頻相位觀測值周跳探測實例分析

2.1 下載觀測數據并利用TEQC軟件進行預處理

本文分別采用高次差法和多項式擬合法來探測與修復單頻相位觀測值的周跳，首先從ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/上下載雙頻接收機ASHTECH UZ－12的觀測數據文件abpo001a30.08o。該數據的采樣率為 1 s，觀測值類型為 L1、L2、P1、P2、C1、S1、S2。此數據用來進行高次差分析，實驗過程中只使用L1相位觀測值。另有兩組數據BaseRNX1.07o和base3071.07o用來進行多普勒法的分析，采樣率均為 1 s，BaseRNX1.07o接收機類型為 NovAtelOEM4，觀測值類型為 C1，L1、L2、P2、D1、D2;base3071.07o接收機類型為Trimble DAT，觀測值類型為 C1，L1、L2、P2、D1、S1、S2。利用數據預處理軟件TEQC檢查數據，并探測和修復存在的周跳，使用TEQC軟件的數據編輯功能將 1 s采樣率的觀測數據分別拆分為采樣率為 15 s和 30 s的兩組數據，并只保留L1和D1兩類型“干凈”的觀測數據。

2.2 實例分析

(1)高次差法

基于干凈的觀測值，以PRN8號衛星觀測值作為研究對象，分別從 1 s，15 s，30 s三種采樣率數據中選取9個相同歷元的L1載波相位觀測數據，并在其第5個歷元分別模擬1周與100周的周跳，用于比較高次差法在不同頻率下探測周跳能力。實際應用中采用四次差法，在Excel軟件中進行數據處理和分析。實驗結果如表1～表3所示。

1 s采樣率無周跳四次差法探測周跳的結果 表1

15 s采樣率無周跳四次差法探測周跳的結果 表2

30 s采樣率無周跳四次差法探測周跳的結果 表3

以此類推，得出加入1周跳和100周跳后四次差法的結果，如表4所示。

從表4可以看出:在加入1周周跳后，四次差的中間高，兩邊低的特點并不明顯;而在加入100周周跳后，四次差呈現中間高，兩邊低的特點，并且中間與兩邊的差值比較明顯。所以可見:該方法適用于大周跳的探測，對于小周跳，這種方法并不太好。

加入周跳后四次差法探測周跳的結果 表4

(2)多普勒法

從載波相位測量的特性可知，周跳前后，載波相位不再是連續函數，但其變化率(多普勒觀測值)則是連續函數，且為載波相位嚴格一階導數。因此利用多普勒觀測值可探測和修復周跳。利用TEQC獲得數據采樣率分別為 1 s，15 s，30 s的“干凈”觀測數據。每個采樣率選取衛星號為PRN11的8個歷元數據。在選取數據的第5個歷元分別模擬2周，5周，10周和20周的周跳，實驗結果如表5～表8所示(表中△表示多普勒法探測出的周跳，單位為周)。

多普勒法探測2周跳結果 表5

多普勒法探測5周跳結果 表6

多普勒法探測10周跳結果 表7

多普勒法探測20周跳結果 表8

由于載波相位的觀測值精度比較高，一般在幾個毫米，L1載波相位波長約為 19 cm，所以該方法探測周跳的程度取決于多普勒觀測值的精度與數據采樣率。由表5可得:1 s采樣率時多普勒法可探測出1周以上的周跳;由表6可得:15 s采樣率時能探測出2周以上的周跳;由表7可得:而 30 s采樣率時，只能探測出10周以上的周跳。由此可知，采用多普勒法探測與修復周跳，不受接收機運動狀態影響，對于高采樣率的數據，可以探測出一周以上的周跳，對于單頻載波相位的周跳的探測與修復，是一種很好的探測方法。

3 總結

本文主要分析了單頻GPS相位周跳探測問題。通過模擬相應的周跳，分別利用高次差法，多普勒法探測周跳，結果表明:高次差僅能探測出大周跳，對小周跳并不敏感，采樣率越高，探測周跳的能力越低;多普勒法探測周跳的能力取決于多普勒觀測精度以及數據采樣率，觀測精度越高，采樣率越高，探測小周跳能力越強，且不受接收機運動狀態的影響。

需要說明的是，周跳的探測和修復工作進行得是否完全、徹底，最終還是要用正式平差計算中的觀測值殘差來加以檢核。

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