COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合優(yōu)化選取分析

劉國超， 黃張?jiān)＃?徐秀杰，馮劍橋

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合優(yōu)化選取分析

劉國超， 黃張?jiān)＃?徐秀杰，馮劍橋

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

以北斗衛(wèi)星I支路頻點(diǎn)為例，從消除或減弱電離層影響、對(duì)流層影響和觀測(cè)噪聲與多路徑誤差3個(gè)方面分析COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取問題，并通過MATLAB模擬，給出一些典型的組合，分析它們可能的應(yīng)用，為COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取提供一些借鑒。

北斗衛(wèi)星；三頻數(shù)據(jù)；線性組合；優(yōu)化選取；電離層延遲；對(duì)流層延遲；觀測(cè)噪聲

COMPASS導(dǎo)航定位系統(tǒng)是我國自主研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，不同于GPS，COMPASS有其自身的時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)和信號(hào)體制。COMPASS系統(tǒng)采用北斗時(shí)(BDT)，起算時(shí)間為2006年1月1日UTC 0時(shí)，采用國際單位制秒為基本單位，連續(xù)累計(jì)，不閏秒，其與UTC的偏差保持在100 ns以內(nèi)。坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000中國大地坐標(biāo)系(CGCS2000)，信號(hào)體制不同于GPS的碼分多址，COMPASS采用頻分多址技術(shù)，有3個(gè)載波頻段，分別是B1，B2，B3[1-3]。可以預(yù)見，COMPASS系統(tǒng)在高精度定位和實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位應(yīng)用中，最需要解決的是上述3種載波相位觀測(cè)值整周模糊度的確定問題，以及如何消除電離層延遲、對(duì)流層延遲和觀測(cè)噪聲的影響。借鑒GPS應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，具有相應(yīng)特性的組合觀測(cè)值能有效地解決上述問題。為此，本文以北斗衛(wèi)星I支路頻點(diǎn)為例，從消除或減弱電離層影響、對(duì)流層影響和觀測(cè)噪聲與多路徑誤差3個(gè)方面分析了COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取問題，為之后北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取提供一些借鑒。

1 COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合

北斗衛(wèi)星發(fā)射3個(gè)頻率的載波信號(hào)，每個(gè)頻率分為I和Q兩個(gè)支路，每個(gè)支路上調(diào)制3種不同類型偽隨機(jī)碼，分別可以得到寬相關(guān)(W)、窄相關(guān)(N)和抗多徑(A)3個(gè)類型的偽距觀測(cè)量[4]。以I支路為例，其各頻點(diǎn)的特征如表1所示。

表1 COMPASS頻率及調(diào)制信息

設(shè)北斗衛(wèi)星載波相位觀測(cè)方程為

Li[m]=d+λiN-qiΔion.

(1)

其中：載波相位觀測(cè)量Li以m為單位；d為包含接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差和大氣延遲的偽距觀測(cè)值；λi為載波波長；N為整周模糊度；Δion是以m為單位的B1載波的電離層延遲；qi為對(duì)應(yīng)的比例因子。根據(jù)電離層延遲的色散效應(yīng)，qi可表示為qi=(fB1/fBi)2，i=1,2,3。代入表1 所示頻率，得到q1=1,q2=1.672,q3=1.514。

理論上，任何可以使模糊度參數(shù)保持整數(shù)特性的整數(shù)都可以作為北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合系數(shù)。設(shè)組合系數(shù)為a,b,c，則以周為單位的組合相位φB=φ(a,b,c)可表示為

φB[cy]=aφ1[cy]+bφ2[cy]+cφ3[cy].

(2)

通過式Li[m]=λiφi[cy]，可以得到以周為單位的組合載波觀測(cè)方程為

aN1+bN2+cN3-

(3)

由上式可知，組合后的整周模糊度NB=N(a,b,c)=aN1+bN2+cN3，對(duì)應(yīng)的組合頻率為fB=f(a,b,c)=afB1+bfB2+cfB3。設(shè)f0為北斗衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率，則f0=2.046 MHz，由此得到fBi=kif0,(i=1,2,3)，其中：k1=763,k2=590,k3=620，代入組合頻率公式可得

fB=afB1+bfB2+cfB3=f0(763a+590b+620c).

(4)

其中,令k=763a+590b+620c，則組合波長λB=c/fB=λ0/k，λ0=c/f0≈146.526 m。 由此可知，k值的選取決定了北斗三頻組合觀測(cè)值的波長和頻率。以k為基礎(chǔ)，可以定義以下3類不同的線性組合：

1)寬巷組合：1≤k≤590。組合波長大于北斗三頻數(shù)據(jù)最大波長，即λB≥λ2=0.248 m。

2)中間巷組合：590≤k≤763。組合波長介于北斗三頻數(shù)據(jù)最大與最小波長之間，即0.192=λ1≤λB≤λ2。

3)窄巷組合：k≥763。組合波長小于北斗三頻數(shù)據(jù)最小波長，即λB≤λ1。

2 COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取標(biāo)準(zhǔn)

2.1 消除或減弱電離層影響

由式(3)可知，以m為單位的北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合電離層延遲放大系數(shù)為

(5)

其中，λB為組合波長，其他參數(shù)和前面定義一樣。由此可知，如果在B1載波上發(fā)生10 cm的電離層延遲誤差，那么將導(dǎo)致組合載波上10×IBcm的電離層延遲誤差。在公式兩邊同乘以λ1/λB，則可得到以周為單位的電離層延遲放大系數(shù)為

(6)

2.2 消除或減弱對(duì)流層影響

對(duì)流層延遲不同于電離層延遲，由于不具備色散效應(yīng)，所以其線性組合放大系數(shù)為

(7)

2.3 減弱觀測(cè)噪聲和多路徑影響

(8)

時(shí)可以最大限度地減小觀測(cè)噪聲的影響[6]。式(8)在空間中定義了一條直線，越靠近這條直線的組合其減少觀測(cè)噪聲的效率就越高。但是由于組合系數(shù)的整數(shù)約束條件，大部分的組合系數(shù)并不能落在式(8)定義的直線上。

3 COMPASS三頻數(shù)據(jù)最優(yōu)線性組合的選取

前面的章節(jié)中，分別單獨(dú)地介紹了北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合如何消除或減弱電離層延遲、對(duì)流層延遲和觀測(cè)噪聲影響。但是在北斗實(shí)際應(yīng)用過程中，各種觀測(cè)誤差源和噪聲總是不同程度地同時(shí)出現(xiàn)，因此，尋求一種能同時(shí)消除各種誤差的最優(yōu)組合就很重要。要使得總的觀測(cè)噪聲減小，那么電離層延遲誤差和對(duì)流層延遲誤差應(yīng)該減小，組合系數(shù)作為一個(gè)空間點(diǎn)應(yīng)該接近。

3)原點(diǎn)(0,0,0)。

電離層延遲平面與對(duì)流層延遲平面之間夾角θ可表示為

(9)

其中：nT,nI分別表示無電離層延遲平面和無對(duì)流層延遲平面的法向量；|nT|,|nI|分別為nT,nI的2范數(shù)。同樣可以得到GPS的θ角為14.6°，由于北斗的θ角比GPS的更小，夾在兩平面銳角之間的組合系數(shù)離兩平面垂直距離之和比GPS小，所以北斗三頻數(shù)據(jù)組合要比GPS更有優(yōu)勢(shì)，具體情況如圖1所示。

圖1 Compass三頻無電離層和無對(duì)流層延遲組合圖

一種好的線性組合要根據(jù)各種誤差源的大小來確定。比如說，在長基線測(cè)量中，電離層延遲誤差和對(duì)流層延遲誤差在各種誤差源中占主要地位，這種情況下，應(yīng)該優(yōu)先選擇靠近無電離層延遲平面和無對(duì)流層延遲平面的組合而不是靠近原點(diǎn)的組合；在短基線測(cè)量中，電離層延遲誤差和對(duì)流層延遲誤差經(jīng)過雙差后基本消除，主要剩余觀測(cè)誤差，這樣情況下，應(yīng)該優(yōu)先選擇靠近原點(diǎn)的組合。

在北斗三頻線性組合中，為了最大限度地減小白噪聲和多路徑效應(yīng)的影響，北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合系數(shù)作為一個(gè)空間點(diǎn)應(yīng)該靠近。

最大限度減小觀測(cè)噪聲影響的空間直線與無電離層延遲平面之間的夾角

(10)

其中：vn，|vn|為空間直線的方向向量和2范數(shù)；nI,|nI|為無電離層延遲平面的法向量和法向量2范數(shù)。由于最大限度減小觀測(cè)噪聲影響的空間直線與無電離層延遲平面之間的夾角很大，這就出現(xiàn)一個(gè)矛盾，當(dāng)組合系數(shù)空間點(diǎn)靠近無電離層延遲平面時(shí)就會(huì)遠(yuǎn)離最大限度減小觀測(cè)噪聲影響的空間直線；當(dāng)組合系數(shù)空間點(diǎn)靠近最大限度減小觀測(cè)噪聲影響的空間直線時(shí)就會(huì)遠(yuǎn)離無電離層延遲平面。具體情況如圖2所示。

圖2 Compass三頻線性組合減小噪聲圖

根據(jù)上面的理論，通過MATLAB軟件解算，給出了幾種典型的北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合，如表2所示。

表2中，未加粗的COMPASS三頻線性組合為長波長組合，其優(yōu)勢(shì)在于整周模糊度相對(duì)容易確定，可用于解算基線時(shí)快速確定整周模糊度，其中(-1，-5，6)、(1，4，-5)和(0，-1，1)組合的波長較長，同時(shí)它們的電離層延遲和觀測(cè)噪聲很小，對(duì)于快速確定整周模糊度是很好的選擇。加粗的COMPASS三頻線性組合為弱電離層延遲組合，在長基線導(dǎo)航定位和實(shí)時(shí)定位中有重要意義。其中(3，11，-14)組合不僅有較長的波長(1.48 m)，而且電離層延遲很小(放大系數(shù)接近于0)，對(duì)于長基線模糊度解算和實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位有重要意義。觀察加粗的COMPASS三頻線性組合，會(huì)發(fā)現(xiàn)電離層延遲放大系數(shù)很小，但其對(duì)應(yīng)的噪聲放大系數(shù)卻很大，這是由于最大限度減小觀測(cè)噪聲影響的空間直線與無電離層延遲平面之間的夾角很大的緣故。

表2 典型的COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地分析了COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取問題，首先分析了COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合的數(shù)學(xué)機(jī)理，進(jìn)而從消除或減弱電離層延遲、對(duì)流層延遲影響和觀測(cè)噪聲方面入手，闡述了北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合的優(yōu)化選取標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，提出了COMPASS三頻數(shù)據(jù)線性組合系數(shù)選取的建議如下：

1)由于COMPASS的基準(zhǔn)頻率(2.046 MHz)是GPS基準(zhǔn)頻率(10.23 MHz)的1/5，所以相對(duì)于GPS，COMPASS系統(tǒng)可以形成更多長波長的優(yōu)良線性組合。這將極大地減小整周模糊度的搜索空間，提高確定整周模糊度解的效率。

2)用雙差法解算短基線時(shí)，兩站的大氣延遲空間相關(guān)性強(qiáng)，可通過求差基本消除其影響，此時(shí)應(yīng)該尋求適當(dāng)?shù)慕M合觀測(cè)值能快速準(zhǔn)確地確定整周模糊度和提高觀測(cè)精度，這樣的組合應(yīng)該有較高的觀測(cè)精度和較長的觀測(cè)波長，如(-1，-5，6)、(1，4，-5)和(0，-1，1)組合。而在長基線相對(duì)定位中，電離層延遲和對(duì)流層延遲對(duì)定位結(jié)果影響很大，此時(shí)應(yīng)該選取弱電離層延遲和弱對(duì)流層延遲組合，如(1，4，-5)和(3，11，-14)組合。

3)周跳的探測(cè)與修復(fù)和整周模糊度確定問題是載波相位測(cè)量的關(guān)鍵問題。北斗三頻數(shù)據(jù)線性組合可以形成更多長波長、弱電離層、低噪聲的優(yōu)良組合。可以聯(lián)合利用這些優(yōu)良組合組成探測(cè)矩陣探測(cè)周跳和確定整周模糊度[7-8]。比如整周模糊度確定中，CIR方法就是利用不同偽距和組合其波長不同的特點(diǎn)，先解算出波長最長的模糊度，然后作為已知值求解波長次長的模糊度，“逐級(jí)”確定模糊度。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

A systematic investigation of optimal carrier-phase combinations for triple-frequency COMPASS

LIU Guo-chao，HUANG Zhang-yu，XU Xiu-jie，F(xiàn)ENG Jian-qiao

(School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Taking the COMPASS system I frequency as the example, from three aspeets of eliminating or mitigating the ionospheric delay, tropospheric delay and observation noise, it analyzes systematically the optimal selection of COMPASS triple-frequency coefficient of linear combination.At last, by MATLAB simulation, some typical combinations are given and analyzed on the possible applications, which can provide some reference to the optimal selection of COMPASS triple-frequency linear combination.

triple-frequency data; linear combination; ionospheric delay; tropospheric delay;observation noise

2013-08-22

劉國超(1989- )，男，碩士研究生.

P228；V249.3

：A

：1006-7949(2014)09-0032-04