基于精密產品的偽距單點定位研究及應用

代桃高,魏勇,李建文,郭亮亮,李小強

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.北斗導航應用技術協(xié)同創(chuàng)新中心, 鄭州 450001; 3.61206部隊，大連 116023)

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基于精密產品的偽距單點定位研究及應用

代桃高1,2,魏勇1,2,李建文1,2,郭亮亮1,2,李小強3

(1.信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001;2.北斗導航應用技術協(xié)同創(chuàng)新中心, 鄭州 450001; 3.61206部隊，大連 116023)

針對單頻接收機用戶,本文就精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差、精密電離層格網(wǎng)產品給出了基于精密產品的偽距單點定位算法。采用IGS預報的精密產品對10測站進行100天偽距單點定位解算。著重分析了GPS定位結果,驗證了算法的正確性,并與廣播星歷就衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲做了詳細對比。實驗結果證明:衛(wèi)星精密軌道和鐘差的自洽特性影響單點定位解;電離層延遲對偽距單點定位影響明顯大于衛(wèi)星軌道、鐘差誤差;超快速預報精密星歷可以較廣播星歷得到更高精度的單點定位解。基于精密產品的偽距單點定位研究表明:預報精密星歷在水平、高程方向平均改進約0.5 m,快速精密電離層產品在水平、高程方向平均改進約1.1 m.

偽距單點定位;精密軌道;精密鐘差;精密電離層

0　引　言

冷啟動首次定位時間是衛(wèi)星導航接收機的一個重要性能指標。隨著衛(wèi)星導航應用的普及,已受到廣大導航用戶的很大關注。以GPS為例,在冷啟動狀態(tài)時,在觀測條件良好情況下,接收機完成首次定位時間一般需要30 s左右。在實際導航應用中,如車輛較長時間停放駛出地下車庫等情況下,一般需等待較長時間,完成GNSS的首次定位,嚴重影響了GNSS用戶的使用體驗和感受。GNSS接收機完成定位需具備兩個條件,一是完成一定數(shù)量的星地間偽距測量,二是獲取相應導航衛(wèi)星的廣播星歷。接收機完成一次完整廣播星歷接收的時間是30 s,而完成一次測距僅需幾個毫秒,所以導航衛(wèi)星星歷的獲取是決定首次定位時間的主要因素。如果能快速獲取星歷信息,則可以縮短首次定位時間,提升應用效果。目前,IGS公布的預報星歷,軌道精度優(yōu)于10 cm,鐘差優(yōu)于5 ns[1].雖然鐘差精度較低,但對于米級的導航業(yè)務也可達到指標要求。目前,部分導航接收機已具備網(wǎng)絡通訊功能,這也是導航接收機網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢。移動通訊網(wǎng)絡傳輸速率近些年有了質的提升,3G通訊已普遍成熟,4G發(fā)展迅猛,3G帶寬在20 M左右,4G更是能達到150 M.其高速的傳輸效率明顯優(yōu)于衛(wèi)星信號的捕獲,可以在1 s內(正常情況,外加網(wǎng)絡延遲也不會超過10 s)獲取預報精密星歷。所以開展基于移動網(wǎng)絡傳輸IGS精密產品模式,利用IGS公布的預報精密產品,替代廣播星歷進行偽距單點定位的技術,具有廣泛的應用價值。

本文主要開展偽距單點定位研究,著重分析了精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差、精密電離層對偽距單點定位性能的影響,并與廣播星歷進行比較。

1　觀測模型

衛(wèi)星定位解算是基于星地距離后方交會觀測模型的參數(shù)估計,其觀測方程是對星地距離的幾何描述。在定位解算過程中,由于存在諸如衛(wèi)星軌道、鐘差、電離層、對流層、天線相位中心、相對論效應等誤差的影響,會影響解算結果的精度,因此常需對各類誤差改正。由廣播星歷計算衛(wèi)星軌道及衛(wèi)星鐘差的精度有限,而精密星歷的精度遠高于廣播星歷,故可以用精密星歷替代廣播星歷完成定位解算。利用廣播電文參數(shù)計算的電離層延遲一般只能改正70%左右,而精密電離層產品可以達到90%左右。下面基于IGS精密產品(本文主要指精密軌道、精密衛(wèi)星鐘差預報弧段產品、快速精密電離層產品),給出觀測模型。

偽距觀測方程可用下式描述,

(1)

常規(guī)偽距單點定位數(shù)據(jù)處理過程中,對流層延遲常采用模型改正,如Saastamoinen、Hopfield模型;電離層延遲可用Klobuchar模型[2]。引入精密產品,衛(wèi)星軌道及鐘差通過內插得到,電離層延遲通過精密電離層格網(wǎng)產品內插得到。

表1示出了基于精密產品偽距定位數(shù)據(jù)處理策略。

表1　基于精密產品偽距定位數(shù)據(jù)處理策略

(2)

式中: BP1-P2、BP1-C1為DCB文件硬件延遲偏差兩項改正數(shù)。

2　數(shù)據(jù)處理方法

偽距單點定位需觀測4顆以上衛(wèi)星才能計算得到測站坐標[4]。對式(1)一階泰勒展開,得到偽距線性化觀測方程。

(3)

(4)

待估參數(shù)X=(dx,dy,dz,Δcdt)T.進一步可得到線性化后的誤差方程:

(5)

其中

通常采用的估值方法有最小二乘估計和卡爾曼濾波,二者在觀測值獨立、且定權不隨時間變化時,即狀態(tài)矩陣為單位陣,二者等價[5]。

最小二乘的基本思想是使誤差平方和最優(yōu)化時的最優(yōu)無偏解。其算法簡單,殘差信息保留完整,廣泛應用于最優(yōu)數(shù)值估計處理。最優(yōu)參數(shù)估計解為ATPA)-1ATPL,A為設計矩陣,L為含觀測值信息向量,P為觀測值權信息矩陣。

本文基于精密產品的偽距單點定位原理,自主編寫一套適用于基于廣播星歷及精密產品解算的偽距單點定位軟件。在該軟件中,軌道坐標、精密衛(wèi)星鐘差采用循環(huán)迭代計算得到,電離層延遲改正采用全球格網(wǎng)模型和Klobuchar模型,對流層延遲采用Saastamoinen模型改正。其余誤差參照模型改正,觀測值選用L1頻點P1碼(無P1選C1),采用非差偽距觀測模型。

圖1　軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

軟件處理流程如下:先進行控制參數(shù)配置;然后讀取觀測文件及相關導航文件和精密產品文件,廣播星歷計算模塊與精密產品計算模塊互為切換,數(shù)據(jù)處理流程一致;最后疊加完成法方程,進行最小二乘參數(shù)估計。軟件流程如圖1所示。

3　算例與分析

本文以GPS為算例,選用靜態(tài)試驗,采用10個IGS測站進行連續(xù)100天的偽距單點定位測試。觀測文件為30 s采樣率的天文件;衛(wèi)星高度截止角設為5°,并以其正弦函數(shù)的倒數(shù)作為觀測數(shù)據(jù)權值。數(shù)據(jù)處理采用單歷元解算模式,結果與IGS最終測站坐標產品比較。精度評估置信度為95%.

選用的10個IGS站分布如圖2所示。

圖2　選用IGS站分布圖

用精密星歷代替廣播星歷進行定位解算,一般會同時使用精密軌道和精密鐘差,這就需要確保軌道與鐘差具有自洽性。若二者不自洽,則會嚴重影響星地幾何距離計算。IGS公布的預報軌道精度可以滿足分米級定位需求,而預報鐘差精度約5 ns,為研究二者的同時引入對偽距單點定位解算的影響,本文首先就軌道、衛(wèi)星鐘差進行如下試驗:軌道和鐘差分離、合并組合,共設計三種數(shù)據(jù)處理方案。如表2所示。

表2　軌道鐘差三種數(shù)據(jù)處理方案

各方案對應的結果如圖3,圖4所示(選用兩個IGS站:bjfs、chur)

圖3　水平方向精度偏差比較 (a) bjfs; (b) chur

圖4　高程方向精度偏差比較 (a) bjfs; (b) chur

由圖4可看出:預報衛(wèi)星鐘差對偽距單點定位精度改善效果要優(yōu)于預報軌道,且預報軌道、鐘差同時替換廣播星歷對偽距單點定位精度改善效果要優(yōu)于單項替換,說明IGS公布的預報精密軌道和預報鐘差是自洽的。

在此基礎上,進一步用精密電離層格網(wǎng)產品(目前暫無實時電離層產品,本文采用快速電離層產品)替換廣播星歷中的電離層模型改正,將預報衛(wèi)星軌道、鐘差合并為一類改正,設計如表3所示的試驗方案。

表3　電離層、軌道、鐘差處理方案

考慮篇幅限制,以及各天定位結果的相對獨立性,本文采用均值來評估各處理方案對定位結果的綜合影響,各站均值統(tǒng)計結果如圖5,圖6所示。

圖5　各站各方案水平方向精度偏差均值比較

圖6　各站各方案高程方向精度偏差均值比較

綜合各站結果,再取各方案的均值可得到如表4所示的結果。

表4　各方案改正量統(tǒng)計均值

由表4可以看出,僅用電離層格網(wǎng)模型對偽距單點定位的改正效果要優(yōu)于僅用軌道鐘差改正效果,在水平和高程方向均有約0.6 m的提升。精密電離層格網(wǎng)模型對偽距單點定位精度在水平方向上改進約1.1 m,在高程方向改進約1.2 m;精密軌道鐘差對偽距單點定位在水平方向上改進約0.5 m,對高程方向上改進約0.6 m.綜合改正效果要明顯優(yōu)于單項改正結果,在平面方向上改進約1.7 m,在高程方向上能改進約2 m.

預報衛(wèi)星軌道、鐘差對偽距單點定位精度改良較弱,原因可能與預報精密星歷存在的系統(tǒng)誤差、偽距測量噪聲及對流層濕延遲殘余等有關。但整體上,預報精密星歷對偽距單點定位精度有一定提升,可替代廣播星歷完成更高精度定位。

4　結束語

預報軌道和鐘差可同時替換廣播星歷完成偽距單點定位解算。預報衛(wèi)星鐘差對偽距單點定位精度的改善要優(yōu)于預報軌道,且二者對偽距單點定位精度的綜合改善說明預報軌道和鐘差是自洽的。快速電離層產品替換廣播星歷參數(shù)對偽距單點定位精度的改進在米級,尤其在高程方向改進效果突出,且改善效果略優(yōu)于預報衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差。精密產品替換廣播星歷能得到更高精度的偽距單點定位結果,這對于接收機冷啟動,初次快速定位也有重要意義。

致謝:感謝信息工程大學iGMAS分析中心(LSN)提供的數(shù)據(jù)支持。

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StudyandtheApplicationofPseudo-rangeSingle-pointPositioningBasedonthePreciseProducts

DAITaogao1,2,WEIYong1,2,LIJianwen1,2,GUOLiangliang1,2,LIXiaoqiang3

(1.The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001,China;2.Beidou Navigation Technology Collaborative Center of Henan,Zhengzhou 450001, China;3.61206 Troops, Dalian 116023, China)

Inthispaper,anewpseudo-rangesingle-pointpositioningalgorithmbasedonthepreciseproducts:preciseorbit、precisesatelliteclockbias、preciseionosphericgridisproposedforsingle-frequencyreceiverusers.Tenmeasuringstationsarerandomlyselectedfor100dayssingle-pointpositioningsolvingbyIGSpreciseproductsdata.TherationalityofalgorithmisvalidatedbytheGPSpositioningresult.Detailedpositioningcomparisonsaremadebetweenthebroadcastephemerisandpreciseproductsonpreciseorbit,precisesatelliteclockbiasandpreciseionospheregrid.Thepositioningresultsshowthat,theself-consistencyofprecisesatelliteorbitandclockbiasaffectthepositioningresult;Theimpactofionosphericdelayonpseudo-rangesingle-pointpositioningwassignificantlygreaterthanthatofsatelliteorbitandclockbias;Ultrapredictionephemeriscanreceivehigheraccuracyinpositioningcomparedwithbroadcastephemeris.Basedonpreciseephemeris,pseudo-rangesingle-pointpositioningresearchshowsthat:Theforecastpreciseephemerishasanaverageimprovementofabout0.5metersintheplaneandelevationdirection.Andfastionosphericproductscanimproveabout1.1metersintheplaneandelevationdirection.

Pseudo-rangesingle-pointpositioning;preciseorbit;preciseclockbias;preciseionosphere

2015-12-24

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0063-05

代桃高(1991-),男,四川內江人,碩士生,主要從事衛(wèi)星精密定位定軌研究。

魏勇(1989-),男,湖北人,碩士生,現(xiàn)從事GNSS數(shù)據(jù)處理與模型研究。

李建文(1972-),男,浙江富陽人,教授,現(xiàn)從事衛(wèi)星導航系統(tǒng)工程與應用研究。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.013

聯(lián)系人： 代桃高 E-mail: 18530948776@163.com