P1C1碼偏差對精密單點定位收斂速度影響分析

葛悉佑,李蕾，潘宇明

(天津市勘察院,天津 300191)

P1C1碼偏差對精密單點定位收斂速度影響分析

葛悉佑,李蕾，潘宇明

(天津市勘察院,天津 300191)

本文分析衛星端差分碼偏差(DCB)產生的原理,根據偽距觀測方程推導了精密單點定位(PPP)的DCB改正公式。采用MGEX參考站數據及精密產品進行PPP解算,詳細分析了P1C1碼偏差對定位參數收斂時間的影響。結果表明,改正DCB對于提高PPP收斂速度效果明顯,其中靜態PPP收斂時間平均縮短10 min,動態PPP平均縮短20 min,改正P1C1-DCB對PPP精度影響一般在毫米級水平。

精密單點定位;收斂時間;差分碼偏差

0 引 言

GPS信號在衛星和接收機內部傳播過程中會產生時間延遲,稱之為硬件延遲,不同頻率、或同一頻率不同類型的觀測信號由于傳播鏈路的差異造成硬件延遲的差異,常用信號差分碼偏差來表示不同偽距信號的硬件延遲差異[1],DCB是利用GPS觀測數據解算電離層總電子含量的最大誤差源之一,是影響導航定位和授時精度的重要因素[2]。GPS衛星端的DCB可達到十幾納秒,對偽距的影響達到米級[3],隨著用戶對導航定位精度要求的逐漸提高,在導航定位解算過程中必須要進行DCB改正。

從1999年4月開始,GPS衛星開始播發由JPL近實時計算的TGD參數,替代原有出廠標定的參數,顯著提高了單頻用戶定位與授時精度[4]。各導航系統TGD參數定義并不相同,TGD和DCB之間也有一定差異,郭斐等從公式計算的角度給出了DCB與TGD的含義,詳細分析了北斗與GPS系統的TGD差異,并給出了在單點定位中TGD和DCB的改正方法[5]。王寧波等分析了GPS廣播星歷中ISC(Inter-signal correction)參數的精度及其對導航定位的影響[6]。本文分析衛星端DCB產生的原理,根據偽距觀測方程推導了精密單點定位的DCB改正公式。采用MGEX參考站數據及精密產品進行PPP解算,詳細分析了P1C1碼偏差對定位參數收斂時間的影響。

1 GPS DCB改正方法

忽略偽距觀測值原始方程式中的多路徑和噪聲等誤差的GNSS偽距觀測值Pi(i=1,2,3)可簡化表示為[3]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ISCL1C/A即為L1P(Y)和L1 C/A的差分碼偏差DCB-P1C1,這一參數在部分導航電文中給出,也可以在CODE DCB產品中查找到。

對于GPS來說,不管是在廣播星歷還是在精密星歷中所給出的鐘差改正參數,都是基于調制在L1和L2載波上的雙P碼L1P(Y)、L2P(Y)來測定或預報的[1],所以產品中提供的衛星鐘差δts就包含P1碼和P2碼的衛星硬件延遲,根據(1)可知,采用P1P2碼的無電離層組合觀測方程為

P3=ρ+T+c(δtr-δts).

(5)

定位時若C1碼替代P1碼,則根據式(4)得到C1P2無電離層組合觀測方程為

P3=ρ+T+c(δtr-δts)+

(6)

研究表明,C1和P1偽距差值可達±1 ns[8],在精密單點定位中必須精細考慮P1C1碼間偏差的影響。

2 數據處理及分析

表1 實驗選取MGEX站基本信息

表2 P1C1差分碼偏差值和精度

實驗中采用MGEX發布的GFZ產品,包括5 min.間隔的精密星歷和30 s間隔的精密鐘差產品以及對應的PCO(Phase Center Offsets)和PCV(Phase Center Variations)改正值進行PPP解算,具體計算策略如表3所示。將結果與IGS周解文件中的測站坐標或者發布機構提供的參考坐標做差[9-11],獲得E、N、U三個方向上的坐標偏差以分析PPP精度和收斂時間,本文中的收斂定義為E、N、U各方向上定位偏差均小于0.1 m,為確保結果的可靠性,同時應保證收斂時刻的后續20個連續歷元的位置偏差均小于0.1 m,才認為當前歷元為收斂歷元。

表3 PPP處理策略和參數設置

對5個測站7天的數據分別進行靜態、動態前向卡爾曼濾波,并統計每個數據的收斂時間。圖1示出了DOY(Day of Year)050 GMSD站P1C1-DCB改正前后靜態PPP定位偏差序列前100個歷元,圖2示出了DOY 045 CUT0站P1C1改正前后動態PPP定位偏差序列前500個歷元。從圖1和圖2可以看出,改正前的靜態PPP收斂時間為15～20 min,動態PPP收斂時間較長,約為50 min,改正P1C1-DCB的效果明顯,分別使靜態PPP收斂時間下降為10 min,動態PPP收斂時間下降為30 min.所以,改正P1C1-DCB的PPP在初始化階段明顯收斂加快,定位精度更高。

但是改正P1C1對于PPP收斂之后精度提高程度并不大,可以從表4中看出,靜態PPP單天解精度可達到毫米級,動態解精度為厘米級;改正P1C1-DCB對PPP精度影響不大,一般在毫米級水平。

圖3示出了各測站P1C1-DCB改正前后靜態和動態PPP平均收斂時間,其中CUT0站改正前靜態PPP收斂時間36 min,動態PPP收斂時間45 min,改正后的靜態、動態PPP收斂時間分別為19、33 min,GMSD站改正前靜態PPP收斂時間15 min,動態PPP收斂時間57 min,改正后的靜態、動態PPP收斂時間分別為13、22 min.各測站進行P1C1-DCB改正的PPP收斂速度普遍有所提高,其中靜態PPP收斂時間平均縮短10 min,動態PPP平均縮短20 min;JFNG站收斂速度提高最明顯,其中靜態PPP收斂速度提高62.04%,動態提高57.29%.

圖1 DOY050 GMSD站P1C1改正前后靜態PPP定位偏差序列(a)改正前；(b)改正后

圖2 DOY045 CUT0站P1C1改正前后動態PPP定位偏差序列(a)改正前；(b)改正后

圖3 各測站P1C1-DCB改正前后靜態和動態PPP平均收斂時間(a)靜態；(b)動態

測站時間靜態動態E/mN/mU/mE/mN/mU/mcut0改正后0.0100.0050.0120.0200.0160.039改正前0.0090.0070.0160.0200.0160.049djig改正后0.0070.0050.0140.0180.0130.035改正前0.0090.0050.0150.0220.0140.038gmsd改正后0.0090.0080.0140.0220.0170.047改正前0.0100.0080.0140.0280.0190.051jfng改正后0.0070.0060.0160.0260.0190.038改正前0.0080.0060.0150.0310.0220.044sin1改正后0.0150.0090.0220.0690.0370.108改正前0.0180.0100.0200.0990.0410.119

3 結束語

本文采用GFZ精密鐘差和軌道以及CODE提供的P1C1-DCB產品,基于5個MGEX站一周的數據進行GPS靜態、動態PPP解算實驗,對改正P1C1-DCB前后的PPP結果進行對比分析,結果表明,改正DCB對于提高PPP收斂速度效果明顯,其中靜態PPP收斂時間平均縮短10 min,動態PPP平均縮短20 min,改正P1C1-DCB對PPP精度影響一般在毫米級水平。

致謝: 感謝IGS MGEX機構提供GNSS數據和產品,感謝CODE提供的DCB產品。

[1] ICD G. Global Positioning Systems Directorate System Engineering & Integration Interface Specification IS-GPS-200G, in Navstar GPS space segment/navigation user interface[R]. Washington, DC, USA, 2013.

[2] MONTENBRUCK O, HAUSCHILD A, STEIGENBERGER P. Differential code bias estimation using multi-GNSS observations and Global Ionosphere Maps[J]. Navigation, 2014, 61(3)： 191-201.

[3] Montenbruck O, Hauschild A. Code biases in multi-GNSS point positioning[C]//Proceedings of the 2013 International Technical Meeting of the Institude of Navigation, San Diego, California. 2013.

[4] 吳曉莉,平勁松,劉利,等.區域衛星導航系統硬件延遲解算[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2011,36(10):1218-1221.

[5] GUO F, ZHANG X, WANG J. Timing group delay and differential code bias corrections for BeiDou positioning[J]. Journal of Geodesy, 2015, 89(5):427-445.

[6] 王寧波,袁運斌,張寶成,等.GPS民用廣播星歷中ISC參數精度分析及其對導航定位的影響[J].測繪學報,2016,45(8):919-928.

[7] 章紅平,施闖,唐衛明,等.地基GPS區域電離層多項式模型與硬件延遲統一解算分析[J]. 武漢大學學報(信息科學版),2008,33(8):805-809.

[8] RAY J. C1P1 biases for Leica and Trimble 5700 receivers[EB/OL]. http://igscb.jpl.nasa.gov/mial/igsmail, Masachusetts,2002

[9] 張小紅,左翔,李盼,等. BDS/GPS精密單點定位收斂時間與定位精度的比較[J]. 測繪學報,2015,44(3):250-256.

[10] 張小紅. 動態精度單點定位 (PPP) 的精度分析[J]. 全球定位系統, 2006, 31(1): 7-11.

[11] 王崢,周劍.基于Kalman濾波的大規模GNSS網參數估計方法[J]. 測繪通報,2017(1):18-21.

[12] 趙磊,張守建. GPS衛星P1C1碼間偏差對動態PPP影響分析[J]. 大地測量與地球動力學, 2016, 36(2):143-145.

[13] 曾添,隋立芬, 鮑亞東,等. BDS衛星端差分碼偏差對定位的影響及改正模型研究[J]. 大地測量與地球動力學, 2017, 37(1):53-57.

TheImpactAnalysisofP1C1CodeBiasonConvergenceofPPP

GEXiyou,LILei,PANYuming

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation&Surveying,Tianjin300191,China)

This paper analyzed the satellite differential code bias (DCB) generated principle. Deduced the DCB correction formula of PPP. With multi-GNSS experiment data and precise clock/orbit/dcb products, this paper undertakes a thorough evaluation of DCB’s influence on convergence of PPP. The results show the convergence time obviously reduced when corrected P1C1-DCB, in which the static PPP convergence time is reduced by an average of 10 minutes, dynamic PPP average reduced by an average of 20 minutes, correct P1C1-DCB on PPP accuracy is generally in millimeter level.

PPP; covergence time; DCB

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.004

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0022-05

2017-05-12

聯系人: 潘宇明 E-mail: ympan@whu.edu.cn

葛悉佑(1986-)，男，工程師，主要從事項目管理、測量新技術研究和開發的工作。

李蕾(1987-)，男，碩士，工程師，主要從事CORS研發的工作。

潘宇明(1990-)，男，碩士，助理工程師，主要從事CORS研發的工作。