GPS非差数据周跳探测的TECR-MW综合法

邹正标何秀凤唐 旭

(河海大学卫星及空间信息应用研究所,江苏南京 210098)

GPS非差数据周跳探测的TECR-MW综合法

邹正标,何秀凤,唐 旭

(河海大学卫星及空间信息应用研究所,江苏南京 210098)

针对电离层总电子含量变化率(TECR)方法和双频码相组合(MW)方法探测周跳各自的局限性,综合利用TECR法和MW法进行周跳探测。首先采用TECR法探测周跳,然后用MW法进行第2次探测,最后综合电离层TECR法和MW法的宽巷模糊度探测L1频率和L2频率上发生的周跳。这种综合探测法不受接收机与卫星间的几何距离、接收机钟差和卫星钟差、电离层折射的影响。采用实测数据进行试验,结果表明,综合利用TECR法与MW法探测GPS周跳比采用单一方法探测周跳更加有效、可靠。

GPS;周跳探测;电子含量;宽巷模糊度

在GPS载波相位测量中,整周模糊度的解算[1-3]和周跳的探测与修复是GPS数据处理的2个关键难题。在GPS变形监测中,基于双差观测值采用文献[4-5]中的方法可以避免整周模糊度的解算和周跳的探测与修复;而在精密单点定位中,由于采用的是非差数据,整周模糊度的确定和周跳的探测与修复比差分定位模式更加困难[6],因此GPS非差数据的周跳探测是精密单点定位数据处理中的一个关键问题。

目前用于GPS非差数据的周跳探测方法较多[7-13],如多项式拟合法、高次差法、双频码相组合法(MW法)、电离层残差法、TurboEdit法等,但这些方法都有一定的局限性,比如多项式拟合法无法探测小周跳,双频码相组合和电离层残差法无法确定周跳的发生频率[8],TurboEdit法受电离层延迟变化的影响,并且当L1和L2上同时发生6周以内相同大小的周跳时,TurboEdit法将无法探测此类周跳[11],不少学者对TurboEdit法进行了改进[12-13]。电离层总电子含量变化率法(TECR法)[14]能有效探测出6周以内相同大小的周跳且不受电离层变化的影响,但仍存在一些不足。针对TECR法和MW法各自的局限性,综合MW法和TECR法2种方法进行周跳探测,充分利用2种算法各自的优势有效地探测周跳。

1 TECR与MW周跳探测方法

1.1 TECR法探测周跳

将历元k的电离层总电子含量记为TEC(k),TEC(k)的计算式为[14]

对TEC(k)进行历元间差分可得到当前历元的电离层总电子含量变化率,记为TECR:

当对历元k进行周跳探测时,假设历元k之前的所有历元的观测值没有周跳,或者周跳已被修复,利用历元k-1和历元k-2的TECR值来估计历元k的TECR值,计算方法如下:

将所计算的TECR与估计出的TECR的差值作为周跳检测量,当周跳检测量超过给定的阈值时,则认为历元k存在周跳。设L1和L2载波上发生的周跳分别为(k)和(k),基于式(1)～(3)可以得出历元k的周跳计算式:

式(4)中的TECR(k)可通过式(3)计算。

1.2 MW法探测周跳

MW组合形式为

式中:——伪距观测值;——宽巷模糊度。

假设在历元k时刻,L1和L2载波上发生的周跳分别为ΔNj1(k)和ΔNj2(k),对式(5)进行历元间差分可得周跳计算式:

MW法不受接收机与卫星间的几何距离、电离层折射、接收机钟差和卫星钟差的影响。但对于(k)=(k)的情况,MW法失效。当没有周跳发生时,应表现为一组上下波动较稳定的值。

2 综合TECR法与MW法探测周跳

3 试验结果与分析

图1 综合方法探测周跳流程Fig.1 Flow chart of cycle slip detection with combined method

为验证综合TECR法和MW法探测周跳的有效性,采用2012年10月8日在河海大学科学馆楼顶观测墩采集的实测数据作为试验数据。观测数据类型包括C1、P2、L1、L2,数据采样率为1 s,观测时长为2 h,经检验所采集的数据不含周跳。

首先,对实测数据不加任何周跳,给出TECR法和MW法的周跳检测量时间序列,见图2(a)和图2(b)。然后,在180历元处加入周跳组合(ΔN1=77,ΔN2=60),在320历元处加入周跳组合(ΔN1=1,ΔN2=1),给出TECR法和MW法的周跳检测量时间序列,见图2(c)和图2(d)。为使图像清楚显示,图2中各图均只截取了实测数据中的500历元进行显示。从图2(a)和图2(b)可以看出,当GPS观测数据中没有周跳时TECR法和MW法的周跳检测量均在给定的阈值范围之内。从图2(c)和图2(d)可以看出,TECR法能有效探测出320历元处加入的周跳,但无法探测出180历元处加入的周跳;MW法能有效探测出180历元处加入的周跳,但无法探测320历元处加入的周跳。当综合2种方法探测周跳时,可以有效探测出180历元和320历元处加入的周跳。

图2 TECR法和MW法探测周跳的周跳检测量时间序列Fig.2 Time series of cycle slip test quantity of TECR and MW methods for cycle slip detection

为了进一步验证综合2种方法探测周跳的有效性,分别在不同的历元和卫星的观测值上添加不同的周跳进行周跳探测试验,结果见表1。从表1可以看出,综合2种方法能有效探测出所有加入的周跳。

4 结 论

表1 周跳探测试验结果Table1 Results of cycle slip detection

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[5]何秀凤.变形监测新方法及其应用[M].北京:科学出版社,2007.

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Cycle slip detection using TECR and MW combined method for un-differenced GPS data

ZOU Zhengbiao,HE Xiufeng,TANG Xu
(Institute of Satellite Navigation and Spatial Information System,Hohai University,Nanjing 210098,China)

In order to overcome the shortcomings of the ionospheric total electron content rate(TECR)and dualfrequency code phase combination(MW)methods,a combination of the two methods was used for cycle slip detection.First,the TECR method was used to detect the cycle slip.Then,the MW method was used to detect the cycle slip for the second time.Finally,the ionospheric TECR and the wide lane ambiguity of MW were used together to detect the cycle slip onL1andL2frequencies.This combined method was not affected by the geometrical distance between the receiver and satellite,the receiver clock offset,the satellite clock offset,and ionospheric refraction.According to the test results of measured data,the TECR and MW combined method is more effective and reliable than a single method in detecting GPS cycle slip.

GPS;cycle slip detection;electron content;wide lane ambiguity

P228.4

:A

:1000-1980(2014)02-0155-04

10.3876/j.issn.1000-1980.2014.02.011

2013-03 27

国家自然科学基金(41274017);江苏省科技支撑计划(BE2010316)

邹正标(1990—),男,江西抚州人,硕士,主要从事卫星大地测量研究。E-mail:986292418@qq.com