基于三频载波组合的周跳探测方法研究

王俊杰,徐东风

(南京地铁资源开发有限责任公司，江苏 南京 210012)

基于三频载波组合的周跳探测方法研究

王俊杰,徐东风

(南京地铁资源开发有限责任公司，江苏 南京 210012)

针对GPS现代化的发展，采用L1,L2,L5三种载波进行线性组合，进行周跳探测。实例表明：该组合具有较长的波长，可以降低测量噪声，其观测值模型对周跳非常敏感，可以探测出大于0.2周的周跳。

高精度；GPS现代化；载波组合；周跳

在日常生活和工作中GPS导航与定位已广泛应用，如何提高导航与定位的精度成为国内外专家学者们研究的热点，而如何解决周跳[1-2]的探测与修复则是提高定位精度的核心问题之一。目前已有的周跳方法主要有差分法、电离层残差法、多项式拟合法和站间或站星差分法等[3]。以上几种周跳探测方法各有优缺点，需要根据具体情况进行选择，同时也可采用联合处理。

由于GPS现代化的发展[4]，其中最重要的是开始提供民用的L5载波，从而为周跳的探测提供了更多的线性组合方式，具有深远的研究价值。依据较长波长和较弱测量噪声等优良特性的组合观测值，拟采用L1,L2,L5三种载波进行组合,进行相应的周跳的探测。实验表明，采用该方法进行组合的观测值模型对周跳非常敏感，可以探测出大于0.2周的周跳，相对于其他周跳探测方法具有明显的提高。

1 构造周跳检测量

一般情况下，基线的双差载波观测和伪距观测量模型[5]：

(1)

其中，i=1,2,5；σ(φi)=0.05周；σ(Pi)=1 m；εφi,εPi表示各种误差的综合，主要包括卫星钟误差、卫星位置误差、对流层、电离层延迟，多路径效应和噪声误差等。

相对应的观测值组合[6]包括：

(2)

式中：m,n=1,2,5。当m=2,n=5时，该式称为超宽巷组合，同时相关频率、波长和整周模糊度具有如下的关系：

(3)

则各种载波组合其频率和波长具体数值如表1所示。

表1 组合观测值

由上表可以看出超宽巷组合具有较长的波长，对周跳有较高的灵敏性，便于进行周跳的探测。

2 超宽巷组合周跳的探测

不同频率的载波和对应的相位观测值之间具有相关性[7-11]，则得到L5载波的相位观测值：

(4)

伪距观测方程为

(5)

(6)

初始距离观测值需选择精度高的双差伪距观测值，故采用L5的伪距观测值作为初始距离观测值。

(7)

则超宽巷组合的整周模糊度为

(8)

其中，λL25=5.861 m，σ(NL25)=0.2周，重复计算得到较为精确的站星之间的几何距离：

(9)

同理，根据σ(NL12)=0.5周，再次进行站星距离几何计算为

(10)

根据式(1)，得到

(11)

根据式(10)，得到σ(NL1)=0.3周，σ(NL2)=0.4周，则可以把L1和L2的整周模糊度确定下来，根据两者整周模糊度在历元间的变化进行周跳的探测。

3 实例分析

利用观测的数据，对L5的观测数据进行模拟，通过实测数据分析L2和超宽巷组合观测值历元间的整周模糊度之差，并以3σ作为判断是否存在周跳，当超过限差值，则该值即为周跳数值。

实验选取一组含有120连续历元无周跳的PRN24卫星数据，该数据以30 s的间隔进行采样。图1和图2分别表示无周跳条件下，L2载波和超宽巷组合观测值随历元的变化。

图1 无周跳L2观测值模糊度随历元变化

图2 无周跳超宽巷组合模糊度随历元变化

由图1和图2可以发现L2载波无周跳连续历元模糊度差变化范围在±1周之内，而超宽巷组合无周跳连续历元模糊度差变化范围在±0.1周之内，同时L2载波和超宽巷模糊度之差均在允许临界值之内，根据以上数据，超宽巷组合可以探测出大于0.2周的周跳。

为了检验超宽巷组合的探测效果，人为对第30个历元加0.5周跳；第50历元加2周跳；第70历元加0.3周跳。得到如图3和图4所示含有周跳时，L2载波和超宽巷模糊度随历元变化的模糊度。

图3 含有周跳的L2观测值模糊度随历元变化

图4 含有周跳超宽巷组合观测值变化

从以上数据图表发现，超宽巷组合观测值模型对周跳非常敏感，更容易对周跳的探测。

4 结 论

通过对GPS现代化后L5载波的研究，发现可以利用三种载波进行相互组合，得到超宽巷组合的周跳探测方法，并利用相关实验进行分析，主要得到以下几点结论：

1)利用L5载波伪距作为初始值对超宽巷组合模糊度进行求解，同时得到相对精确的站星距离，然后进行类似上一步处理，得出超宽巷组合更精确的整周模糊度和站星距离。

2)超宽巷组合具有较长的波长，对周跳有较高的灵敏性，相对于其他的周跳探测方法具有明显优势，该组合可以探测出大于0.2周的周跳。

[1] 刘大杰，施一民，过静珺. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M]. 上海：同济大学出版社，1996.

[2] 李征航，黄劲松. GPS测量与数据处理[M]. 武汉：武汉大学出版社,2010.

[3] 伍岳.第二代导航卫星系统多频率数据处理理论及应用[D]. 武汉: 武汉大学, 2005.

[4] 陈俊勇.GPS进展及其现代化[J]. 大地测量与地球动力学, 2010，30(3): 1-4.

[5] 陈央央. GPS周跳探测与修复问题研究[D]. 西安: 长安大学，2014.

[6] 张书毕，朱绍攀，张秋昭. 一种GPS周跳探测与修复的组合算法[J]. 测绘科学技术学报，2012, 29(1): 1-4.

[7] 李乐乐，王振杰，贺凯飞. 基于北斗三频数据的周跳探测与修复[J]. 测绘工程，2016,25(10)：20-25.

[8] 李彬.北斗系统周跳探测与修复方法探究[J].测绘与空间地理信息,2016,39(8):160-165.

[9] 彭秀英. GPS周跳探测与修复的算法研究与实现[D]. 青岛: 中国石油大学，2007.

[10] 贾沛璋，吴连大.单频GPS周跳检测与估计算法[J].天文学报, 2001,42(2):192.

[11] 陶庭叶，何伟，高飞,等. 综合电离层残差和超宽巷探测和修复北斗周跳[J]. 中国惯性技术学报，2015, 23(1): 55-58.

[责任编辑：李铭娜]

On the method of detecting cycle slips based on combination of triple frequency carrier

WANG Junjie，XU Dongfeng

(Nanjing Metro Resources Development Co., Ltd.,Nanjing 210012, China)

The modernization of GPS makes it possible to adopt the combination ofL1,L2andL5carrier waves, to detect the cycle slip.The case is characterized with longer wave length which can reduce the measurement noise. The observation model shows that it is highly sensitive to cycle slips, which can detect the cycle slip is larger than 0.2.

high-resolution; the modernization of GPS; combined carrier waves; cycle clip

著录：王俊杰,徐东风.基于三频载波组合的周跳探测方法研究[J].测绘工程，2017，26(11)：69-70，76.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.11.015

2016-10-09

王俊杰(1990-)，男，助理工程师，硕士.

P228

A

1006-7949(2017)11-0069-02