用相位减伪距法与电离层残差法进行周跳探测分析_毋利娜.pdf

第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20211011基金项目:山西省教育科学“十四五”规划 2021 年度课题 高职院校教师工程实践与科研能力双向提升研究(GH21195);晋城职业技术学院院级课题项目(LX2117)资助作者简介:毋利娜(1986)，女，山西泽州人，讲师，注册测绘师，硕士，2012 年毕业于中国矿业大学大地测量学与测量工程专业，主要从事数字测图、GPS 数据处理方面的研究工作。用相位减伪距法与电离层残差法进行周跳探测分析毋利娜(晋城职业技术学院，山西 晋城 048026)摘要:在 GPS 测量中，对接收的数据进行预处理时，会发现数据产生周跳的现象，所以周跳的探测与修复是处理数据的必要环节。在处理周跳时主要采用的方法是先用高次差法进行大周跳数据过滤，然后在探测小周跳数据时，分别用相位减伪距法和电离层残差法进行探测，得出这 2 种方法中电离层残差法可以更好地对小周跳进行探测。但是如果 2 个载波的组合是某一特殊值，则很难用这种方法进行探测，这时需要采用多种方法组合探测。关键词:GPS;周跳探测;相位减伪距法;电离层残差法中图分类号:P228 4文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06007804Analysis of Cycle Slip Detection Using Phase Pseudorange eductionMethod and Ionosphere esidual MethodWU Lina(Jincheng Institute of Technology，Jincheng 048026，China)Abstract:In GPS survey，when the received data is preprocessed，the phenomenon of cycle slip will be found，so the detection andrepair of cycle slip is a necessary link in data processing In this paper，the main method used in dealing with cycle slip is to filter da-ta with highorder difference method for large cycle slip In the detection of small cycle slip data，the phase pseudorange reductionmethod and ionosphere residual method are used to detect，and the ionosphere residual method can better detect small cycle slip inthese two methods，but if the combination of two carriers is a special value，it is difficult to use this method to detect，so many meth-ods need to be combined to detectKey words:GPS;cycle slips detection;phase pseudorange reduction method;ionosphere residual method0引言在 GPS 测量中，周跳的探测与修复是数据预处理的一个重要环节。周跳的探测是根据时间序列来进行判断的，在没有发生周跳的时候，检测量随时间平滑变化;如果发生周跳，监测的数据结果会发生跳变。目前，常用的探测周跳的方法有高次差法、相位减伪距法、电离层残差法、多项式拟合法、小波探测等1，但是每种方法适用的条件是不一样的，如高次差法、相位减伪距法在探测周跳比较大的时候有优势，电离层残差法在探测周跳比较小的时候效果更明显。本文重点介绍相位减伪距法与电离层残差法的应用。1相位减伪距法伪距和载波相位测量的观测方程23 可表述为:=+dI+dm+(1)=+N+dI+dm+(2)将(2)(1)得:=N+(dI dI)+(dm dm)+()(3)由于以上公式中伪距和载波相位中的电离层误差dI、多路径效应偏差 dm、相位的量测误差 都属于一个接收机在相同历元接受的信号，所以它们的值是相同的，故式(3)可变为:=N(4)则N=1(5)由式(5)可以看出整周模糊度 N 与相位 、伪距 、波长 相关，式(5)在历元间相减，可得检验量:D=(t+1)(t)1(t+1)(t)(6)在没有发生周跳的情况下，D 为 0，如果不为 0 时，则发生周跳。载波相位观测值的中误差=0 01 周4，不同的伪距观测量的中误差差别比较大，P 码的测量精度约为 30 cm，而 C/A 码则为3 m 左右。根据误差传播定律，式(6)可写为:D=KX=1 111(t+1)(t)(t+1)(t)，通过协方差传播率 2D=KD2XXKT，则可求出检验量的方差:2D=22+222(7)如果接收机为双频接收机，波长分别为 19 03 cm，24 42 cm，从公式(7)中可以看出，检验量与相位的中误差和伪距观测量的中误差相关。对于 P 码伪距而言，波长 L1为 19 cm 时，D，2 23 周，波长 L2为 24 42 cm时，D，1 74 周。以 2 倍的中误差为限差，相邻历元的观测值解出:D1 2D1=4 46 周D2 2D2=3 48 周(8)采用相位减伪距法可判断出 L1载波相位观测值大于5 周的周跳，L2载波相位观测值大于 4 周的周跳。或者 以 3 倍的中误差为限差，相邻历元的观测值解出:D1 3D1=6 69 周D2 3D2=5 22 周(9)相位减伪距法可判断出 L1载波相位观测值大于 7 周的周跳，L2载波相位观测值大于 5 周的周跳。在探测周跳时，如果要求精度较高时可以采用 2 倍的中误差为限差，即可探测出周跳;而要求精度较低时，可以采用 3 倍的中误差为限差。实例分析:试验所用数据为天宝数据，时间间隔为10 s，共有120个历元 G17 卫星，采用 L2上的相位与伪距。采用相位减伪距法对无周跳发生的数据进行检测，可以看出数据的变化围绕着 0 周跳上下波动，但是都不大于 4 周跳，所以不易区分发现周跳小于 4 个的，如图 1 所示。第 50 历元中 L2载波上加入 4 个周跳，出现图 2 的现象，从图中可以看出如果周跳发生了 4 个周跳，采用相位减伪距法是能探测出来的。而在第 100 历元中加入 5 周跳，探测会更明显，如图 3 所示，在 49 与 50 历元、50 历元与 51 历元的检测量为 5 415 7、5 130 4，由这 2 个数据图 1载波相位探测初始值Fig 1Initial value of carrier phase detection可以初步判断 50 历元的周跳值为 5 个周跳，在 99 与 100历元、100 历元与 101 历元的检测量为 4 732 3、7 921 3，由于前 2 个数据可以初步判断 50 历元的周跳值约为 5 个周跳，后 2 个数据可判断出第 100 历元的周跳值约为 6 个周跳。则在观测的载波相位第 50 历元之后将减去 5 个周跳;在此基础上，第 100 历元之后的载波相位减去 6 个周跳，而这种周跳修复方法是一个比较粗略的方法，所以还需要借助探测精度较高方法如电离层残差法配合综合使用。图 2L2载波 50 历元周跳探测Fig 2L2carrier cycle slip detection at 50 epoch图 3L2载波 50、100 历元周跳探测Fig 3L2carrier cycle slip detection at 50，100 epoch2电离层残差法假设由测站 Ti观测卫星 Sj，载波相位的观测方程可写为5:ji(t)=ji(t)+c ti(t)tj(t)Nji(t0)A(t)f297第 6 期毋利娜:用相位减伪距法与电离层残差法进行周跳探测分析+ji，T+(8)式中，ji(t)为观测时刻 t 卫星至测站的几何距离，ti(t)、tj(t)为 t 时刻接收机、卫星的钟差，Nji(t0)为起始时刻的整周模糊度，A(t)为电离层延迟参数，ji，T为对流层延迟参数，为多路径效应、接收机噪声等误差的综合影响。GPS 卫星发射 2 种频率的载波信号，L1载波和 L2载波，即 频 率 为 1 575 42 MHz 的 L1载 波 和 频 率 为1 227 60 MHz 的 L2载波，它们的波长分别为 19 03 cm 和24 42 cm。对于同一历元的 2 个载波的相位观测量进行求差1，6(t)=1(t)12(t)2=1N1A(t)f21+2N2+A(t)f22(9)式(9)两端同时除以 1则上式变为(t)1=21N2 N1+A(t)1f21 f22f1f2()(10)式(10)已经把卫星测站间的距离项 ji、接收机钟差、卫星钟差约去，剩下电离层的差分项为iono(t)=A(t)1f21 f22f1f2()(11)如果观测历元间不存在周跳，相邻历元间求差，得检测量为79:=(t+1)1(t)1=A(t+1)1f21 f22f1f2()A(t)1f21 f22f1f2()(12)当电离层比较稳定、采样间隔时间较短的情况下，电离层随时间的变化比较稳定，值的变化也相对平稳，约为 0。如果在 t+1 时刻 L1发生了周跳 N1、L2发生了周跳 N2，则历元间的相位变化量为:=(t+1)1(t)1=21N2N1+iono(t+1)iono(t)21N2N1=f1f2N2N1=7760N2N1(13)式(13)也可表达为=77607760 1 1N2(t+1)N2(t)N1(t+1)N1(t)，若载波 L1、L2的测量误差为 0 01 周，则进行周跳探测时，电离层的残差量根据误差传播定律=2(7760)2+1)0 01=0 023 周取 3的中误差 0 07 周为限差，则由周跳导致的 在 0 07 周以上才能将周跳探测出来。该方法只需载波相位观测数据对于 4 周以内的周跳可以很好地探测并唯一分离周跳值，但对于大的周跳则存在多值问题。当发生在两个载波相位值的周跳比为N1N2=7760时，将无法进行周跳探测。实例分析:原始观测值采用天宝接收机数据，时间间隔为 10 s，采用了 120 个历元 G17 卫星，通过采用电离层残差法对原始数据进行分析，可得出图 4，从图中可以看出，结果数据是平缓变化的，说明原始数据没有周跳。如果分别对载波数据人为加入几个周跳来进行观察。方案一:在 50 历元 L1载波加入 3 周跳，L2载波加入1 周跳，可得图 5，从图中可以明显检测出周跳，周跳值为2 110 6，L1/L2=3，与 77/60=1 28 相差得比较远;方案二:如果在 50 历元 L1载波加入 1 周跳，L2载波加入 1 周跳，周跳值为 0 110 6，如图 6 所示，其中 L1/L2=1，与 77/60 更加接近，所以周跳值会变小，但是还是能看出有跳变值。方案三在 50 历元 L1载波加入 9 周跳，L2载波加入 7周跳，可以从图 7 中看出即使发生了较大的周跳，但采用电离层残差法检测不到周跳值，原因就在于 L1/L2=1 2970/60=1 28，所以检测量几乎与邻近历元的数据比较没有发生跳变，难以对周跳值进行检测。图 4电离层初始值Fig 4Initial value of the ionosphere图 5相同历元 L1、L2的周跳值(方案一)Fig 5Scheme one08测绘与空间地理信息2023 年图 6相同历元 L1、L2的周跳值(方案二)Fig 6Scheme two图 7相同历元 L1、L2的周跳值(方案三)Fig 7Scheme three从上述实验中，可以看出电离层残差法对发生小周跳的载波也能很好地进行周跳检测，但是如果在双频载波中 L1/L2的比值接近 1 28，周跳基本上是检测不出来的，这时，就需要采用其他方法来弥补电离层残差法的这个缺点。3结束语在周跳探测与修复的这 2 种方法中，相位减伪距需要知道的是 1 个载波上的相位与伪距 2 种数据，适用于大周跳的情况，而电离层残差法能够很好地对小周跳进行检测，但是如果在载波上发生的周跳 N1/N2=77/60，那么使用电离层残差法是无法检测到周跳的，这时需要搭配其他方法综合探测。参考文献:1范冬阳，徐良 基于伪距相位组合法和电离层残差法探测和修复周跳的研究J 湘潭大学自然科学学报，2018，40(4):5255 2陈正生，张清华，李林阳，等 电离层延迟变化自模型化的载波相位平滑伪距算法J 测绘学报，2019，48(9):1 1071 118 3张亮，岳东杰 相位减伪距法与电离层残差法探测和修复周跳 J 测绘工程，2014，23(2):3638 4柯福阳，王庆，潘树国 GPS/GLONASS 周跳探测与修复方法 J 测绘科学技术学报，2013，30(2):114118 5陈玉龙 GPS/BDS 基线解算方法研究及程序实现D 淮安:安徽理工大学，2018 6卢祥，何骞，刁锦通 周跳探测中一种改进的电离层残差法 J 测绘工程，2016，25(1):1720 7马志莹 高精度定位中模糊度解算和周跳探测方法研究 D 太原:太原理工大学，2019 8刘扬胜，于志龙，闻燕豪 GPS 周跳探测两种方法的研究 J 矿山测量，2014，42(3):7174 9CHEN D，YE S，ZHOU W，et al A doubledifferenced cy-cle slip detection and repair method for GNSS COS net-work J GPS Solut，2016，20(3):439450 编辑:刘莉鑫(上接第 77 页)“一图”为基础，有序推进全市农业生产档案，农产品安全监管、绿色认证、乡村振兴示范村、美丽乡村示范村等系统上图对接和图库融合工作，持续丰富扩充“一库”内容;支持各业务处室和职能部门要强化子系统的整合应用，坚持整合形成“一张网”的目标，加快信息平台的开发、整合与利用，为管理者、生产者和消费者提供全面服务，全面提高农业领域的科学决策、市场监管、政务服务水平，全面提升农业领域智慧化、数字化水平，推动上海农业全面数字化转型。参考文献:1许叶颖，叶有灿 数字农业助力上海乡村振兴 J 上海农村经济，2021(8):2729 2冯亮，王爱根“互联网+乡村振兴”的具体应用及思考 J 农业科技通讯，2020(1):69 3李德仁 从测绘学到地球空间信息智能服务科学J 测绘学报，2017，46(10):1 2071 212 4顾建祥，董震，郭王 面向上海城市数字化转型的新型测绘 J 测绘通报，2021(7):131134，139 5程显奇 乡村振兴战略下的农业数字化转型研究J 上海农村经济，2021(4):3234 6曹维，张向飞，戴俊，等 上海农业地理信息公共服务平台应用探析 J 现代农业科技，2020(22):247249 7陈旭，李治洪，张向飞 上海农业“一张图”探索与思考 J 农业网络信息，2018(3):812 8闾国年，俞肇元，周良辰，等 地理实体分类与编码体系的构建 J 现代测绘，2019，42(1):16 9夏兰芳，陈旭 农业“一张图”构建与综合数据分析 J 测绘通报，2021(2):144148 10薛艳杰，吴永兴，徐力，等 上海市农业地理信息系统信息分类思考 J 地域研究与开发，2005(4):116119 11付天新，乔占明 智慧农业时空“一张图”管理平台建设综述 J 北方农业学报，2019，47(3):129134 12朱卫芳，汪滨，马军，等 上海市青浦区农产品绿色食品认证现状及应对措施J 上海农业科技，2020(3):3133 13杨铎 基于天地图的农业一张图系统设计与实现J 科技资讯，2020，18(1):56 14李慧，马德新 农业大数据应用发展现状及其对策研究 J 江苏农业科学，2021，49(16):4852 15董春岩 农业农村时空数据服务平台建设思路与实践 J 中国农业资源与区划，2021，42(3):207214 编辑:刘莉鑫18第 6 期毋利娜:用相位减伪距法与电离层残差法进行周跳探测分析