地球空间环境与大地测量教育部重点实验室

GNSS精密单点定位研究

   设计了能克服钟跳及电离层闪烁影响的周跳检测算子   

 深入分析并研究了GPS接收机钟跳现象,提出了一种稳健的实时钟跳探测与修复方法(算法流程如 1所示),新方法克服了传统GNSS数据预处理方法将钟跳误判为周跳的缺陷,避免了许多不必要的重新初始化过程,显著地提高了PPP的性能(如 2所示)。发现了电离层闪烁所引起的周跳现象,针对电离层闪烁对GPS观测数据产生的不利影响,构造了一种新的能克服其影响的周跳检测算子,减少了许多不必要的模糊度参数重置,极大地提高了PPP的定位精度(如 3所示)。

 1  实时钟跳探测与修复流程

 

 2  钟跳修复前(左)与修复后(右)对应的动态PPP定位误差时序

 

 3  传统方法和新方法在电离层平静期(左)和闪烁期(中、右)对应的动态PPP定位误差时序

 相关成果“Real-time clock  jump  compensation   for  precise  point  positioning”“Improved  precise  point  positioning  in  the presence of ionospheric scintillation”均发表在《GPS Solutions》上。

 

Ø   针对当前全球PPP初始化时间仍然较长的难题,提出了顾及电离层约束的PPP模型,显著缩短了PPP的收敛时间和PPP模糊度的初始化时间

传统的大气延迟信息如电离层延迟,通常使用伪距或相位平滑伪距观测值生成非差电离层延迟量,但由于伪距误差较大导致其精度较低。基于双差相位观测值生成的电离层延迟值虽然精度很高,但得到的只是一个经过站间差和星间差后的相对量,不利于电离层的物理特性分析以及建模。为此,本项目采用非差PPP技术提取精密大气延迟改正,并将其用于瞬时非差模糊度固定。现有的PPP模糊度固定方法中,一般采用无电离层组合分别求解宽巷和窄巷模糊度,实现PPP模糊度固定解。但问题是,窄巷波长短,噪声大,其求解受非差观测值中残余误差的影响较大,使窄巷模糊度难以在短时间内快速求解,模糊度固定的成功率也较低,PPP定位收敛时间偏长(一般需要15分钟以上)。为此,提出了一种基于L1L2原始观测方程,将电离层延迟作为待估参数,并顾及电离层本身的时空变化特性以及实时GIM模型约束的PPP的新算法。新算法采用非差原始观测值,将大气延迟误差作为待估参数,并通过实时得到的全球电离层模型或者区域非差大气延迟改正数以及大气延迟误差时空变化经验特征来施加适当约束。该非差原始观测值模型可以将PPP和网络RTK融合为一个统一的模型和算法,为全球用户提供无缝的精密定位服务。

非差非组合PPP的模型可表示为:

                                                                          (1)

                                                                          (2)

                                                                                                   (3)

在没有任何先验电离层延迟信息的情况下,也即不实施任何先验约束的情况下,基于非差非组合方式的PPP模型等价于传统的无电离层组合PPP模型。一旦已知几个厘米精度的电离层信息,新的(非差非组合)模型即可以实现瞬时模糊度固定,只需数秒观测值既可以取得厘米级定位精度。

 从空间相关性出发,电离层延迟的梯度参数可表示为: 

                                                                                      (4)

 

式中,为垂直方向电离层延迟;为电离层穿刺点的投影因子;为描述电离层趋势的系数,描述了该站上的电离层平均值;为二阶多项式系数,分别描述东西和南北方向的水平梯度;分别为电离层穿刺点与测站位置之间的经度和纬度差异。

从时间相关性出发,可对电离层斜延迟参数引入以下时间约束:

                                                                                               (5)

 

式中,为从前一历元到当前历元的电离层变化;的按高度角加权的方差。

 此外,随着IGS实时跟踪站数量的增加,利用这些数据生成实时的全球或区域电离层模型(2~8TECU精度)来增强实时PPP解也成为可能。由外部电离层模型得到的电离层延迟及其方差可表示为:

                                                 (6)

值得一提的是,式(4)中的梯度参数仅能表达测站上电离层延迟在空间上的系统趋势,式(5)中的随机游走过程描述了其时间变化,而外部电离层模型得到的斜路径延迟能直接约束电离层参数。因此,这三种约束互相补充,可在PPP处理中综合考虑。

 为了检验上述新方法的性能,分别使用新方法和传统方法进行浮点解PPP计算和固定模糊度的PPP解算,采用估计器重启的方法模拟数据中断,从收敛时间、重收敛时间、首次固定时间以及水平定位精度等方面统计了传统方法与新方法的性能指标,如 1所示。4给出了两种方法定位误差的RMS与观测时间关系图。5给出了首次模糊度固定的时间分布图。

 

 1  实验统计结果

统计指标/处理方法

收敛时间(分钟)

重收敛时间(分钟)

定位精度()

浮点解

固定解

浮点解

固定解

浮点解

固定解

传统方法

(动态)

31.6

21.4

29.8

19.8

0.048

0.022

新方法

(动态)

19.5

15.1

10.8

0

0.041

0.019

新方法

(静态)

15.3

10.2

0

0

0.013

0.010

新方法

(坐标已知)

\

4.4

0

0

\

\

 

 

 

 4  基于传统方法(左图)和新方法(右图)的浮点解定位误差的RMS 

 

 5  基于传统方法(左图)和新方法(右图)的模糊度固定所需时间的分布

 上述结果表明,对于实时动态解,使用新方法将收敛时间由超过30分钟缩短为少于20min,减少了大约30%。首次固定时间也由20分钟减少为15分钟,缩短了25%。所有卫星数据中断后,传统PPP方法需要30分钟时间重新初始化,而新方法只需要大约10分钟。在静态解算模式下,新方法只需10分钟实现首次模糊度固定,固定测站坐标情况下首次模糊度固定时间进一步缩短为5分钟。成果 “Real-time precise point positioning regional augmentation for large GPS reference networks”发表在GPS Solution上。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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