GPS 基线处理的优化技术

提要 本文阐述了gps 基线处理的几种优化技术,并对影响基线解算的各种技术参数进行了分析探索。

关键词 基线处理;整周模糊度;基线解;可靠性

GPS 数据处理原理比较复杂,但自动化程度高。GPS 的定位精度一般与网的布设、已知点的选取、观测方法、基线处理和网平差有关,而基线处理是GPS 数

据处理的最重要的一步。在实际基线向量处理时,既要顾及观测时段中由于信号中断或其它原因引起的周跳的修复;劣质数据的发现和剔除;星座变化引起的整周模糊度N 的增加等问题,还应考虑如何消除偏差影响,如对电离层模型参数和对流层改正数的残余误差进行估计校正,或对接收机时钟特征值进行重新评估。因此,GPS 基线向量处理程序是一个庞大的软件系统,尽管自动化程度较高,但系统一般设置了许多人工干预的接口,通过设置各种参数可以对基线进行优化。

1 卫星高度角的设置

卫星高度角的截取对于数据观测和基线处理都非常重要,观测较低仰角的卫星有时会因为卫星信号强度太弱、信噪比较低而导致信号失锁,或者因为信号在

传输路径上受到较大的大气折射影响导致整周模糊度搜索的失败。但选择较大的卫星高度角可能出现观测卫星数的不足,或卫星图形强度欠佳,因此同样不能解

算出最佳基线。高度角的缺省设置为15 度。如果同步观测卫星数太少或者同步观测时间不足,对于短基线来说,可以适当降低高度角后重新进行试算,可能会得到满足要求的基线结果,此时应注意,测站数据要稳定,且环视和气象条件要好,解算后的基线应进行外部检核(如同步环和异步环检核) 以保证其正确性。如果用缺省设置值解算基线失败,而连续观测时间较长,观测的卫星数较多、图形强度因子GDOP 值较小,则适当提高卫星的高度角重新解算可能会得到较好的基线结果,这是因为测站环境和大气层对低仰角的卫星信号产生较严重的多路径和时间延迟所引起的。

2 电离层折射改正

电离层高度位于50km 以上的大气层,由于太阳紫外线的辐射,电离层中存在着大量的自由电子和正离子,使得大气折射率n 小于1 。当电磁波信号穿过电离层时,信号的路径会发生弯曲,同时传播速度也会发生变化,传播速度的变化较为显著,必须加以改正,一般,对定位的影响天顶方向最大可达50m , 地平方向可达150m。

电离层折射影响与电离层中的电子浓度成正比,电子数越多,对定位的影响越大。而电离层中的电子数与白天黑夜、太阳黑子活动频繁程度、一年中季节的变化以及测站的位置有关。通常,夜间电子浓度比白天小3 倍;太阳活动激烈的年份是平稳年份的4 倍;低纬度地区是高纬度地区的5 ―8 倍,因此适当选择观测时间可以减小电离层影响,从而有利于基线的解算。

在GPS 作业中,由于电离层折射影响与电磁波频率成反比,因而高频率的GPS 信号可削弱电离层的影响,另外,双频观测也可以消除一阶电离层的影响。当基线较短时,可以认为信号到达两天线所经过的电离层路径是相同的,因此可以用站间双差法来抵消电离层折射的影响。对于较长基线来说,双差后仍存在残余误差,因此当基线超过30 ―40km 时,对于单频机来说,可能无法确定整周未知数而不能正确解算基线。

尽管经过各种改正, 一般仍存在3ppm 的残余误差,为了提高基线的精度,必须利用模型进行改正。系统通常提供了三种模型选择: ①标准模型(Standardmodel) ; ②计算模型(Computed model) ; ③无电离层模型(None) 。所谓标准模型就是单层模型,即假设所有的电子全部分布在某一高度的一个薄层上,然后根据这个模型计算出每一颗卫星的每一个历元观测值的电离层延迟。该模型是卫星传送的“标准”模型,通常与观测时电离层的实际状态不完全相符。如果在某时段连续观测了一个小时以上,则可以先计算出当地电离层模型,系统将根据观测值导出一个实际的改正数模型,并将它应用于每颗卫星每个历元的电离层延迟改正数计算,这就是所谓的计算模型。

在静态定位中,观测时间一般多于一个小时,可选用计算模型,这样将模拟电离层的实际状态进行改正,有利于提高基线解算精度。对于快速静态或动态定位,观测时间较短,选择标准模型也会得到最佳基线结果。采用无电离层模型,可能会有约7ppm 的系统偏差,此项选择仅用来分析研究电离层折射的影响。

3 对流层折射改正

对流层的高度为40km 以下的大气层,由于它接近地面,大气层密度较大,而且密度大小和厚度随地面的气侯、位置的变化而变化,因此,与电离层的影响比较,其机制要复杂得多。对流层的折射率n 通常大于1 ,因而当GPS 信号通过对流层时,其传播速度和路径将会发生变化。一般天顶方向的延迟值为2 - 3m ,当天顶距大于80 度时,延迟值将增加至十几米。这种延迟值是大气层的气压、温度、折射率和测站高度的函数,它不能利用双频观测进行改正,只能采用测站周围的气压、温度及湿度等气象参数用模型进行改正。但是,基线较短且两测站的高差较小,可认为所受到的对流层折射影响相同,则用站间双差法基本上可抵消对流层的影响。

用于对流层改正的模型比较多,常用的模型有: ①萨斯塔莫宁模型( Saastamoinen) ; ②霍普费尔特模型(Hopfield) ; ③经过改进的霍普费尔特模(modified2Hopfield) ; ④戈得―古德曼模型( Goad - Goodman) ; ⑤勃兰克模型(Black) ; ⑥无对流层模(None) 。各种模型的原理均是基于地面量测的气象元素用试验模型来推估逼近对流层的实际情况,各种模型的计算结果差别很小,彼此只相差几个mm。系统的缺省模型一般为霍普费尔特模型,用户可选择其它模型或自已严密推导的专用模型,但同一测区的基线应采用相同的模型。

用于模型改正的气象元素一般要实测,当没有实测的气象元素输入时,系统会自动采用标准的地面气象模型进行改正。对于是10km 以内的短基线,标准气象模型与实测的气象数据进行改正的差值仅为几mm。但对于长度较长、测站高差较大或测站间的气象元素有明显差别的基线,则应输入实测的气象观测值,这样有利于对流层的改正。因此在组成观测基线时,应选择距离较近、高差较小及环境相同的两测站组成基线,将有利于基线解算。

如何确定对流层模型,根据经验可遵循下面准则;

基线长小于500m 时,可不加改正或使用标准改正;

基线在500m 至2km 之间,可使用标准改正或用实测的气象元素改正;

基线长在2km 以上,应使用实测的气象元素改正。

4 卫星星历的选择

卫星星历误差、电离层折射误差以及对流层折射误差是GPS 测量的三大主要误差来源。卫星星历类型分为广播星历和精密星历,普通用户只能获得广播星历,它是一种外推预报星历,是导航或实时定位不可缺少的数据。对静态用户来说,广播星历基本上能满足需要,但自从美国实施SA 技术以来,人为地增加了广播星历的误差,尽管相对定位用户可利用双差法克服星历误差的影响,但仍使基线解算的精度和可靠性变差。

对事后数据处理的用户,如果定位精度要求较高,则可使用精密星历。精密星历是一种实测星历,它可通过网络或通讯方法从国家测绘主管部门获得。精密星历按数据格式可分为SP3 和EP18 两种类型,SP3 文件是最常用的ASCII 格式,它主要包含了卫星的位置数据和卫星的钟差数据,EP18 文件是SP3 格式的简略形式,数据量较小,便于贮存和携带。对于长基线(长度上百公里) 的用户,使用精密星历可使定位精度提高几个数量级。

5 观测数据的组合

GPS 观测值可分为L1/ L2 伪距和L1/ L2 载波相位。伪距又分为P 码和C/ A 码。相对定位用户基线解算时,一般同时选择伪距和相位观测值,单点定位用户一般只选择伪距观测值。双频用户在解算基线时,系统一般能自动实施最有利的组合方式,也可以进行人工组合,选择使用L1 、L2 、L1 + L2、L1 - L2 或其它组合方式。

6 基线解类型的设定

在短基线上最易求得整周模糊度的整数值,因而从理论上讲,基线解算的结果应以双差固定解为最优,但对于大于20km 的长基线,由于大气残差的影响,仍搜索初始整周模糊度的整数解对提高基线的精度没有多大的意义。系统可直接指定基线解算的类型(双差固定解和双差浮点解) 或设定解算整周未知数基线长度的最大值,作者认为,如果观测期间星座变化频繁、大气抖动严重或存在未修复的周跳等因素,基线以双差固定解输出并非最佳结果,此时可直接指定解的类型为双差浮点解或减小解算整周未知数基线的长度。这种情况应注意,应采用同步环和异步环检核方法检核基线结果的正确性。

7 先验标准差限差的规定

先验误差的标准差是相位观测值噪声的限值,系统的缺省值一般为10mm。观测值噪声是由于测站运动、电离层折射和多路径影响等外部原因造成的。用含有较大噪声的观测值搜索整周模糊度,将使整周模糊度的解不可靠。因此为了提高整周模糊度解的可靠性,可适当减少先验标准差的限差值。但解算长基线时,可适当增加该限值,有利于成功搜索整周模糊度的解,此时,应采取必要的外部手段(如检核不同时段的重复观测值互差) 检核基线成果的可靠性。

8 周跳修复

周跳修复比较复杂,一般由系统自动完成,但系统为用户提供了周跳修复方式,一般有三种: ①利用失锁标志及相位观测值检测; ②仅靠失锁标志检测; ③仅靠相位观测值检测。用户通常选择利用失锁标志及相位观测值检测方法,因为它顾及天线在观测中记录的失锁信息,同时也考虑了由相位观测值连续性特性而检测出的周跳。在准动态测量中,由于使用快测杆不能保证天线的绝对稳定,过大的观测噪声可能视为信号失锁,此时选择仅靠失锁标志检测可获得基线解算的成功。如果采样率没有选择采用全部观测值,部分失锁标志将不能被检测到,此时应选择仅靠相位检测法。

周跳修复的最大值是指设定信号中断的最大区间,间断区间越大,采样密度越稀疏,精确恢复整周计数就越困难,即便修复,也有可能引入了±0. 5 至±1周的偏差,短区间的采样可使修复的整周计数十分可靠。一般该值多设为5min ,超过此值将不再修复,而是引入新的初始整周模糊度,将中断区间后数据作为另一观测时段进行处理。

9 双差残差分析

基线解算后,如果部分基线没有固定解或者基线的精度因子Ratio 值较小、精度较差,大多数是由于跟踪的卫星中存在个别信号太差的卫星或者有可能是观测中某一时间段内的数据质量太差。为了进一步详细了解观测数据的质量,可以调阅基线解算后生成的双差残差文件或双差残差曲线进行分析。通常,最常用的、最直观的是进行双差残差曲线分析。

除参考卫星外,观测到的卫星均有一条双差残差曲线。若残差曲线平直或几乎平直,则说明对应的卫星数据质量较好;若残差曲线为倾斜线、或多条间断的倾斜线、或振幅较大的波状曲线、或多条间断的波状曲线,则说明该卫星的数据较差,应该删除该卫星,重新进行基线解算;若所有的残差曲线形状相同且表现的卫星的数据较差,则说明参考卫星的数据有问题,应该重新选择参考卫星或删除该参考星;若残差曲线表明在开机或关机的时候某一部分时间的数据太差,且整个观测时段较长,则可舍去质量差的时间段的数据,截取中间质量较好的数据重新进行基线解算。根据作者的经验,正确采用选择参考卫星、观测卫星的取舍以及观测时间段的截取等方法,既可以改善精度较差的基线,又可以使大部分没有固定解的基线解算成功。

10 固定站的确定

在基线解算中,选择作为基线起始的测站叫做固定站。一般系统会自动选择基线两端的观测时间较长且数据质量较好的测站作为固定站。当观测时间不长或数据较差,往往会出现因选择固定站的不同而产生不同的基线结果,通常可产生几个cm 的坐标差异,这是由于作为固定站的测站坐标精度不同引起的。固定站选取的原则是优先选择坐标为已知的测站或者观测时间较长的测站。为了提高基线的解算精度,可先对作为固定站的测站进行单点定位,求解的单点坐标作为固定站已知坐标,然后再进行基线解算,这样既可提高基线的精度又可解决同一基线的多值性问题。

GPS 测量误差除了作业人员的对点误差和量高误差外,主要来源于卫星(如星历误差) 、环境(如大气折射误差和多路径效应) 以及天线(如天线相位中心偏差) 。这些不可预测的误差源严重影响基线的精度,目前软件系统还不能完全智能地分析和剔除这些误差,因此人工干预处理基线显得十分重要,它不仅能提高定位精度,还能减少一些不必要的外业返工,提高了生产效益。