淺析基于GNNS和GLONASS組合精密單點(diǎn)定位

　　摘要：根據(jù)俄羅斯空間局信息分析中心(IAC)提供的GNNS與GLONASS精密星歷和鐘差產(chǎn)品，綜合考慮GNSS定位的各種觀測(cè)誤差，采用PPP的方法處理了國(guó)際IGS站GNNS/GLONASS雙系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別獲得GNNS，GNNS/GLONASS，GLONASS精密單點(diǎn)定位的結(jié)果，并對(duì)結(jié)果作相應(yīng)的分析。

　　關(guān)鍵詞：GNNS,GLONASS,精密單點(diǎn)定位,組合

　　精密單點(diǎn)定位利用IGS公布的精密星歷及鐘差產(chǎn)品，采用雙頻GPS偽距和載波相位觀測(cè)值的無電離層組合觀測(cè)值，對(duì)相位中心，固體潮，相對(duì)論等誤差進(jìn)行模型改正，采用Kalman濾波或最小二乘估計(jì)對(duì)流層，接收機(jī)位置以及接收機(jī)鐘差。國(guó)際GLONASS服務(wù)(IGLOS)正式運(yùn)轉(zhuǎn)，開始跟蹤和分析GLONASS衛(wèi)星星座，隨后開始向全球提供GLONASS的精密星歷與精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品。利用GNNS/GLONASS精密星歷與精密鐘差產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)GNNS/GLONASS組合精密單點(diǎn)定位，觀測(cè)衛(wèi)星個(gè)數(shù)的增加與衛(wèi)星幾何圖形的增強(qiáng)，將提高單一GNNS系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的收斂時(shí)間和定位精度，即使在遮擋環(huán)境嚴(yán)重的情況下，也可以獲得可靠的高精度定位結(jié)果。本文正是基于此，研究利用GNNS/GLONASS的精密星歷與鐘差文件，實(shí)現(xiàn)GNNS和GLONASS組合精密單點(diǎn)定位。

　　一、 組合單點(diǎn)定位原理

　　單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型為:

　　(1)

　　式中，(x ,y ,z )為測(cè)站坐標(biāo); 為衛(wèi)星坐標(biāo); 為接收機(jī)鐘差， 為GNNS/GLONASS各自參考時(shí)間UTC(USNO)，UTC(SU)之間的差異， 為加上衛(wèi)星鐘差、大氣折射、相對(duì)論效應(yīng)和地球自轉(zhuǎn)改正的偽距觀測(cè)值; 為觀測(cè)值噪聲，當(dāng)式(1)為GNNS衛(wèi)星觀測(cè)方程時(shí)， =0，為GLONASS衛(wèi)星觀測(cè)方程時(shí)， =1。

　　將觀測(cè)方程(1) 線性化，得出用于參數(shù)估計(jì)的線性觀測(cè)方程。觀測(cè)方程中包括測(cè)站坐標(biāo)和接收機(jī)鐘差及兩個(gè)時(shí)間系統(tǒng)同步誤差共五個(gè)未知參數(shù)，故兩個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不應(yīng)少于5顆，用最小二乘法或?yàn)V波方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)即可以解算當(dāng)前歷元的位置。

　　由于IGS對(duì)外僅提供GLONASS衛(wèi)星的精密星歷文件，而不提供相應(yīng)的精密鐘差文件。因此本文采用俄羅斯空間局信息分析中心(IAC)對(duì)外提供的GNNS/GLONASS精密星歷與精密鐘差文件，其中精密星歷歷元間隔為15min，精密鐘差歷元間隔為5min，精密星歷坐標(biāo)框架為ITRF2000，精密星歷與精密鐘差中GNNS和GLONASS的各自參考時(shí)間分別為UTC(USNO)，UTC(SU)。由于精密星歷提供的GNNS/GLONASS衛(wèi)星位置在相同的坐標(biāo)框架ITRF2000下，因此，基于精密星歷的GNNS/GLONASS組合單點(diǎn)定位僅需考慮GNNS/GLONASS各自參考時(shí)間UTC(USNO)，UTC(SU)之間的差異。

　　二、數(shù)據(jù)處理

　　GLONASS的頻率可以表示為：

　　對(duì)于L1波段， = 1602 MHz， = 562.5 kHz; 對(duì)于 L2波段， = 1246 MHz， = 437.5 kHz， = 7/9。K為GLONASS衛(wèi)星發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)的頻率通道，每顆衛(wèi)星的頻率通道可由GLONASS衛(wèi)星歷書(Almanac)獲得，同樣也可以從Renix格式GLONASS廣播星歷文件中得到。由于GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)技術(shù)發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)，而不同的頻率信號(hào)受衛(wèi)星與接收機(jī)硬件延遲的影響也不同，相對(duì)差值可以達(dá)到2m以上，對(duì)于高精度的GLONASS定位，須考慮其硬件延遲的影響。

　　對(duì)于高精度GNNS定位，數(shù)據(jù)預(yù)處理的質(zhì)量好壞直接決定定位精度高低，數(shù)據(jù)預(yù)處理部分主要包含偽距粗差剔除，載波相位粗差剔除，周跳探測(cè)與修復(fù)，相位平滑偽距。偽距粗差剔除可以采用多項(xiàng)式擬合方法或者濾波平滑剔除;雙頻GNNS非差相位精密單點(diǎn)中采用的周跳探測(cè)與修復(fù)的方法主要是TurboEdit方法[5]，相位平滑偽距方法主要是Hatch濾波方法。雖然GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)技術(shù)發(fā)送衛(wèi)星信號(hào)，但以上這些方法都是基于非差相位的數(shù)據(jù)處理，與頻率無關(guān)，因此同樣實(shí)用于對(duì)雙頻GLONASS非差相位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

　　三、結(jié)果分析

　　為了驗(yàn)證以上模型的正確性，本文從IGS FTP[6]下載了國(guó)際IGS站IRKJ站2009年3月24日觀測(cè)的GNNS/GLONASS組合觀測(cè)值文件，從俄羅斯信息分析中心FTP[7]上下載了2008年2月10日的GNNS/GLONASS事后精密星歷和鐘差文件，實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程中，截至高度角選擇為5度，對(duì)流層模型采用Hopfiled模型，使用無電離層的載波相位平滑偽距方法，以及按照高度角給每顆衛(wèi)星定權(quán)進(jìn)行最小二乘解算，暫且忽略GLONASS硬件延遲的影響。進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)處理，圖1為GNNS/GLONASS觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)，圖2為GNNS精密單點(diǎn)定位的在X，Y，Z方向的坐標(biāo)差，圖3為GNNS/GLONASS組合精密單點(diǎn)定位在X，Y，Z方向的坐標(biāo)差，圖4為GLONASS精密單點(diǎn)定位在X，Y，Z方向的坐標(biāo)差。

　　由圖1可知，隨著GLONASS系統(tǒng)的恢復(fù)，GLONASS現(xiàn)在可視衛(wèi)星數(shù)最大為8顆，至少觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，GNNS可視衛(wèi)星數(shù)遠(yuǎn)多于GLONASS系統(tǒng)的可視衛(wèi)星數(shù)。由圖2可知GNNS精密單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位在X,Y,Z方向定位精度約為亞分米級(jí)，由圖3可知組合GNNS/GLONASS定位精度與單一的GNNS系統(tǒng)定位精度相當(dāng)，究其主要原因是本文的GNNS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測(cè)衛(wèi)星以可以組成較好的衛(wèi)星幾何圖形，且現(xiàn)有的GLONASS系統(tǒng)尚未完全恢復(fù)，以及IAC公布的GLONASS精密星歷以及鐘差精度的影響，使得GNNS/GLONASS組合精密單點(diǎn)定位的精度并沒有明顯優(yōu)于GNNS精密單點(diǎn)定位的精度，由圖4可知，GLONASS系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位的精度約在0.5分米級(jí)范圍內(nèi)，其原因除了上述的鐘差及衛(wèi)星星歷的精度低外，另一方面是GLONASS可視衛(wèi)星數(shù)較少，如當(dāng)GLONASS可視衛(wèi)星為4顆時(shí)，其定位的精度大于0.5分米。但是隨著GLONASS系統(tǒng)的復(fù)蘇，2009年底GLONASS系統(tǒng)在軌衛(wèi)星將達(dá)到24顆，屆時(shí)地面觀測(cè)到的GLONASS衛(wèi)星數(shù)將與GNNS衛(wèi)星數(shù)相當(dāng)，以及IGS組合公布高精度的GNNS/GLONASS精密星歷以及精密鐘差信息，GNNS/GLONASS組合定位必將提高單一GNNS系統(tǒng)定位的精度及其可靠性。

　　四、結(jié)論

　　實(shí)際數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，單一GNNS定位精度約為亞分米級(jí)，由于現(xiàn)有的GLONASS系統(tǒng)尚未完全恢復(fù)，以及IAC公布的GLONASS精密星歷以及鐘差精度的影響，使得GNNS/GLONASS組合精密單點(diǎn)定位的精度并沒有明顯優(yōu)于GNNS精密單點(diǎn)定位的精度，單一GLONASS定位精度在0.5分米級(jí)范圍內(nèi)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Zumberge J F，Heflin M B,Jefferson D C,Watkins M M, Webb F H. Precise Point Positioning for the efficient and robust analysis of GNNS data from large networks[J]. Journal of Geophysical Research, 1997,102( B3): 5005～5017

　　[2] Kouba, J, Heroux, P.. GNNS Precise Point Positioning Using IGS Orbit Products[J]. GNNS Solution, 2001,l.5(2):12～28

　　[3] Gao, Y. and Shen, X. Improving Ambiguity Convergence in Carrier Phase-Based Precise Point Positioning(C). Proceedings of ION GNNS-2001, Salt Lake City, 2001..

　　[4]葉世榕. GNNS非差相位精密單點(diǎn)定位理論與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢大學(xué).2002.

　　[5]Blewitt,G. An Automatic Editing Algorithm for GNNS Data[J]. Geophysical Research Letters, 1990 , 17(3): 199-202.

　　[6] IGS FTP. The International GNSS Service.[EB/OL].[2008-6-7]

　　[7] IAC FTP. Information-analytical Center [EB/OL].[2008-6-7]