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GLONASS频间码偏差实时估计方法及其在RTK定位中的应用
徐龙威, 吴忠望, 董绪荣     
航天工程大学航天信息学院, 北京 101416
摘要:GLONASS伪距频间偏差难以利用经验模型消除。在RTK定位解算中,尤其是需顾及大气延迟的中长距离异质基线,IFCB会降低模糊度收敛速度,甚至导致模糊度固定错误。本文基于双差HMW组合和消电离层组合,提出一种站间IFCB实时估计算法,实时获取各频段的非组合站间单差IFCB。试验结果表明,站间IFCB长期稳定,可达数个纳秒;在GPS/GLONASS观测值先验误差比值为3:5的条件下,未改正的IFCB可能导致基线GPS/GLONASS组合RTK定位性能比单GPS差。将本文提出算法应用于RTK定位,能够有效消除IFCB的影响,RTK模糊度浮点解精度、定位收敛速度和固定率都有明显改善,部分基线的RTK定位首次固定时间从9.2 s提高到2.1 s,固定解比率从84.5%提高到97.9%。
关键词GLONASS    站间IFCB实时改正    GPS/GLONASS组合RTK    
A real-time estimating algorithm of GLONASS inter-frequency code bias and its application in RTK
XU Longwei, WU Zhongwang, DONG Xurong     
School of Space Information, Space Engineering University, Beijing 101416, China
Abstract: It is difficult to eliminate GLONASS inter frequency code bias (IFCB) by empirical model.In RTK positioning, especially for medium and long-distance heterogeneous baselines that need to take into account atmospheric delay, IFCB will reduce the convergence rate of ambiguity, and even cause incorrect ambiguity solutions.In this paper, a real-time estimation algorithm of inter-station IFCB is proposed. The new algorithm origins from the classical double differenced Hatch-Melbourne-Wübbena (HMW) combination and ionospheric free combination, can obtain precise IFCB after a short period of filtering. The experiment results show that IFCB between stations may up to several nanoseconds and are stable for a long time. As a ratio 3:5 of the prior error of GPS/GLONASS observations, the uncorrected IFCB may cause the performance of GPS/GLONASS RTK positioning worse than that of single GPS. The proposed algorithm can effectively mitigate the negative influence of IFCB, including the accuracy of ambiguity floating solutions, the convergence speed and fixed rates of RTK positioning results. For some baselines, the time to first fixed of RTK positioning accelerate from 9.2 s to 2.1 s, and the fixed solution ratios enhance from 84.5% to 97.9%.
Key words: GLONASS    IFCB real time correction    GPS/GLONASS combined RTK    

观测值频间偏差(inter-frequency bias, IFB)一直是影响GLONASS导航定位性能的重要因素。IFB主要是源于同一频段(L1/L2)上不同GLONASS卫星的观测信号硬件延迟差异[1]。在基于双差模型的基线解算中,观测值站间单差能够消除卫星端IFB,而接收机端IFB受测站固件设备影响,难以直接消除。按观测值类型,IFB可划分为频间相位偏差(inter-frequency phase bias, IFPB)和频间码偏差(inter-frequency code bias, IFCB)[2]。文献[3-4]指出IFPB的本质是伪距观测值和载波观测值的硬件延迟之差,并将IFPB划分为数字信号处理引起的延迟和硬件本身引起的延迟两部分,且数字信号处理引起的延迟占主要部分,因此,IFPB与信号频率和接收机类型有很强的相关性。基于IFPB与信号频率的线性关系,许多学者采用估计IFPB变化率、构建纯载波观测值组合等方式,实现了毫米级的IFPB改正,消除IFPB对高精度定位的影响[5-9]。IFPB相关参数已经引入接收机独立交换格式RINEX3.03文件和差分GNSS数据传输协议RTCM10403.X中,在导航定位服务中取得了良好的应用[10]

IFCB主要因接收设备的前端带宽和相关器设计导致的芯片畸变产生,且每个信号通道的畸变量存在差异[11]。与能够高精度模型化的IFPB相比,IFCB的变化规律较为复杂[12]。文献[13]采用精密单点定位模型估计了来自5家厂商的133台接收机的非差消电离层组合IFCB,验证了接收机或天线的品牌、系列和固件版本都会对IFCB的量级产生影响。文献[14-15]提出了组合观测值的IFCB的估计策略,指出虽然IFCB与频率存在相关性,但难以构建通用的高精度线性模型,且个别测站的IFCB存在明显差异。综合多位学者的研究成果,IFCB的主要特性可归纳为:①L1和L2上IFCB的量级不同,都具有一定的长期稳定性;②同质基线的IFCB量级相差很小,但也有一些特例存在;③异质基线的双差IFCB可达数米;④不同接收设备的IFCB与通道号的线性关系不一致,导致IFCB无法采用统一模型改正。本文将GNSS信号接收设备(接收机类型、固件版本、天线类型)完全相同的测站构成的基线称为同质基线,其他基线统称为异质基线。

由于IFCB难以基于经验模型改正,在异质基线或精密单点定位解算中,通常将每颗卫星的IFCB或其与频率号相关的变化率作为一个静态参数估计。文献[13-15]将基于历史观测值估计HMW或消电离层组合的IFCB用于GLONASS伪距组合观测值实时改正。文献[16]直接将各颗卫星IFCB作为一个静态参数估计,进行载波观测值变换合成超窄巷模糊度,实现长基线GLONASS模糊度固定,但该算法受限于观测值噪声,仅能用于事后解算。文献[17]在RTK定位模型中,将IFCB与频率号相关的变化率作为静态参数进行估计,但从其结果来看,IFCB变化率参数估计策略显然是不符合IFCB特性的。文献[18]提出了一种用于精密单点定位消电离层组合的IFCB实时改正方法,能够明显改善GLONASS PPP定位的收敛速度和浮点解精度。德国地学研究中心(German Research Centre for Geosciences, GFZ)已经开始发布与接收机类型相关的消电离层组合IFCB[19]。但是,上述研究都是针对观测值组合的IFCB,且难以直接用于GLONASS实时非组合模糊度固定。尤其是异质基线的中长距离RTK定位解算,伪距观测值的IFCB可导致模糊度参数估计偏差,进而模糊度固定困难。

本文针对异质基线GLONASS双差IFCB难以消除的问题,基于HMW组合和消电离层组合观测值,提出一种非组合站间IFCB估计方法,对两个频段伪距观测值的站间IFCB进行研究,并将该算法用于GPS/GLONASS组合RTK定位解算。需要指出的是,本文主要对GLONASS IFCB特性进行研究,IFPB直接采用相关学者发布的先验值进行改正[5],见表 1

表 1 各厂家的GLONASS IFPB变化率先验值 Tab. 1 The priori corrections of GLONASS IFPB rate for receivers of different manufacturers
接收机品牌 IFPB变化率/cm
Trimble -0.7
Javad, JPS, TPS 0.0
Leica, Novatel 2.3
Septentrio 4.9

1 数学模型 1.1 GLONASS站间IFCB估计方法

GLONASS双差观测值可模型化为[5]

(1)

式中,PL分别代表伪距和载波相位观测值,单位为m;ρ表示卫星到测站的几何距离;pq为GLONASS卫星PRN,pq表示星间单差,q为参考星;mn为基线测站编号,mn表示站间单差;T为对流层延迟;Imn, 1pq为第一频点上的双差电离层延迟;f1f2为观测值频率;τ为IFCB,ι为IFPB,单位为s;λ为载波波长;N为整周模糊度;ξ为多路径和观测噪声;c为光速。GLONASS两个单差模糊度转化为一个双差和一个单差模糊度。由于GLONASS频分多址信号不同卫星的同一频段载波波长相差很小,在毫米级,即λipλiq量级很小,单差模糊度可以直接取近似值引入观测量。

双差HMW(Hatch-Melbourne-Wübbena)组合可分解为一个双差伪距窄巷组合(narrow-lane, NL)和一个双差宽巷载波组合(wide-lane, WL),顾及GLONASS IFB的影响,HMW组合可模型化为[15, 20]

(2)
(3)
(4)

式中

(5)
(6)
(7)

综合式(2)-式(7)可获双差IFCB的窄巷组合,如式(8)所示

(8)

式中,单差宽巷模糊度可以通过伪距观测值和载波观测值做差直接获得。文献[21]中给出了GLONASS宽巷模糊度实时固定方法,IFPB采用先验值修正,于是式(8)等号右侧部分可以实时获取。

GLONASS双差伪距观测值消电离层组合可表示为

(9)

式中,IF表示消电离层组合;等号右侧部分,GNSS RTK定位精度一般能够快速收敛到分米甚至厘米级,获得分米级以上精度的双差星地几何距离ρmnpq;采用GTP2w模型估计,可以获得厘米级精度的对流层干延迟[22-23];IFPB可基于先验信息改正。因此,式(9)右侧部分也能够实时获取。

将对流层湿延迟模型化为天顶对流层湿延迟和VMF1映射函数,可得式(10)

(10)

式中,Tmnpq为对流层模型计算量;为测站天顶对流层湿延迟之差,其映射函数为

基于式(8)和式(10),可得一个GLONASS卫星非组合双差IFCB解算方程

(11)

通过矩阵转换,可将双差IFCB参数变换为站间单差IFCB,如式(12)所示

(12)

为消除方程秩亏,将参考卫星各频段(P1、P2)站间IFCB为0,测站间天顶方向对流层湿延迟等于0,3个条件作为虚拟观测值引入模型,可得非组合站间IFCB的估计模型

(13)
1.2 站间IFCB实时改正的RTK定位解算流程

常规GNSS的RTK函数模型[9]

(14)

式中,δPmn.ipqδLmn.ipq表示双差伪距和载波非组合观测值残差;lp为卫星到流动站的方向余弦向量;mp为对流层延迟映射函数;dx分别为流动站坐标改正向量、模糊度、电离层延迟向量和天顶对流层湿延迟参数。RTK模型中,IFPB先验改正;对流层干延迟采用GTP2w模型改正;每颗卫星设置一个电离层延迟参数。

综合式(1)和式(14)可知,若RTK函数模型未顾及GLONASS站间IFCB,站间IFCB与电离层参数具有相关性,式(14)中电离层和模糊度参数的含义为

(15)
(16)

对于忽略大气延迟参数的短基线RTK,站间IFCB也会影响流动站坐标改正参数的估值,导致模糊度参数收敛速度减缓。

基于上文的GLONASS站间IFCB估计方法,本文提出一种实时修正GLONASS站间IFCB的RTK定位解算模型,如式(17)所示。利用文献[21]的中长距离基线解算模型,进行GPS/GLONASS组合RTK定位,获得GLONASS宽巷整周模糊度和流动站近似坐标,实时估计GLONASS站间IFCB。并将宽巷模糊度作为RTK定位解算的未知参数,构建RTK定位模型,实现站间IFCB改正和RTK定位同步进行

(17)

式中,k为历元编号;[ΔL1k  ΔL2k  ΔP1k  ΔP2k]T为当前历元的双频观测值残差向量;C为卫星到流动站的方向余弦向量;a1ka2k为对角矩阵diag(λ11  λ12  …  λ1α)和diag(λ21  λ22  …  λ2α),α为可见卫星数;Iα×α单位矩阵,Mp为卫星的天顶对流层湿延迟映射函数向量;dx分别为流动站坐标改正向量,所有参与解算卫星的第一频段模糊度、宽巷模糊度、电离层延迟向量和天顶对流层湿延迟参数。

图 1给出了站间IFCB实时改正的RTK定位解算流程,可划分为以下4个步骤:

图 1 站间IFCB实时改正的RTK定位解算 Fig. 1 Real time inter-station IFCB correction algorithm in RTK

(1) 采用式(17)进行RTK定位解算,如果已经改正IFCB,直接输出定位结果,结束当前历元解算。

(2) 若未改正IFCB,则输出双差星站间距和宽巷模糊度固定解,分别与GLONASS伪距双差消电离层组合和HMW组合一起,基于式(8)和式(10),获得双差IFCB窄巷组合和消电离层组合观测量。

(3) 基于双差站间IFCB宽巷组合和消电离层组合,引入参考星“零基准”和站间天顶对流层延迟虚拟观测值,构建式(13)模型,滤波估计站间IFCB,实时改正GLONASS双差伪距观测值。

(4) 站间IFCB改正后,重新开始步骤(1)的解算,输出RTK定位结果。

本文在基线长度小于20 km的RTK定位中忽略大气延迟的影响,中长距离的RTK定位将大气延迟作为参数进行估计。对流层延迟先利用经验模型改正干分量、湿分量作为未知参数估计。将各颗卫星L1的双差电离层延迟作为未知参数估计且历元间不相关。

2 试验与分析 2.1 试验说明

试验数据源为欧洲区域参考框架连续GNSS观测网络(EUREF permanent GNSS network, EPN)24个基准站的观测数据(http://www.epncb.oma.be/index.php)[24],构建12条基线进行RTK定位解算,见表 2。12条基线中BS10为同质基线,其他基线为异质基线。基线长度分布在0~130 km,BS01-BS03基线长度小于5 km;BS04-BS12基线长度在20 km以上。

表 2 基线的测站接收机和天线信息 Tab. 2 Receiver and antenna on the two ends of baselines
基线名 基准站 接收机 天线 流动站 接收机 天线 基线长/km
BS1 GOPE TRIMBLE ALLOY 5.44 TPSCR.G3 TPSH GOP6 SEPT POLARX5 5.3.2 SEPCHOKE_B3E6 SPKE 0.004
BS2 MAR6 SEPT POLARX5 5.3.0 AOAD/M_T OSOD MAR7 TRIMBLE ALLOY 5.43 LEIAR25.R3 LEIT 0.011
BS3 MET3 JAVAD TRE_3 DELTA 3.7.7 JAVRINGANT_DM SCIS METG TRIMBLE NETR9 5.43 TRM59800.00 SCIS 2.8
BS4 PASA LEICA GR30 4.31/7.403 LEIAR20 LEIM SCOA LEICA GR25 4.31 TRM55971.00 NONE 22.1
BS5 PADO SEPT POLARX5 5.3.2 SEPCHOKE_B3E6 SPKE VEN1 LEICA GR30 4.20 LEIAR20 NONE 35.0
BS6 BCLN LEICA GR10 3.11.1639/6.524 LEIAR25.R4 LEIT BELL LEICA GR50 4.31/7.403 LEIAR25.R4 NONE 55.0
BS7 DENT SEPT POLARX4 2.9.6 TRM59800.00 NONE VLIS LEICA GR50 4.31/7.403 LEIAR25.R4 LEIT 58.4
BS8 HEL2 LEICA GR50 4.31.101/7.403 LEIAR25.R4 LEIT RANT JAVAD TRE_3 DELTA 3.7.9 LEIAR25.R4 LEIT 74.5
BS9 TERS SEPT POLARX4 2.9.6 LEIAR25.R4 LEIT BORJ JAVAD TRE_3 DELTA 3.7.9 LEIAR25.R4 LEIT 99.1
BS10 CRAK LEICA GR30 4.31/7.403 LEIAR25.R4 EIT CTAB LEICA GR30 4.31/7.403 LEIAR25.R4 LEIT 103.3
BS11 TOIL LEICA GR25 4.31/6.713 LEIAR25.R4 LEIT VIR2 JAVAD TRE_3 DELTA 3.7.7 JAVRINGANT_DM SCIS 126.0
BS12 LEON LEICA GR25 3.11.1639 LEIAR25 NONE VALA LEICA GR30 4.31/7.403 LEIAR25.R3 NONE 127.6

本文进行了站间IFCB估计及特性分析、实时改正站间IFCB的RTK定位两个试验,其具体试验设置如下:

(1) 站间IFCB估计及特性分析试验。基于2020年DOY 100-DOY 119,20 d,采样间隔30 s,GPS/GLONASS观测数据估计站间IFCB并对其特性进行分析。采用参数可变的序贯最小二乘平差算法估计站间IFCB和测站间天顶对流层湿延迟参数。站间IFCB作为不随时间变化的恒定参数,天顶对流层湿延迟的过程噪声采用随机游走模型表示。顾及GLONASS伪距IFCB的影响,试验设定GLOANSS伪距的先验噪声为0.5 m,GPS伪距先验噪声为0.3 m,GPS和GLONASS载波相位的先验噪声为0.003 m;观测值高度角定权策略为P=1, el>30°; P=sin(el), el≤30°[14, 25]。卫星高度角阈值为7°。由于各颗卫星的站间IFCB估值是基于一定基准的相对值,如果以双差解算的参考星为基准,解算过程中参考星的变换会导致站间IFCB的数值变化。为便于统计分析,站间IFCB单天解估计选取所有可见卫星各频段的站间IFCB之和等于0为基准,以确保整个解算过程的基准统一。

(2) 实时改正站间IFCB的RTK定位试验。利用2020年DOY 119的24 h,采样间隔1 s,GPS/GLONASS观测数据验证本文GLONASS站间IFCB实时改正算法对RTK定位解算的影响。观测值噪声、高度角定权和阈值、对流层延迟估计、站间IFCB估计等策略与试验(1)相同。以参考星的站间IFCB为0作为基准。RTK模糊度解算采用分步固定的部分模糊度固定策略。首先,采用取整算法固定宽巷模糊度,取整阈值为0.25周,浮点解理论成功率大于99.9%。其次,基于宽巷模糊度固定解更新解算方程,采用LAMBDA算法搜索窄巷模糊度,并进行ratio检验[26],ratio阈值设为2.5。如果模糊度搜索未通过ratio检验,则删除搜索区域中高度角最低卫星的模糊度,重新搜索,直到通过ratio检验。RTK定位过程中,当前历元仅继承上一历元的浮点解,滤波解算后,重新进行模糊度搜索固定,以避免继承上一个历元错误的固定解。

为验证实时站间IFCB算法可行性,本文采用单GPS、未改正站间IFCB的GPS/GLONASS组合,以及实时改正站间IFCB的GPS/GLONASS组合3种RTK定位模式,分别以G、GRuc-IFCB和GR rtc-IFCB表示。RTK定位解算每小时初始化一次,统计其收敛时间、首次固定时间、模糊度固定率和定位偏差等指标。

2.2 站间IFCB估计结果和特性分析

图 2给出了GLONASSR01卫星两个频段伪距(P1和P2)的站间IFCB单天解时间序列。各条基线站间IFCB存在明显差异,一些基线的站间IFCB接近3 ns,如基线BS06、BS09、BS12的P2站间IFCB。同一条基线P1和P2站间IFCB的量级存在很大差异,如基线BS04 P1站间IFCB约-0.4 ns,而P2站间IFCB达到2.6 ns。同质基线BS10的站间IFCB估值明显比异质基线小,其P1和P2上站间IFCB估值均小于0.3 ns。站间IFCB单天解估值具有一定的稳定性,如图 3所示,所有基线的GLONASSR01卫星单天解的标准差均小于0.3 ns。受多路径等未模型化误差的影响,基线BS02 P1和基线BS05 P2的站间IFCB标准差较大,分别约0.24 ns和0.28 ns。

图 2 GLONASS R01卫星站间IFCB单天解估值的时间序列 Fig. 2 Daily estimate values of GLONASS R01 inter-station IFCB

图 3 GLONASS R01卫星站间IFCB单天解估值的标准差 Fig. 3 Standard deviation of daily GLONASS R01 inter-station IFCB

图 4中给出了所有基线各颗GLONASS卫星的站间IFCB单天解估值均值。图 4中信息能够证明基于图 2图 3获取的结论具有普适性。以卫星R14为例,基线BS09 P1站间IFCB的量级接近6 ns;基线BS09和BS05的P1站间IFCB之差约10 ns。基线BS01 R12卫星P1站间IFCB小于-0.3 ns,而其P2站间IFCB接近-4 ns。同质基线所有卫星的站间IFCB估值分布在[-0.6, 0.6] ns区间内。

图 4 各颗GLONASS卫星站间IFCB单天解平均值 Fig. 4 The averages of GLONASS inter-station IFCB daily estimate values

图 5给出了R09卫星改正站间IFCB前后的伪距观测值残差。由图 5可知,BS01 P1、BS05 P1、BS09 P1、BS09 P2都存在明显的系统性偏差。例如,BS09 P2的残差分布在区间[0, 5] m之间,均值在2.3 m左右。由于参考卫星的变换,BS05 P1残差在两个观测时段的系统偏差项不同。改正站间IFCB以后,所有卫星的伪距残差分布区间明显向0平移,BS05伪距残差在两个观测时段的分布区间差异也被消除。

图 5 卫星R09改正站间IFCB前后的伪距观测值残差 Fig. 5 Residual errors of R09 pseudorange observations before and after IFCB correction

2.3 站间IFCB改正对RTK定位的影响

站间IFCB导致异质基线双差伪距观测值的系统性偏差,影响RTK定位结果。由于IFCB与接收机类型、固件版本和天线类型相关的复杂特性,甚至同质基线也可能存在系统性偏差。因此,需要采用与接收设备无关的实时校正算法,实现伪距观测值系统性偏差的消除。

图 6给出了短基线BS01、中距离基线BS05和长距离基线BS09的R01、R07和R08 3颗GLONASS卫星站间IFCB实时估值的时间序列。试验数据观测时段2020年DOY 119 UTC 06∶00-06∶30,采样间隔为1 s,每5 min进行一次站间IFCB重新初始化解算。由图 6可知,站间IFCB估值通过约30 s序贯最小二乘平差迭代即可获得分米级的精度,1 min内完成收敛。因此,将迭代1 min的站间IFCB估值用于修正GLONASS伪距观测值具有可行性。

图 6 基线BS09GLONASS卫星站间IFCB实时估值时间序列 Fig. 6 Time series of GLONASS inter-station IFCB estimates on baseline BS09

采用G、GR uc-IFCB和GR rtc-IFCB 3种模式分别进行RTK定位解算。图 7图 8给出了基线BS01和BS09的GLONSS和GPS卫星模糊度浮点解偏差。短基线RTK场景下,忽略了双差大气延迟的影响,GLONASS站间IFCB在解算过程中主要归入残差向量,需要通过更长时间的滤波,才可以获得准确的模糊度浮点解。因此,短基线BS01,未改正站间IFCB时,GLONASS卫星需要约6 min时间才能获得稳定的高精度模糊度参数浮点解,站间IFCB实时改正算法可将收敛时间缩短到3 min以内;如图 8左侧图所示,改正站间IFCB可以明显加快GPS卫星模糊度浮点解收敛。在中长基线RTK场景下,需估计电离层和对流层延迟参数,由于电离层参数与站间IFCB的强相关性,导致电离层参数估值产生偏差,进而影响模糊度浮点解。修正GLONASS伪距观测值对中长基线RTK定位至关重要,可有效消除估计参数偏差,改善模糊度准确度,提高模糊度固定率和RTK定位性能。

图 7 GLONSS卫星宽巷和窄巷模糊度浮点解偏差 Fig. 7 The bias of GLONASS satellite wide-lane and narrow-lane ambiguity float solutions

图 8 GPS卫星G13宽巷和窄巷模糊度浮点解偏差 Fig. 8 The bias of GPS satellite G13 wide-lane and narrow-lane ambiguity float solutions

图 9统计了所有基线不同模型RTK解算模式下的收敛时间。本文将RTK定位水平方向偏差稳定在小于0.1 m作为判定收敛完成的阈值[14, 27]。基线BS04、BS08和BS09受站间IFCB的影响,GPS/GLONASS组合RTK定位收敛速度较单GPS RTK定位变慢。站间IFCB实时改正后,GPS/GLONASS组合RTK收敛速度明显加快,大部分基线的收敛时间减小到单GPS RTK的60%以下,解决了因引入GLONASS卫星导致异质基线收敛速度降低的问题。站间IFCB改正算法对同质基线BS10 GPS/GLONASS组合RTK定位收敛时间的影响很小。基线BS06因流动站数据质量较差,定位收敛速度较慢,单GPS RTK需要约90 s完成收敛。

图 9 不同模式RTK解算的收敛时间 Fig. 9 Convergence time of RTK positioning solutions

采用式(18)和式(19)统计模糊度固定成功率Psuc和正确率Pcor

(18)
(19)

式中,namb为解算中模糊度参数的总数;nfixed为固定的模糊度参数个数;ncorrect为正确固定的模糊度参数个数。

站间IFCB改正能够显著提高中长距离基线的GPS和GLONASS卫星模糊度固定成功率和正确率,如图 10图 11所示。站间IFCB导致基线BS09的GLONASS卫星窄巷模糊度固定成功率低至52%,改正后提高到约90%,模糊度固定正确率也从85%提高到96%。短基线(BS01-BS04),双差大气延迟量级较小,可忽略,模糊度固定容易,改正站间IFCB对模糊度固定的影响不大。但是,当站间IFCB量级很大时,改正站间IFCB对提高模糊度固定效率十分必要。

图 10 RTK定位解算模糊度参数固定成功率 Fig. 10 The successful fixing rates of ambiguity parameters in RTK solution

图 11 RTK定位解算模糊度参数固定正确率 Fig. 11 The correct fixing rates of ambiguity parameters in RTK solution

采用分步部分模糊度固定策略获得RTK固定解,统计其首次固定时间、固定解比率和固定解偏差RMS,如图 12图 13所示。以EPN网站发布的坐标值作为参考站和流动站坐标的真值。与上文试验结果类似,站间IFCB改正算法能够明显改善中长距离基线GPS/GLONASS组合RTK定位性能。相比单GPS,站间IFCB导致基线BS09的GPS/GLONASS组合RTK首次固定时间变长且固定解比率降低。进行站间IFCB改正后,首次固定时间统计值从9.2 s提高到2.1 s,固定解比率从84.5%提高到97.9%。由于短基线RTK能够实时获得固定解,站间IFCB改正对定位结果的影响不明显。改正站间IFCB后,模糊度固定率提高,RTK固定解的定位偏差也有不同程度的改善。如基线BS12东北天方向的定位偏差RMS分别从2.5、2.8、6.1 cm提高到2.3、2.4、5.0 cm,其中高程方向改善率达18%。

图 12 RTK定位首次获取固定解时间和固定解比率 Fig. 12 Time to first fixed and rates of RTK fixed solutions

图 13 RTK定位固定解ENU方向的RMS Fig. 13 Positioning bias RMS of RTK fixed solutions on E/N/U direction

3 结论

本文提出了一种不依赖测站设备信息的站间IFCB实时估计方法,对GLONASS卫星各频段站间IFCB进行了特性分析,并将站间IFCB实时改正算法应用于GPS/GLONASS组合RTK定位,获得了以下结论:

(1) 站间IFCB单天解具有一定的稳定性,20 d内单天解估值的标准差小于0.3 ns,同一条基线不同频段站间IFCB的量级存在很大差异,可达几个纳秒。站间IFCB会导致异质基线RTK解算模糊度固定失败,甚至个别基线GPS/GLONASS组合定位的性能比单GPS差。

(2) 将站间IFCB实时估计算法用于GPS/GLONASS组合RTK定位,能够显著改善GPS/GLONASS组合RTK定位性能。对于受站间IFCB影响严重的基线,算法能够将GLONASS卫星窄巷模糊度固定成功率从52%提高到90%以上,东北天方向的定位偏差RMS分别从2.5、2.8、6.1 cm提高到2.3、2.4、5.0 cm。


参考文献
[1]
WANNINGER L, WALLSTAB-FREITAG S. Combined processing of GPS, GLONASS, and SBAS Code phase and carrier phase measurements[C]//Proceedings of 2011 International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. [S. l.]: Fort Worth Press, 2007: 866-875.
[2]
REUSSNER N, WANNINGER L. GLONASS inter-frequency biases and their effects on RTK and PPP carrier-phase ambiguity resolution[C]//Proceedings of Inter-national Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Portland, Oregon, USA: [s. n.], 2011, 10(1): 712-716.
[3]
SLEEWAGEN J, SIMSKY A, WILDE W, et al. Demystifying GLONASS inter-frequency carrier phase biases[J]. Inside GNSS, 2012, 7(3): 57-61.
[4]
GENG J, ZHAO Q, SHI C, et al. A review on the inter-frequency biases of GLONASS carrier-phase data[J]. Journal of Geodesy, 91(3): 329-340. DOI:10.1007/s00190-016-0967-9
[5]
WANNINGER L. Carrier-phase inter-frequency biases of GLONASS receivers[J]. Journal of Geodesy, 2012, 86(2): 139-148. DOI:10.1007/s00190-011-0502-y
[6]
BANVILLE S, COLLINS P, LAHAYE F. GLONASS ambiguity resolution of mixed receiver types without external calibration[J]. GPS Solutions, 2013, 17(3): 275-282. DOI:10.1007/s10291-013-0319-7
[7]
GENG J, BOCK Y. GLONASS fractional-cycle bias estimation across inhomogeneous receivers for PPP ambiguity resolution[J]. Journal of Geodesy, 2015, 90(4): 379-396. DOI:10.1007/s00190-015-0879-0
[8]
JIANG W, AN X, CHEN H, et al. A new method for GLONASS inter-frequency bias estimation based on long baselines[J]. GPS Solutions, 2017, 21(4): 1765-1779. DOI:10.1007/s10291-017-0652-3
[9]
TIAN Y, GE M, FRANK N, et al. Improvements on the particle-filter-based GLONASS phase inter-frequency bias estimation approach[J]. GPS Solutions, 2018, 22(5): 1771-1780. DOI:10.1007/s10291-018-0735-9
[10]
隋心, 徐爱功, 郝雨时, 等. 实时GLONASSS相位频间偏差粒子群优化估计方法[J]. 测绘学报, 2018, 47(5): 584-591.
SUI Xin, XU Aigong, HAO Yushi, et al. Real-time estimation method for GLONASS phase inter-frequency bias based on particle swarm optimization[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2018, 47(5): 584-591. DOI:10.11947/j.AGCS.2018.20170391
[11]
HAUSCHILD A, MONTENBRUCK O. A study on the dependency of GNSS pseudorange biases on correlator spacing[J]. GPS Solutions, 2014, 18(2): 159-171. DOI:10.1007/s10291-014-0426-0
[12]
YAMADA H, TAKASU T, KUBO N, et al. Evaluation and calibration of receiver inter-channel biases for RTK-GPS/GLONASS[C]//Proceedings of ION GNSS 2010, Portland, Oregon, USA: [s. n.], 2010: 1580-1587.
[13]
SHI C, YI W, SONG W, et al. GLONASS pseudorange inter-channel biases and their effects on combined GPS/GLONASS precise point positioning[J]. GPS Solutions, 2013, 17(4): 439-451. DOI:10.1007/s10291-013-0332-x
[14]
刘志强, 王解先, 段兵兵. 单站多参数GLONASS码频间偏差估计及其对组合精密单点定位的影响[J]. 测绘学报, 2015, 44(2): 150-159.
LIU Zhiqiang, WANG Jiexian, DUAN Bingbing. Estimation of GLONASS code inter- frequency biases with multiple parameters based on a single station and its impaction on combined precise point positioning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2015, 44(2): 150-159. DOI:10.11947/j.AGCS.2015.20130800
[15]
徐龙威, 刘晖, 舒宝, 等. GLONASS频间码偏差特性分析及其在宽巷模糊度固定中的应用[J]. 测绘学报, 2018, 47(4): 465-472.
XU Longwei, LIU Hui, SHU Bao, et al. Characteristics of GLONASS inter-frequency code bias and its application on wide-lane ambiguity resolution[J]. Acta Geodaeticaet Cartographica Sinica, 2018, 47(4): 465-472. DOI:10.11947/j.AGCS.2018.20170430
[16]
LIU Y, GE M, SHI C, et al. Improving integer ambiguity resolution for GLONASS precise orbit determination[J]. Journal of Geodesy, 2016, 90(8): 715-726. DOI:10.1007/s00190-016-0904-y
[17]
AL-SHAERY A, ZHANG S, RIZOS C. An enhanced calibration method of GLONASS inter-channel bias for GNSS RTK[J]. GPS Solutions, 2013, 17(2): 165-173. DOI:10.1007/s10291-012-0269-5
[18]
CHEN L, LI M, HU Z, et al. Method for real-time self-calibrating GLONASS code inter-frequency bias and improvements on single point positioning[J]. GPS Solutions, 2018, 22(4). DOI:10.1007/s10291-018-0774-2
[19]
MONTENBRUCK O, STEIGENBERGER P, PRANGE L, et al. The multi-GNSS experiment (MGEX) of the international GNSS service (IGS)-achievements, prospects and challenges[J]. Advances in Space Research, 2017, 59(7): 1671-1697. DOI:10.1016/j.asr.2017.01.011
[20]
ZHANG X, HE X, LIU W. Characteristics of systematic errors in the BDS Hatch-Melbourne-Wübbena combination and its influence on wide-lane ambiguity resolution[J]. GPS Solutions, 2017, 21(1): 265-277. DOI:10.1007/s10291-016-0520-6
[21]
XU L, LIU H, SHU B, et al. GLONASS real-time wide-lane ambiguity resolution with an enhanced geometry-based model for medium-range baselines[J]. Advances in Space Research, 2018, 62(9): 2467-2479. DOI:10.1016/j.asr.2018.07.027
[22]
BÖHM J, MÖLLER G, SCHINDELEGGER M, et al. Development of an improved empirical model for slant delays in the troposphere (GPT2w)[J]. GPS Solutions, 2014, 18(3): 433-441. DOI:10.1007/s10291-014-0403-7
[23]
FAN H. A two-step estimation method of troposphere delay with consideration of mapping function errors[J]. Journal of Geodesy and Geoinformation Science, 2020, 3(1): 76-84. DOI:10.11947/j.JGGS.2020.0108
[24]
BRUYNINX C, LEGRAND J, FABIAN A, et al. GNSS metadata and data validation in the EUREF permanent network[J]. GPS Solutions, 2019, 23(4): 106. DOI:10.1007/s10291-019-0880-9
[25]
李敏. 多模GNSS融合精密定轨理论及其应用研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2011.
LI Min. Research on multi-GNSS precise orbit determination theory and application[D]. Wuhan: Wuhan University, 2011.
[26]
TEUNISSEN P.J.G. The least-squares ambiguity decorrelation adjustment: a method for fast GPS integer ambiguity estimation[J]. Journal of Geodesy, 1995(70): 65-82.
[27]
LI X, LV H, MA F, et al. GNSS RTK positioning augmented with large LEO constellation[J]. Remote Sensing, 2019, 11(3): 228. DOI:10.3390/rs11030228
http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2022.20200416
中国科学技术协会主管、中国测绘地理信息学会主办。
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文章信息

徐龙威,吴忠望,董绪荣
XU Longwei, WU Zhongwang, DONG Xurong
GLONASS频间码偏差实时估计方法及其在RTK定位中的应用
A real-time estimating algorithm of GLONASS inter-frequency code bias and its application in RTK
测绘学报,2022,51(2):169-181
Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(2): 169-181
http://dx.doi.org/10.11947/j.AGCS.2022.20200416

文章历史

收稿日期:2020-09-06
修回日期:2021-11-05

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