Galileo长基线定位中四频电离层延迟改正方法分析_吕震.pdf
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1、第3 2卷第3期测 绘 工 程V o l.3 2N o.32 0 2 3年5月E n g i n e e r i n go fS u r v e y i n ga n dM a p p i n gM a y2 0 2 3D O I:1 0.1 9 3 4 9/j.c n k i.i s s n 1 0 0 6-7 9 4 9.2 0 2 3.0 3.0 0 5G a l i l e o长基线定位中四频电离层延迟改正方法分析吕 震1,王振杰1,刘金萍2,宋建平2,隗 骏2,周 浩3(1.中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院,山东 青岛2 6 6 5 8 0;2.中石化石油工程地球物理有限公司胜
2、利分公司,山东东营2 5 7 1 0 0;3.青岛北斗陆海科技有限公司,山东 青岛2 6 6 5 5 5)摘 要:针对电离层延迟会对长基线定位精度造成影响的问题,提出一种采用G a l i l e o四频信号的四频弱电离层组合方法,通过构造弱电离层相位组合观测值建立定位方程,进而采用最小二乘平差方法实现弱电离层组合模糊度和三维基线坐标参数的解算。采用G a l i l e o四频数据对比分析了四频I R组合方法和基于F C A R模型的电离层延迟参数估计方法的长基线定位精度,实验结果表明,当基线长度超过5 0 0k m时,四频I R组合方法在水平和垂直方向的定位精度均可达到d m级,相较于电离
3、层延迟参数估计方法,可以有效改善水平和垂直方向的定位结果,定位精度提升幅度可分别达到1 5%和3 0%以上。相对定位精度达到11 0-9m,满足高精度相对定位要求。关键词:G a l i l e o;长基线;四频;参数估计;弱电离层组合中图分类号:P 2 2 8 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 4 9(2 0 2 3)0 3-0 0 2 7-0 8A n a l y s i so f f o u r-f r e q u e n c y i o n o s p h e r i cd e l a yc o r r e c t i o nm e t h o d i nG a l i
4、 l e o l o n g-b a s e l i n ep o s i t i o n i n gL VZ h e n1,WAN GZ h e n j i e1,L I UJ i n p i n g2,S o n gJ i a n p i n g2,WE I J u n2,Z HOU H a o3(1.C o l l e g eo fO c e a n o g r a p h ya n dS p a c e I n f o r m a t i c s,C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m(E a s tC h i n a),Q i
5、 n g d a o2 6 6 5 8 0,C h i n a;2.S i n o p e cG e o p h y s i c a lC o.,L t d.,S h e n g l iB r a n c h,D o n g y i n g2 5 7 1 0 0,C h i n a;3.Q i n g d a oB e i d o uL a n d-s e aT e c h n o l o g yC o.,L t d.,Q i n g d a o2 6 6 5 5 5,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h ep r o b l e m t h
6、a tt h ei o n o s p h e r i cd e l a y w i l la f f e c tt h el o n g-b a s e l i n ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y,t h i sp a p e rp r o p o s e saf o u r-f r e q u e n c yi o n o s p h e r e-r e d u c e dc o m b i n a t i o nm e t h o du s i n gt h eG a l i l e of o u r-f r e q u e n c ys i
7、g n a l.T h ep o s i t i o n i n ge q u a t i o ni se s t a b l i s h e db yc o n s t r u c t i n gt h ei o n o s p h e r e-r e d u c e dp h a s ec o m b i n e do b s e r v a t i o n s,a n dt h e nt h el e a s ts q u a r e sa d j u s t m e n t m e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h ei o n o s
8、p h e r e-r e d u c e dc o m b i n e da m b i g u i t ya n dt h r e e-d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ep a r a m e t e r s.T h el o n g-b a s e l i n ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h ef o u r-f r e q u e n c yI Rc o m b i n a t i o n m e t h o da n dt h ei o n o s p h e r i cd e l
9、a yp a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o db a s e do nt h eF C A Rm o d e l i sc o m p a r e da n da n a l y z e du s i n gG a l i l e o f o u r-f r e q u e n c yd a t a.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h eb a s e l i n e l e n g t he x c e e d s5 0 0k m,t h e
10、p o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ff o u r-f r e q u e n c yI R c o m b i n a t i o n m e t h o dc a nr e a c ht h ed e c i m e t e rl e v e li nt h e h o r i z o n t a la n d v e r t i c a ld i r e c t i o n s.C o m p a r e dw i t ht h e i o n o s p h e r i cd e l a yp a r a m e t e re s t i m
11、a t i o nm e t h o d,i tc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep o s i t i o n i n gr e s u l t si nt h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o n s,a n dt h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yc a nb ei m p r o v e db ym o r et h a n1 5%a n dm o r et h a n3 0%r e s p e c t i v
12、e l y.T h er e l a t i v ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yr e a c h e s11 0-9m,w h i c hm e e t s t h er e q u i r e m e n t so fh i g h-p r e c i s i o nr e l a t i v ep o s i t i o n i n g.K e yw o r d s:G a l i l e o;l o n g-b a s e l i n e;f o u r-f r e q u e n c y;p a r a m e t e re s t i m
13、 a t i o n;i o n o s p h e r e-r e d u c e dc o m b i n a t i o n收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 5基金项目:中国石化集团公司科技攻关项目(J P 2 1 0 0 0 4)第一作者简介:吕 震(1 9 9 7-),男,硕士研究生通信作者简介:王振杰(1 9 6 8-),男,教授,博士.相较于短距离相对定位,长基线定位中卫星信号在传播过程中会受到更多误差的影响,其中电离层延迟误差是影响定位精度的主要误差源之一。目前许多学者针对定位中的电离层延迟误差问题展开了研究。当用户利用单频信号进行定位时,由于不能消除一阶电离层延迟,因此主
14、要是借助电离层模型达到修正电离层延迟的目的。美国的G P S系统常采用K l o b u c h a r8模型进行电离层延迟修正1。对于我国的北斗三号全球卫星导航系统来说,其不仅可以采用K l o b u c h a r8模型对电离层进行评估2,还可以通过在新的信号上向用户播发基于北斗全球电离层延迟修正模型(B e i d o ug l o b a l i-o n o s p h e r i cd e l a yc o r r e c t i o n m o d e l,B D G I M)的电离层延迟改正参数,从而实现电离层延迟的修正3。欧洲的G a l i l e o(G a l i l
15、e os a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m)系统主要采用N e Q u i c k模型作为其电离层延迟改正的基础模型4。对于双频用户而言,通常采用双频伪距或相位消电离层组合方法实现电离层延迟误差的消除5,G L ONA S S(g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l-l i t es y s t e m)系统通常基于自身的双频观测值实现电离层延迟的修正6,但是双频组合只能消除电离层误差的一阶项,高精度定位中还应该考虑二阶甚至三阶改正。此外由于总电子含量(t o t a le l e c t r o
16、 nc o n t e n t,T E C)是描述电离层形态和结构的重要参量,因此也可以通过利用双频数据对电离层T E C进行提取7。随着卫星信号频率的增加,部分学者采用三频信号对定位解算中的电离层延迟问题展开研究,文献8 在G P S现代化后充分利用增加的第三个导航频率,提出应用3个频率改正电离层折射误差至二阶项的方法。文献9 进一步提出了对G P S电离层折射误差进行二阶三频的改正方法。此外文献1 0-1 1 通过构造三频消电离层组合实现了对电离层延迟误差的消除,区别于构造消电离层组合的方式,文献1 2-1 5 采用参数估计策略实现了对电离层延迟残差的有效分离。上述研究均是基于3个频率以内
17、的信号对定位中电离层延迟修正方法问题进行探讨,G a l i l e o系统作为欧洲自主研发且不受军方控制的多频全球卫星导航系统,随着2 0 2 1年1 2月5日第2 7和2 8颗G a l i l e o卫星的成功发射,当前发射卫星已达到2 8颗。G a l i l e o系统可以在E 1(15 7 5.4 2 0MH z),E 5(11 9 1.7 9 5 MH z),E 5 a(11 7 6.4 5 0MH z),E 5 b(12 0 7.1 4 0MH z),E 6(12 7 8.7 5 0 MH z)5个频点上提供服务1 6,这使采用三频以上信号对长基线定位中电离层延迟误差改正方法进
18、行研究成为可能。本文选用其中的E 1/E 5 a/E 5 b/E 64个频点,提出一种基于G a l i l e o四频信号的弱电离层(i o n o s p h e r e-r e d u c e d,I R)组合定位解算方法,该模型构造了弱电离层相位组合观测值,进而采用最小二乘平差方法实现对弱电离层组合模糊度和三维基线坐标参数进行解算,并通过I G S提供的两条长基线数据对提出的四频I R组合方法与传统的电离层延迟参数估计方法的长基线定位性能进行对比分析。1 四频组合观测模型假设四频组合系数为(i,j,k,l),那么四频双差伪距与相位观测方程可分别表示为1 7:P(i,j,k,l)=+T+
19、(i,j,k,l)I1+(i,j,k,l)I2+P(i,j,k,l);(1)(i,j,k,l)=+T-(i,j,k,l)I1-(i,j,k,l)I2-(i,j,k,l)N(i,j,k,l)+(i,j,k,l).(2)式中:P(i,j,k,l)和(i,j,k,l)分别为四频双差伪距与相位观测值;为双差站星几何距离;T为双差对流层延迟;I1和I2分别为频率f1对应的双差相位一阶和二阶电离层延迟;(i,j,k,l)为一阶电离层延迟尺度因子,计算式见式(3);(i,j,k,l)为二阶电离层延迟尺度因子,计算式见式(4);(i,j,k,l)为四频组合波长,表达式为(i,j,k,l)=c/f(i,j,k,
20、l),其中c为光速;N(i,j,k,l)为四频双差整周模糊度,表达式为N(i,j,k,l)=iN1+jN2+kN3+lN4;P(i,j,k,l)和(i,j,k,l)分别为四频双差伪距和相位观测噪声。(i1,i2,ik)=f21(i/f1+j/f2+k/f3+l/f4)/f(i,j,k,l).(3)(i1,i2,ik)=f31(i/f1+j/f2+k/f3+l/f4)/f(i,j,k,l).(4)式中:f(i,j,k,l)为四频组合频率,表达式为f(i,j,k,l)=if1+jf2+kf3+lf4。其中,四频双差伪距观测值P(i,j,k,l)和四频双差相位观测值(i,j,k,l)可进一步表示为:
21、P(i,j,k,l)=(if1P1+jf2P2+kf3P3+lf4P4)/f(i,j,k,l);(5)(i,j,k,l)=(if11+jf22+kf33+lf44)/f(i,j,k,l).(6)假设4个频率观测值的观测噪声相等且相互独立,即P1=P2=P3=P4=P,其 中P表示伪距观测值噪声;1=2=3=4=,其中P表示相位观测值噪声,那么四频伪距组合和四频相位组合的观测噪声精度需满足:2P(i,j,k,l)=2(i,j,k,l)2P,(7)2(i,j,k,l)=2(i,j,k,l)2.(8)式中:(i,j,k,l)为观测噪声放大因子,其算式为:82测 绘 工 程 第3 2卷(i1,i2,i
22、k)=(i1f1)2+(i2f2)2+(ikfk)2/f(i,j,k,l).(9)此 外,可 以 用 模 糊 度 电 离 层 延 迟 影 响 系 数(i,j,k,l)表示电离层延迟对整周模糊度解算的影响,如式(1 0)所示;用模糊度噪声放大系数(i,j,k,l)表示观测噪声对整周模糊度解算的影响1 8,如式(1 1)所示。(i,j,k,l)=f21(i/f21+j/f22+k/f23+l/f24)/c,(1 0)(i,j,k,l)=i2+j2+k2+l2.(1 1)2 基于F C A R模型的电离层延迟参数估计方法 F C A R(f o u r-f r e q u e n c yc a r
23、r i e ra m b i g u i t yr e s o-l u t i o n)模型作为一种依照波长由长到短顺序逐级固定模糊度的模型,在利用四频信号进行原始窄巷模糊度解算过程中较为常用。在无几何模式下该模型仅具有模糊度解算的功能,但是在有几何模式下该模型不仅可以对模糊度参数进行求解,而且可以同时对基线坐标等其它参数进行估计1 9。为此,基于有几何模式下的F C A R模型,可以在待估参数中加入电离层延迟参数,以一阶电离层延迟因子作为其系数,并采用最小二乘平差方法对不同待估参数进行估计。这里假设四频伪距组合系数为(m,n,p,q),4组四频相位组合系数为(i1,j1,k1,l1)、(i2
24、,j2,k2,l2)、(i3,j3,k3,l3)和(i4,j4,k4,l4)。模 型如下:P(m,n,p,q)(i1,j1,k1,l1)=-l-m-nP0-l-m-n-1-1 X Y ZN1,(1 2)(i1,j1,k1,l1)(i2,j2,k2,l2)=-l-m-n-10-l-m-n-2-2 X Y ZN2,(1 3)(i2,j2,k2,l2)(i3,j3,k3,l3)=-l-m-n-20-l-m-n-3-3 X Y ZN3,(1 4)(i1,j1,k1,l1)(i2,j2,k2,l2)(i3,j3,k3,l3)(i4,j4,k4,l4)=-l-m-n-10-l-m-n-20-l-m-n-3
25、0-l-m-n-4-4 X Y ZN4.(1 5)式 中:P(m,n,p,q)为 双 差 伪 距 组 合 观 测 值;(i1,j1,k1,l1)、(i2,j2,k2,l2)、(i3,j3,k3,l3)和(i4,j4,k4,l4)为4组 双 差 相 位 组 合 观 测 值;(i1,j1,k1,l1)、(i2,j2,k2,l2)和(i3,j3,k3,l3)为 经过模糊度改正后的前3组双差相位组合观测值;l、m、n为北东天3个方向的方向余弦;X、Y、Z为3个方向的坐标分量偏差;为双差电离层延迟估计量;N1,N2,N3和N4分别为4组双差组合模糊度。利用4个频率的伪距或相位观测值可以组成不同的组合观测
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