葛悉佑,李蕾，潘宇明

(天津市勘察院,天津 300191)

P1C1码偏差对精密单点定位收敛速度影响分析

葛悉佑,李蕾，潘宇明

(天津市勘察院,天津 300191)

本文分析卫星端差分码偏差(DCB)产生的原理,根据伪距观测方程推导了精密单点定位(PPP)的DCB改正公式。采用MGEX参考站数据及精密产品进行PPP解算,详细分析了P1C1码偏差对定位参数收敛时间的影响。结果表明,改正DCB对于提高PPP收敛速度效果明显,其中静态PPP收敛时间平均缩短10 min,动态PPP平均缩短20 min,改正P1C1-DCB对PPP精度影响一般在毫米级水平。

精密单点定位;收敛时间;差分码偏差

0 引 言

GPS信号在卫星和接收机内部传播过程中会产生时间延迟,称之为硬件延迟,不同频率、或同一频率不同类型的观测信号由于传播链路的差异造成硬件延迟的差异,常用信号差分码偏差来表示不同伪距信号的硬件延迟差异[1],DCB是利用GPS观测数据解算电离层总电子含量的最大误差源之一,是影响导航定位和授时精度的重要因素[2]。GPS卫星端的DCB可达到十几纳秒,对伪距的影响达到米级[3],随着用户对导航定位精度要求的逐渐提高,在导航定位解算过程中必须要进行DCB改正。

从1999年4月开始,GPS卫星开始播发由JPL近实时计算的TGD参数,替代原有出厂标定的参数,显著提高了单频用户定位与授时精度[4]。各导航系统TGD参数定义并不相同,TGD和DCB之间也有一定差异,郭斐等从公式计算的角度给出了DCB与TGD的含义,详细分析了北斗与GPS系统的TGD差异,并给出了在单点定位中TGD和DCB的改正方法[5]。王宁波等分析了GPS广播星历中ISC(Inter-signal correction)参数的精度及其对导航定位的影响[6]。本文分析卫星端DCB产生的原理,根据伪距观测方程推导了精密单点定位的DCB改正公式。采用MGEX参考站数据及精密产品进行PPP解算,详细分析了P1C1码偏差对定位参数收敛时间的影响。

1 GPS DCB改正方法

忽略伪距观测值原始方程式中的多路径和噪声等误差的GNSS伪距观测值Pi(i=1,2,3)可简化表示为[3]

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ISCL1C/A即为L1P(Y)和L1 C/A的差分码偏差DCB-P1C1,这一参数在部分导航电文中给出,也可以在CODE DCB产品中查找到。

对于GPS来说,不管是在广播星历还是在精密星历中所给出的钟差改正参数,都是基于调制在L1和L2载波上的双P码L1P(Y)、L2P(Y)来测定或预报的[1],所以产品中提供的卫星钟差δts就包含P1码和P2码的卫星硬件延迟,根据(1)可知,采用P1P2码的无电离层组合观测方程为

P3=ρ+T+c(δtr-δts).

(5)

定位时若C1码替代P1码,则根据式(4)得到C1P2无电离层组合观测方程为

P3=ρ+T+c(δtr-δts)+

(6)

研究表明,C1和P1伪距差值可达±1 ns[8],在精密单点定位中必须精细考虑P1C1码间偏差的影响。

2 数据处理及分析

表1 实验选取MGEX站基本信息

表2 P1C1差分码偏差值和精度

实验中采用MGEX发布的GFZ产品,包括5 min.间隔的精密星历和30 s间隔的精密钟差产品以及对应的PCO(Phase Center Offsets)和PCV(Phase Center Variations)改正值进行PPP解算,具体计算策略如表3所示。将结果与IGS周解文件中的测站坐标或者发布机构提供的参考坐标做差[9-11],获得E、N、U三个方向上的坐标偏差以分析PPP精度和收敛时间,本文中的收敛定义为E、N、U各方向上定位偏差均小于0.1 m,为确保结果的可靠性,同时应保证收敛时刻的后续20个连续历元的位置偏差均小于0.1 m,才认为当前历元为收敛历元。

表3 PPP处理策略和参数设置

对5个测站7天的数据分别进行静态、动态前向卡尔曼滤波,并统计每个数据的收敛时间。图1示出了DOY(Day of Year)050 GMSD站P1C1-DCB改正前后静态PPP定位偏差序列前100个历元,图2示出了DOY 045 CUT0站P1C1改正前后动态PPP定位偏差序列前500个历元。从图1和图2可以看出,改正前的静态PPP收敛时间为15～20 min,动态PPP收敛时间较长,约为50 min,改正P1C1-DCB的效果明显,分别使静态PPP收敛时间下降为10 min,动态PPP收敛时间下降为30 min.所以,改正P1C1-DCB的PPP在初始化阶段明显收敛加快,定位精度更高。

但是改正P1C1对于PPP收敛之后精度提高程度并不大,可以从表4中看出,静态PPP单天解精度可达到毫米级,动态解精度为厘米级;改正P1C1-DCB对PPP精度影响不大,一般在毫米级水平。

图3示出了各测站P1C1-DCB改正前后静态和动态PPP平均收敛时间,其中CUT0站改正前静态PPP收敛时间36 min,动态PPP收敛时间45 min,改正后的静态、动态PPP收敛时间分别为19、33 min,GMSD站改正前静态PPP收敛时间15 min,动态PPP收敛时间57 min,改正后的静态、动态PPP收敛时间分别为13、22 min.各测站进行P1C1-DCB改正的PPP收敛速度普遍有所提高,其中静态PPP收敛时间平均缩短10 min,动态PPP平均缩短20 min;JFNG站收敛速度提高最明显,其中静态PPP收敛速度提高62.04%,动态提高57.29%.

图1 DOY050 GMSD站P1C1改正前后静态PPP定位偏差序列(a)改正前；(b)改正后

图2 DOY045 CUT0站P1C1改正前后动态PPP定位偏差序列(a)改正前；(b)改正后

图3 各测站P1C1-DCB改正前后静态和动态PPP平均收敛时间(a)静态；(b)动态

测站时间静态动态E/mN/mU/mE/mN/mU/mcut0改正后0.0100.0050.0120.0200.0160.039改正前0.0090.0070.0160.0200.0160.049djig改正后0.0070.0050.0140.0180.0130.035改正前0.0090.0050.0150.0220.0140.038gmsd改正后0.0090.0080.0140.0220.0170.047改正前0.0100.0080.0140.0280.0190.051jfng改正后0.0070.0060.0160.0260.0190.038改正前0.0080.0060.0150.0310.0220.044sin1改正后0.0150.0090.0220.0690.0370.108改正前0.0180.0100.0200.0990.0410.119

3 结束语

本文采用GFZ精密钟差和轨道以及CODE提供的P1C1-DCB产品,基于5个MGEX站一周的数据进行GPS静态、动态PPP解算实验,对改正P1C1-DCB前后的PPP结果进行对比分析,结果表明,改正DCB对于提高PPP收敛速度效果明显,其中静态PPP收敛时间平均缩短10 min,动态PPP平均缩短20 min,改正P1C1-DCB对PPP精度影响一般在毫米级水平。

致谢: 感谢IGS MGEX机构提供GNSS数据和产品,感谢CODE提供的DCB产品。

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TheImpactAnalysisofP1C1CodeBiasonConvergenceofPPP

GEXiyou,LILei,PANYuming

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigation&Surveying,Tianjin300191,China)

This paper analyzed the satellite differential code bias (DCB) generated principle. Deduced the DCB correction formula of PPP. With multi-GNSS experiment data and precise clock/orbit/dcb products, this paper undertakes a thorough evaluation of DCB’s influence on convergence of PPP. The results show the convergence time obviously reduced when corrected P1C1-DCB, in which the static PPP convergence time is reduced by an average of 10 minutes, dynamic PPP average reduced by an average of 20 minutes, correct P1C1-DCB on PPP accuracy is generally in millimeter level.

PPP; covergence time; DCB

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.004

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0022-05

2017-05-12

联系人: 潘宇明 E-mail: ympan@whu.edu.cn

葛悉佑(1986-)，男，工程师，主要从事项目管理、测量新技术研究和开发的工作。

李蕾(1987-)，男，硕士，工程师，主要从事CORS研发的工作。

潘宇明(1990-)，男，硕士，助理工程师，主要从事CORS研发的工作。