GPS相位观测值中的周跳改正自动化

中国科学院上海天文台年刊１９９８年第１９期ＡＮＮＡＬＳＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＯＢＳＥＲＶＡＴＯＲＹＡＣＡＤＥＭＩＡＳＩＮＩＣＡＮｏ．１９，１９９８ＧＰＳ相位观测值中的周跳改正自动化熊永清（中国科学院上海天文台，上海２０００３０）提要总结了ＧＰＳ相位数据预处理中探测周跳和修复周跳的方法，基于对这些方法的理解，介绍了一个比较有效的自动进行周跳修复的软件ＡＵＴＣＬＮ。在它的帮助下，可以减少大量的手工编辑操作，更加有效地处理ＧＰＳ数据。主题词：ＧＰＳ接收机—全球定位系统—数据处理—定位分类号：Ｐ１１１．５１引言ＧＰＳ接收机在接收ＧＰＳ卫星的载波相位时，由于各种原因造成卫星信号突然瞬时中断，以至于载波相位的测量被中断，结果在观测值中产生一个非常大的偏差，这种现象在ＧＰＳ数据处理中被称为卫星信号“失锁”。当ＧＰＳ接收机重新对该卫星锁定并记录相位观测值时，由于相位观测的特殊性，只有相位观测的小数部分是正确的，而整数部分就不再正确，不能和失锁前的相位整数部分保持连续，产生一个系统的整数偏差，通常称为“周跳”。一般情况下，周跳从１周到几十周。对采用平方技术进行跟踪的ＧＰＳ接收机，有时还可能出现半周跳。ＧＰＳ数据测量中，周跳现象不仅可能频繁发生，而且可能出现百万周的周跳。大于１０周的周跳，在数据处理中较容易发现，可以采取措施来弥补。但是，小于１０周的周跳，特别是１～３周的小周跳或半周跳，在数据处理中很难发现，而且也较难处理，因此人们往往忽略其影响，而将其视为偶然误差，结果严重地限制了利用ＧＰＳ技术进行测量的精度。据Ｇ．Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ等人的研究，当卫星信号中只残留一个周跳时，在较差的卫星几何图形配置下可能对所测点位坐标产生几厘米的误差［１］。由此可见，对高精度的ＧＰＳ数据处理都必须彻底地清除观测数据中的全部周跳，否则难以保证厘米级的定轨和定位精度。为了准确有效地判断和修复ＧＰＳ相位数据中的周跳，许多大型的ＧＰＳ处理软件都编制了人机对话式的周跳处理模块，如ＧＡＭＩＴ中的ＣＶＩＥＷ，它是利用人工编辑的形式对屏幕上绘出的各种ＧＰＳ组合观测值进行统一考虑，力求将各个组合调整到最佳状态［２］。这就要求操作者具有丰富的经验和很高的专业水平，以适应于出现的各种情况，而且还需要具备很熟练的１９９７年３月１７日收到。操作技巧，同时还需投入大量的人力物力。由于不同的操作者人为的因素影响而产生处理结果的不同，有的甚至还相差很大，这给进一步提高ＧＰＳ技术的精度带来了困难。目前，ＧＡＭＩＴ处理软件中有一个称为ＡＵＴＣＬＮ的自动编辑模块，它集中了ＭＩＴ许多大地测量工作者多年的ＶＬＢＩ和ＧＰＳ数据处理经验，通过它的处理能够大量地减少ＣＶＩＥＷ编辑中所需要的操作和所需要的计算时间，但是由于它采用了非常复杂的算法，需要设置许多控制参数而使该模块的使用又受到数据分析人员经验的限制。本文主要先总结了目前使用的进行周跳探测和修复的方法，然后介绍ＡＵＴＣＬＮ自动编辑软件的几个主要处理步骤和一些缺省参数，通过对它的理解，可以帮助广大ＧＰＳ工作者正确处理ＧＰＳ数据中的周跳，提高ＧＰＳ数据处理的速度和准确度，使我国ＧＰＳ技术的应用研究更上一个台阶。２目前进行周跳探测和修复的方法周跳的处理一般可分两步进行，首先从观测数据中探测出周跳，其次将探测出的周跳加以修复。有时以上两步的改正必须循环迭代，以保证资料中周跳完全被剔除。目前经常使用的周跳探测和修复方法主要有以下几种：（１）差分法。将非差载波相位时间序列或其残差组成一阶、二阶甚至高阶差分，凡在差分中出现剧烈跳变者，表明该处数据含有周跳。组成阶数越高，周跳的放大倍数越加明显。这种探测相位观测值是否存在周跳的方法，早在１９８５年就已由Ｒｅｍｏｎｄｉ提出［３］。（２）宽带（ＷＬ）和伪距组合法。如果载波Ｌ１和Ｌ２上的伪距码都有观测值，可以利用宽带（ＷＬ）和伪距的组合来确定周跳［４］。当得到的伪距都是Ｐ码伪距时，这种方法才比较有效。（３）电离层组合法。将双频的相位或伪距观测值组合成电离层相位ＬＧ，然后检测ＬＧ的连续性，有跳变的地方认为有周跳［４］。（４）多项式拟合法。将观测数据分成若干段，采用低阶多项式按时间序列进行拟合。此法一般只能发现较大（一般大于５周）的周跳。（５）动态模型法。此法的基本思路是采用滤波预报出观测值，将预报的观测值同实际观测值进行比较［５］。（６）星间差分或站间差分法。此法主要是对ＧＰＳ通常提出的单差或双差组合进行，通过检查跳变和变换卫星、测站来判断产生问题的非差观测历元所在。３自动进行周跳修复软件ＡＵＴＣＬＮ简介ＡＵＴＣＬＮ的处理主要有七个步骤，每一步的处理都是根据上一步处理的结果来进行的，当某一步的处理有问题经常引起下一步处理的失败。另外，由于ＡＵＴＣＬＮ是对ＧＰＳ相位的双差来进行的，某一个测站或某一颗卫星的状态不是很好时，常常引起处理其它测站或其它卫星的测量资料产生问题，有时引起的资料剔除严重时会导致解算的失败。以下简单介绍ＡＵＴＣＬＮ的这七个步骤：（１）第一步是基于伪距观测对测站、卫星的钟差进行估计。这个估计过程被循环迭代，一直到钟差估计的统计数字收敛。如果不收敛或者收敛太慢，将通过外部设置的最多迭代次数控制。如果伪距值与其它测站、卫星的资料不相吻合，可以通过人工编辑对伪距资料进行预处理。９６第１９期ＧＰＳ相位观测值中的周跳改正自动化在ＡＵＴＣＬＮ的缺省设置下，当质量不高的伪距测量值很多时，第二次迭代时将起用这些数据。（２）第二步是基于相位观测对测站、卫星的钟差进行估计。这里使用第一步基于伪距观测得到的测站、卫星钟差作为初值，对相位数据进行分析，寻找相位值中变化较大的历元，并且计算欲使这些历元的伪距资料和相位资料一致时所需对相位进行的整周数调整。同样利用相位数据组合得到的电离层变化也被用来寻找相位中的跳变。当找到这种突然变化时，在该历元插入偏差标记。这个过程中如果伪距或者拟前残差比较差时，这种插入标记会很多。偏差标记的增加和每一个标记有关的整周数调整都记录在ＡＵＴＣＬＮ的输出文件中。寻找相位电离层跳变的缺省参数对地球两极和赤道地区的测站约束太紧，可以在命令文件中按测站逐一设定。（３）第三步在所有的不连续观测的历元处插入偏差标记。可以在ＡＵＴＣＬＮ的控制命令文件中设置跳过这一步，但这样做很容易产生问题，因为遗漏的无插入标记周跳将不被修复，因而严重影响解算的结果。（４）第四步先浏览所有邻近的非差相位数据，然后与其它的三个相位观测值构成双差，检查在双差中是否有周跳发生。当发现周跳后，通过卫星和测站的变换来形成更多的双差，从而确证是否该非差相位数据中确实存在周跳。这一步对先验值误差和模型误差很敏感，大的拟前残差和卫星的非模型化加速度都将引起各个测站偏差标记的增加。（５）第五步是ＡＵＴＣＬＮ处理软件中的精华，它采用了几种目前非常有效的进行周跳探测和修复的方法进行组合，是ＡＵＴＣＬＮ中最复杂最难控制处理的部分。它使用尽可能多的观测量来清理数据，主要是试图估计以上几步中标记的每一个偏差标记处周跳的大小，并判断是否能够十分可信地消去偏差标记。为了提高修正的可信度，先将小段的数据（即两个偏差标记挨得很近或偏差标记非常接近于数据开始或结束时刻）予以剔除，然后利用以下三个标准来计算周跳的大小：①ＬＣ的连续性；②ＬＧ的连续性；③ＷＬ的连续性。每个标准中使用了不同数目的数据，一般来说，ＷＬ数据最长，ＬＧ数据最短。ＡＵＴＣＬＮ采用的计算顺序是：如果载波Ｌ１和Ｌ２上的伪距码都有观测，它首先利用ＷＬ和ＬＧ的连续性解算非差观测量的整周偏差，如果失败就采用双差组合，而且同时保持ＬＣ连续。ＡＳ政策执行期间，由于大部分接收机都未能得到Ｐ１码，使得利用伪距码的方法精度降低，因此ＡＵＴＣＬＮ的缺省设置是不在非差相位中消除偏差标记。为了在双差中准确地修复周跳，ＡＵＴＣＬＮ寻找另一个站、星组合，其中在标记的附近一段时间内没有需估计的其它偏差标记或中断。所有的站和星的组合被依次检查，直到找到一个能够消去该偏差标记的组合为止。ＡＵＴＣＬＮ的缺省设置是对每个测试过的组合输出一行，最后一个输出行即是用来确定周跳大小的组合。但并不是每个标记处的周跳值都能这样确定，一个经常发生的现象就是所有卫星在某个同时或几乎同时具有偏差标记（比如接收机电源断电）。这时ＡＵＴＣＬＮ提供了一个可选择的命令（ａｌｌｏｗｏｎｅｂｇ）来允许非差相位中存在一个不能完全修复的偏差或中断。这种情况下，程序首先确定如果忽略双差中使用的两颗卫星上的偏差标记时，这些组合相位是否连续，即偏差标记是否也能在双差中消除。如果能够消除，那么，应先解算第一个非差相位序列中的周跳，并且消除该偏差标记。当遇到这个测站这个时刻的其它偏差标记时，它们将相对于这个假定消除了偏差标记的非差序列作周跳修复。ＡＵＴＣＬＮ的输出文件ａｕｔｃｌｎ．ｏｕｔ中出现“Ｆｏｒｃｅ？Ｔ＂就表示那些用这种方法来消除的偏差标记，尽管非差序列可能仍然不连续，但由于它确保了双差组合的连续，因此对ＳＨＡＧＡＰ等利用ＧＰＳ双差组合来进行定轨定位研究的软件来说可以认为资料已经干净了。当数据被太多标记和中０７中国科学院上海天文台年刊１９９８年断分开时，ＡＵＴＣＬＮ可能会出现数字溢出而导致程序运算失败，因此常常认为这种情况是清理程序中最不可靠的部分。只有某个测站所有卫星同时出现失锁时才用这种方法处理。另一种情况是所有测站对某颗卫星同时失锁，除非它们能够在非差相位序列中修复，否则标记将不被消除。用来作修复工作的数据本身必须检查它是否有大的跳变。如果有，ＡＵＴＣＬＮ浏览每一个非差序列，检查它们中是否也有跳变发生。因为比上一次寻找周跳使用了更多的数据，这次测试也更加灵敏，有时还能发现新的周跳。许多情况下这些跳变只不过是一些噪声信息，增加的标记不能被有效地消除。用这种方法判断的跳变可以在输出文件中通过查找ＬＣＤＤ得到，如果它们很大，ＡＵＴＣＬＮ分不清跳动发生在那儿，也会产生问题。清理循环迭代四次，各次迭代又有一些差异。第一次迭代中，ａｌｌｏｗｏｎｅｂｇ没有起作用，这是因为在它之前要尽可能多而准确地解算偏差标记。以后的迭代中，ａｌｌｏｗｏｎｅｂｇ渐渐地影响非差序列较大的中断。（６）数据的整理。这一步中两个标记之间的短序列被删除，并计算每个非差序列中最后一个标记之后的数据长度占整个序列的百分比。如果这个百分比太小，那么标记之后的数据被删除，然后重复该过程。这一步是必须的，以便在ＳＯＬＶＥ中有足够长度的资料序列来解算模糊度偏差。（７）第七步根据需要而设，主要目的是产生标准点数据。４ＡＵＴＣＬＮ的处理结果为了验证ＡＵＴＣＬＮ的实际解算结果，这里将ＡＵＴＣＬＮ与其它几种算法作了一次全面的比对。比对主要着重于预处理后的双差资料数目、拟合前残差ｐｒｅｆｉｔｒｍｓ、拟合后残差ｐｏｓｔｆｉｔｒｍｓ、相同计算机资源下的终端时间和基线的解算结果。采用的算法有：（１）ＢｌｅｗｉｔｔＧ．在文献［４］中介绍的Ｔｕｒｂｏｅｄｉｔ算法，记为Ｔ。（２）ＧＡＭＩＴ软件下的单独ＳＩＮＣＬＮ算法，记为Ｓ。（３）ＧＡＭＩＴ软件下的ＳＩＮＣＬＮ算法，基于非差相位的ＣＶＩＥＷ屏幕编辑算法，记为Ｓ１。（４）经过算法（３）后用ＤＢＬＣＬＮ算法，记为Ｄ。（５）经过算法（４）后用基于双差相位的ＣＶＩＥＷ屏幕编辑算法，记为Ｃ，这是ＧＡＭＩＴ常用的标准算法。（６）直接采用ＡＵＴＣＬＮ算法，记为Ａ。需要解释的是：在利用双差相位的ＣＶＩＥＷ屏幕编辑算法中借鉴了第三节中介绍的ＡＵＴＣＬＮ算法的一些有意义的经验。比对利用了１９９４年ＴＡＩＰ和ＴＳＫＢ两个测站在年积日２２８天的资料，目的为解算这条基线的基线矢量，ＧＰＳ卫星星历采用ＩＧＳ发布的精密轨道，解算时对ＴＳＫＢ站的坐标采用了较强的约束。计算结果列于表１。由表１可见，ＡＵＴＣＬＮ算法的结果与耗费时间、精力的算法Ｃ的结果非常接近，只不过由于ＡＵＴＣＬＮ算法剔除了更多的数据点，因而总体解算基线的牀，牁，牂，爧的均方差σ较大，这里ＡＵＴＣＬＮ算法所需的时间只有标准算法的一半。当