单频GPS相位观测值周跳探测方法

刘博，曹健

(大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁大连 116021)

1 引言

GPS在高精度的应用领域，如大地测量领域，采用的GPS接收机大都是双频大地测量型GPS接收机，。双频接收机可以消除电离层影响，获得长波长组合观测值，容易探测与修复周跳。单频GPS接收机接收L1载波相位观测数据和C/A码伪距，相对于双频接收机价格低廉，但是在绝对定位或长基线差分定位应用中，无法通过双频组合削弱电离层的影响。值得欣喜的是:区域电离层延迟改正可以由CORS系统实时提供，全球电离层改正可以从IGS网站获得。因此如何探测和修复单频的周跳，为后续的数据处理提供“干净”的数据源，得出高精度的定位结果，是单频GPS高精度定位的关键环节，也成为本文的研究重点。

目前单频周跳探测方法主要有:三次差法，最小二乘残差法、高阶差分法、低阶多项式拟合法、小波变换法、拟准检定法、外推法、卡尔曼滤波法等。

本文主要探讨高次差法和多普勒法探测周跳的能力，通过模拟单频相位周跳研究分析两种方法探测周跳的能力、适用性及与采样率和多普勒观测值的联系，得出相关结论。

2 单频相位观测值周跳探测实例分析

2.1 下载观测数据并利用TEQC软件进行预处理

本文分别采用高次差法和多项式拟合法来探测与修复单频相位观测值的周跳，首先从ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/上下载双频接收机ASHTECH UZ－12的观测数据文件abpo001a30.08o。该数据的采样率为 1 s，观测值类型为 L1、L2、P1、P2、C1、S1、S2。此数据用来进行高次差分析，实验过程中只使用L1相位观测值。另有两组数据BaseRNX1.07o和base3071.07o用来进行多普勒法的分析，采样率均为 1 s，BaseRNX1.07o接收机类型为 NovAtelOEM4，观测值类型为 C1，L1、L2、P2、D1、D2;base3071.07o接收机类型为Trimble DAT，观测值类型为 C1，L1、L2、P2、D1、S1、S2。利用数据预处理软件TEQC检查数据，并探测和修复存在的周跳，使用TEQC软件的数据编辑功能将 1 s采样率的观测数据分别拆分为采样率为 15 s和 30 s的两组数据，并只保留L1和D1两类型“干净”的观测数据。

2.2 实例分析

(1)高次差法

基于干净的观测值，以PRN8号卫星观测值作为研究对象，分别从 1 s，15 s，30 s三种采样率数据中选取9个相同历元的L1载波相位观测数据，并在其第5个历元分别模拟1周与100周的周跳，用于比较高次差法在不同频率下探测周跳能力。实际应用中采用四次差法，在Excel软件中进行数据处理和分析。实验结果如表1～表3所示。

1 s采样率无周跳四次差法探测周跳的结果 表1

15 s采样率无周跳四次差法探测周跳的结果 表2

30 s采样率无周跳四次差法探测周跳的结果 表3

以此类推，得出加入1周跳和100周跳后四次差法的结果，如表4所示。

从表4可以看出:在加入1周周跳后，四次差的中间高，两边低的特点并不明显;而在加入100周周跳后，四次差呈现中间高，两边低的特点，并且中间与两边的差值比较明显。所以可见:该方法适用于大周跳的探测，对于小周跳，这种方法并不太好。

加入周跳后四次差法探测周跳的结果 表4

(2)多普勒法

从载波相位测量的特性可知，周跳前后，载波相位不再是连续函数，但其变化率(多普勒观测值)则是连续函数，且为载波相位严格一阶导数。因此利用多普勒观测值可探测和修复周跳。利用TEQC获得数据采样率分别为 1 s，15 s，30 s的“干净”观测数据。每个采样率选取卫星号为PRN11的8个历元数据。在选取数据的第5个历元分别模拟2周，5周，10周和20周的周跳，实验结果如表5～表8所示(表中△表示多普勒法探测出的周跳，单位为周)。

多普勒法探测2周跳结果 表5

多普勒法探测5周跳结果 表6

多普勒法探测10周跳结果 表7

多普勒法探测20周跳结果 表8

由于载波相位的观测值精度比较高，一般在几个毫米，L1载波相位波长约为 19 cm，所以该方法探测周跳的程度取决于多普勒观测值的精度与数据采样率。由表5可得:1 s采样率时多普勒法可探测出1周以上的周跳;由表6可得:15 s采样率时能探测出2周以上的周跳;由表7可得:而 30 s采样率时，只能探测出10周以上的周跳。由此可知，采用多普勒法探测与修复周跳，不受接收机运动状态影响，对于高采样率的数据，可以探测出一周以上的周跳，对于单频载波相位的周跳的探测与修复，是一种很好的探测方法。

3 总结

本文主要分析了单频GPS相位周跳探测问题。通过模拟相应的周跳，分别利用高次差法，多普勒法探测周跳，结果表明:高次差仅能探测出大周跳，对小周跳并不敏感，采样率越高，探测周跳的能力越低;多普勒法探测周跳的能力取决于多普勒观测精度以及数据采样率，观测精度越高，采样率越高，探测小周跳能力越强，且不受接收机运动状态的影响。

需要说明的是，周跳的探测和修复工作进行得是否完全、彻底，最终还是要用正式平差计算中的观测值残差来加以检核。

［1］陈中新，奚长元，范占永等.应用TEQC对GPS连续参考站数据进行质量分析［J］.全球定位系统，2007(3):35～37.

［2］石小丽，陈小平，钟尔杰.GPS相位观测值中周跳的探测与修复［J］.现代电子技术，2008(5).

［3］孙伟，熊伟，伍岳.不同采样率对GPS原始相位观测值周跳探测方法的影响及其效果比较［J］.全球定位系统，2005(5):40～45.

［4］贾沛璋，吴连大.单频GPS周跳检测与估计算法［J］.天文学报，2001，42(2):192 ～197.

［5］申春明，王爱生.用多普勒积分检测周跳［J］.城市勘测，2006.