淺析基于GNNS和GLONASS組合精密單點定位

　　摘要：根據俄羅斯空間局信息分析中心(IAC)提供的GNNS與GLONASS精密星歷和鐘差產品，綜合考慮GNSS定位的各種觀測誤差，采用PPP的方法處理了國際IGS站GNNS/GLONASS雙系統觀測數據，分別獲得GNNS，GNNS/GLONASS，GLONASS精密單點定位的結果，并對結果作相應的分析。

　　關鍵詞：GNNS,GLONASS,精密單點定位,組合

　　精密單點定位利用IGS公布的精密星歷及鐘差產品，采用雙頻GPS偽距和載波相位觀測值的無電離層組合觀測值，對相位中心，固體潮，相對論等誤差進行模型改正，采用Kalman濾波或最小二乘估計對流層，接收機位置以及接收機鐘差。國際GLONASS服務(IGLOS)正式運轉，開始跟蹤和分析GLONASS衛星星座，隨后開始向全球提供GLONASS的精密星歷與精密衛星鐘差產品。利用GNNS/GLONASS精密星歷與精密鐘差產品，實現GNNS/GLONASS組合精密單點定位，觀測衛星個數的增加與衛星幾何圖形的增強，將提高單一GNNS系統精密單點定位的收斂時間和定位精度，即使在遮擋環境嚴重的情況下，也可以獲得可靠的高精度定位結果。本文正是基于此，研究利用GNNS/GLONASS的精密星歷與鐘差文件，實現GNNS和GLONASS組合精密單點定位。

　　一、 組合單點定位原理

　　單點定位數學模型為:

　　(1)

　　式中，(x ,y ,z )為測站坐標; 為衛星坐標; 為接收機鐘差， 為GNNS/GLONASS各自參考時間UTC(USNO)，UTC(SU)之間的差異， 為加上衛星鐘差、大氣折射、相對論效應和地球自轉改正的偽距觀測值; 為觀測值噪聲，當式(1)為GNNS衛星觀測方程時， =0，為GLONASS衛星觀測方程時， =1。

　　將觀測方程(1) 線性化，得出用于參數估計的線性觀測方程。觀測方程中包括測站坐標和接收機鐘差及兩個時間系統同步誤差共五個未知參數，故兩個衛星導航系統總的觀測衛星數不應少于5顆，用最小二乘法或濾波方法進行參數估計即可以解算當前歷元的位置。

　　由于IGS對外僅提供GLONASS衛星的精密星歷文件，而不提供相應的精密鐘差文件。因此本文采用俄羅斯空間局信息分析中心(IAC)對外提供的GNNS/GLONASS精密星歷與精密鐘差文件，其中精密星歷歷元間隔為15min，精密鐘差歷元間隔為5min，精密星歷坐標框架為ITRF2000，精密星歷與精密鐘差中GNNS和GLONASS的各自參考時間分別為UTC(USNO)，UTC(SU)。由于精密星歷提供的GNNS/GLONASS衛星位置在相同的坐標框架ITRF2000下，因此，基于精密星歷的GNNS/GLONASS組合單點定位僅需考慮GNNS/GLONASS各自參考時間UTC(USNO)，UTC(SU)之間的差異。

　　二、數據處理

　　GLONASS的頻率可以表示為：

　　對于L1波段， = 1602 MHz， = 562.5 kHz; 對于 L2波段， = 1246 MHz， = 437.5 kHz， = 7/9。K為GLONASS衛星發送衛星信號的頻率通道，每顆衛星的頻率通道可由GLONASS衛星歷書(Almanac)獲得，同樣也可以從Renix格式GLONASS廣播星歷文件中得到。由于GLONASS系統采用頻分多址(FDMA)技術發送衛星信號，而不同的頻率信號受衛星與接收機硬件延遲的影響也不同，相對差值可以達到2m以上，對于高精度的GLONASS定位，須考慮其硬件延遲的影響。

　　對于高精度GNNS定位，數據預處理的質量好壞直接決定定位精度高低，數據預處理部分主要包含偽距粗差剔除，載波相位粗差剔除，周跳探測與修復，相位平滑偽距。偽距粗差剔除可以采用多項式擬合方法或者濾波平滑剔除;雙頻GNNS非差相位精密單點中采用的周跳探測與修復的方法主要是TurboEdit方法[5]，相位平滑偽距方法主要是Hatch濾波方法。雖然GLONASS系統采用頻分多址(FDMA)技術發送衛星信號，但以上這些方法都是基于非差相位的數據處理，與頻率無關，因此同樣實用于對雙頻GLONASS非差相位進行數據處理。

　　三、結果分析

　　為了驗證以上模型的正確性，本文從IGS FTP[6]下載了國際IGS站IRKJ站2009年3月24日觀測的GNNS/GLONASS組合觀測值文件，從俄羅斯信息分析中心FTP[7]上下載了2008年2月10日的GNNS/GLONASS事后精密星歷和鐘差文件，實際數據處理過程中，截至高度角選擇為5度，對流層模型采用Hopfiled模型，使用無電離層的載波相位平滑偽距方法，以及按照高度角給每顆衛星定權進行最小二乘解算，暫且忽略GLONASS硬件延遲的影響。進行靜態數據動態處理，圖1為GNNS/GLONASS觀測衛星數，圖2為GNNS精密單點定位的在X，Y，Z方向的坐標差，圖3為GNNS/GLONASS組合精密單點定位在X，Y，Z方向的坐標差，圖4為GLONASS精密單點定位在X，Y，Z方向的坐標差。

　　由圖1可知，隨著GLONASS系統的恢復，GLONASS現在可視衛星數最大為8顆，至少觀測到4顆衛星，GNNS可視衛星數遠多于GLONASS系統的可視衛星數。由圖2可知GNNS精密單點動態定位在X,Y,Z方向定位精度約為亞分米級，由圖3可知組合GNNS/GLONASS定位精度與單一的GNNS系統定位精度相當，究其主要原因是本文的GNNS衛星導航系統的可觀測衛星以可以組成較好的衛星幾何圖形，且現有的GLONASS系統尚未完全恢復，以及IAC公布的GLONASS精密星歷以及鐘差精度的影響，使得GNNS/GLONASS組合精密單點定位的精度并沒有明顯優于GNNS精密單點定位的精度，由圖4可知，GLONASS系統精密單點定位的精度約在0.5分米級范圍內，其原因除了上述的鐘差及衛星星歷的精度低外，另一方面是GLONASS可視衛星數較少，如當GLONASS可視衛星為4顆時，其定位的精度大于0.5分米。但是隨著GLONASS系統的復蘇，2009年底GLONASS系統在軌衛星將達到24顆，屆時地面觀測到的GLONASS衛星數將與GNNS衛星數相當，以及IGS組合公布高精度的GNNS/GLONASS精密星歷以及精密鐘差信息，GNNS/GLONASS組合定位必將提高單一GNNS系統定位的精度及其可靠性。

　　四、結論

　　實際數據處理結果表明，單一GNNS定位精度約為亞分米級，由于現有的GLONASS系統尚未完全恢復，以及IAC公布的GLONASS精密星歷以及鐘差精度的影響，使得GNNS/GLONASS組合精密單點定位的精度并沒有明顯優于GNNS精密單點定位的精度，單一GLONASS定位精度在0.5分米級范圍內。

　　參考文獻

　　[1] Zumberge J F，Heflin M B,Jefferson D C,Watkins M M, Webb F H. Precise Point Positioning for the efficient and robust analysis of GNNS data from large networks[J]. Journal of Geophysical Research, 1997,102( B3): 5005～5017

　　[2] Kouba, J, Heroux, P.. GNNS Precise Point Positioning Using IGS Orbit Products[J]. GNNS Solution, 2001,l.5(2):12～28

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　　[4]葉世榕. GNNS非差相位精密單點定位理論與實現[D].武漢：武漢大學.2002.

　　[5]Blewitt,G. An Automatic Editing Algorithm for GNNS Data[J]. Geophysical Research Letters, 1990 , 17(3): 199-202.

　　[6] IGS FTP. The International GNSS Service.[EB/OL].[2008-6-7]

　　[7] IAC FTP. Information-analytical Center [EB/OL].[2008-6-7]