姿態測量中GPS雙頻觀測的應用

     摘要:隨著GPS定位技術的發展和完善，利用GPS進行動態載體的姿態測量具有廣闊的發展前景。姿態測量問題中，實時、高精度的解算整周模糊度是關鍵。利用雙頻觀測,RATIO檢驗等方法進行單歷元整周模糊度的解算，得到較好的結果。因此，這一方法可以應用到動態載體姿態測量當中去。

    關鍵詞:GPS;雙頻觀測;姿態測量姿態 測 量 一般應用于衛星、航天器、載人機、無人機、船舶、汽車等高動態的載體上，這些載體要求姿態測量系統具有精度高、實時性強、安裝方便等特點。全球定位系統的發展和各種算法的出現使得應用GPS進行姿態測量成為必然和發展趨勢。動態載體姿態的確定，其關鍵問題在于單歷元解算整周模糊度。對于GPS靜態定位時通過一定的時間求取整周模糊度已經不是什么困難的事了。但是，在動態定位中，尤其是在高動態定位中，如何高效、準確地解算整周模糊度是GPS定位中最重要的一個課題。為此，國內外許多學者對此進行研究，并提出了許多解決的方法，如:OTF,LS ,LA MBDA等等。但是，這些方法，由于其整周模糊度搜索空間過大，不能很好地符合單歷元解算整周模糊度的要求。本文利用雙頻觀測以及實際測量中的約束條件，來縮小周模糊度的搜索空間，從而達到快速解算整周模糊度并進行高精度姿態測量的目的。

     其中,}oti(i二1,2)為載波相位觀測值i(i二1,2)為碼觀測值，他們又可以是各類差分觀測值的組合，對應的頻率分別為fI和介;“為未知的電離層影響，u二P/c+A8(P為衛星至接收機的距離;c為光速;08為鐘差及對流層等影響的有效距離偏差)。由式 ( 1) 可以得到
     
      一、雙頻觀測
     利用 雙 頻 P碼和相位觀測值的線性組合實施擴頻技術是最早用于OTF求解模糊度的方法之一。這種方法是由Melbourne和Wuebbena(1985)提出，并有很多人在這方面進行了研究，如:Hatch(1986),Teunissen(1997),S j oberg(1 998,1 9 99)等。其實質是借助兩個頻率上的P碼偽距觀測值來求解寬巷整周模糊度，從而大大加快了整周模糊度的求解效率〔’一3]。對于現雙頻GPS接收機可選擇組合碼和載波相位觀測值建立觀測方程中，g=2力介/(片一灘)，h二(片+灘)/(片-鄧)lg和h的值分別為3.9674和2.0195，由于碼相位P;及P:的高度不確定性，并且在N;和N2的求解中被g和h加以放大，其標準差約為8，這表明，不能直接利用式(2)將整周模糊度固定到正確值。因此可以利用寬巷進行整周模糊度的解算Nw=01一0:一[(f;一f2)1(fl+f2)](P I+P2)(3 )式中，P1+P:的系數為(fl一介)(fl+f2)<1。碼觀測值P1,P :的噪聲受到有效抑制，波長放大為0.86 m，同時也削弱了各項相同誤差的影響。所以，求解的寬巷整周模糊度N，的精度比整周模糊度N1和N:的精度要高得多，其理論精度可達0.25周。由于N，二N1一N2，因此如何從高精度的寬巷主要從事GPS動態定位的研究。整周模糊度N,中分解出高精度的整周模糊度N1和N2，便成為非常有意義的研究內容。將 N， 二 N1一N:代人式(1)并假定電離層影響可通過差分得到消除，則得觀測值的誤差方程式為
e0+}01A1=a+NIA,
e02·T2A2=二、1
一6.5
一7.0
一7.5
2
-15.5
(4) -16.0
式中，a= u c,。為光速;CO,e p 為觀測值的隨機誤差;Ri=pea。則式(4)的最小二乘解為
-17.6
-17.8
-18.0
-18.2
1 . . … 1 .
(5)
2.186
R1+RZ
2.1 i
2.1 87
圖1
2. 188 2 .1 89
/周式中，N0二oi- ,(i=1,2)。由式(5)得到的寬寬巷模糊度的求解巷整周模糊度其理論精度為0.08周。可見，對短基線，在忽略電離層影響的基礎上，應用式(5)可單歷元解求整周模糊度值Ni，并且在理論上達到滿意精度。

     二、整周模糊度的搜索筆者 利 用 兩臺分別安裝在轟一5飛機的引航艙和轟炸艙的Javad接收機(其天線安裝在飛機的中軸線上，基線長為9m，采樣頻率為20 Hz，實驗時間為2003年4月，飛行高度6 000 m)的數據進行計算，發現在實際測量中，利用式(5)求解的整周模糊度抖動較大不能直接應用到實際求解中，圖1所示為PRN24,PR N4,PR N10寬巷整周模糊度的計算結果。圖2所示為PRN24,PR N4,PR N10由寬巷整周模糊度直接計算得到的L1的整周模糊度。由圖可以看出，模糊度的抖動比較大不能直接利用寬巷計算結果，因此，必須在此基礎上進行模糊度的搜索[3,410在模 糊 度 搜索空間的建立上，主要有兩類:基于整周模糊度建立搜索空間和基于坐標改正建立搜索空間。如果基于整周模糊度建立搜索空間的話，由于利用雙頻改正后，整周模糊度的精度可達1周左右，但是也有大于1周的情況，為此，可以建立士3周的模糊度搜索空間，則在觀測7顆衛星的情況下，搜索次數為46 656。考慮到利用雙頻觀測求解出整周模糊度的精度在1周左右，同時飛機的飛行高度為5