浅析基于GNNS和GLONASS组合精密单点定位

　　摘要：根据俄罗斯空间局信息分析中心(IAC)提供的GNNS与GLONASS精密星历和钟差产品，综合考虑GNSS定位的各种观测误差，采用PPP的方法处理了国际IGS站GNNS/GLONASS双系统观测数据，分别获得GNNS，GNNS/GLONASS，GLONASS精密单点定位的结果，并对结果作相应的分析。

　　关键词：GNNS,GLONASS,精密单点定位,组合

　　精密单点定位利用IGS公布的精密星历及钟差产品，采用双频GPS伪距和载波相位观测值的无电离层组合观测值，对相位中心，固体潮，相对论等误差进行模型改正，采用Kalman滤波或最小二乘估计对流层，接收机位置以及接收机钟差。国际GLONASS服务(IGLOS)正式运转，开始跟踪和分析GLONASS卫星星座，随后开始向全球提供GLONASS的精密星历与精密卫星钟差产品。利用GNNS/GLONASS精密星历与精密钟差产品，实现GNNS/GLONASS组合精密单点定位，观测卫星个数的增加与卫星几何图形的增强，将提高单一GNNS系统精密单点定位的收敛时间和定位精度，即使在遮挡环境严重的情况下，也可以获得可靠的高精度定位结果。本文正是基于此，研究利用GNNS/GLONASS的精密星历与钟差文件，实现GNNS和GLONASS组合精密单点定位。

　　一、 组合单点定位原理

　　单点定位数学模型为:

　　(1)

　　式中，(x ,y ,z )为测站坐标; 为卫星坐标; 为接收机钟差， 为GNNS/GLONASS各自参考时间UTC(USNO)，UTC(SU)之间的差异， 为加上卫星钟差、大气折射、相对论效应和地球自转改正的伪距观测值; 为观测值噪声，当式(1)为GNNS卫星观测方程时， =0，为GLONASS卫星观测方程时， =1。

　　将观测方程(1) 线性化，得出用于参数估计的线性观测方程。观测方程中包括测站坐标和接收机钟差及两个时间系统同步误差共五个未知参数，故两个卫星导航系统总的观测卫星数不应少于5颗，用最小二乘法或滤波方法进行参数估计即可以解算当前历元的位置。

　　由于IGS对外仅提供GLONASS卫星的精密星历文件，而不提供相应的精密钟差文件。因此本文采用俄罗斯空间局信息分析中心(IAC)对外提供的GNNS/GLONASS精密星历与精密钟差文件，其中精密星历历元间隔为15min，精密钟差历元间隔为5min，精密星历坐标框架为ITRF2000，精密星历与精密钟差中GNNS和GLONASS的各自参考时间分别为UTC(USNO)，UTC(SU)。由于精密星历提供的GNNS/GLONASS卫星位置在相同的坐标框架ITRF2000下，因此，基于精密星历的GNNS/GLONASS组合单点定位仅需考虑GNNS/GLONASS各自参考时间UTC(USNO)，UTC(SU)之间的差异。

　　二、数据处理

　　GLONASS的频率可以表示为：

　　对于L1波段， = 1602 MHz， = 562.5 kHz; 对于 L2波段， = 1246 MHz， = 437.5 kHz， = 7/9。K为GLONASS卫星发送卫星信号的频率通道，每颗卫星的频率通道可由GLONASS卫星历书(Almanac)获得，同样也可以从Renix格式GLONASS广播星历文件中得到。由于GLONASS系统采用频分多址(FDMA)技术发送卫星信号，而不同的频率信号受卫星与接收机硬件延迟的影响也不同，相对差值可以达到2m以上，对于高精度的GLONASS定位，须考虑其硬件延迟的影响。

　　对于高精度GNNS定位，数据预处理的质量好坏直接决定定位精度高低，数据预处理部分主要包含伪距粗差剔除，载波相位粗差剔除，周跳探测与修复，相位平滑伪距。伪距粗差剔除可以采用多项式拟合方法或者滤波平滑剔除;双频GNNS非差相位精密单点中采用的周跳探测与修复的方法主要是TurboEdit方法[5]，相位平滑伪距方法主要是Hatch滤波方法。虽然GLONASS系统采用频分多址(FDMA)技术发送卫星信号，但以上这些方法都是基于非差相位的数据处理，与频率无关，因此同样实用于对双频GLONASS非差相位进行数据处理。

　　三、结果分析

　　为了验证以上模型的正确性，本文从IGS FTP[6]下载了国际IGS站IRKJ站2009年3月24日观测的GNNS/GLONASS组合观测值文件，从俄罗斯信息分析中心FTP[7]上下载了2008年2月10日的GNNS/GLONASS事后精密星历和钟差文件，实际数据处理过程中，截至高度角选择为5度，对流层模型采用Hopfiled模型，使用无电离层的载波相位平滑伪距方法，以及按照高度角给每颗卫星定权进行最小二乘解算，暂且忽略GLONASS硬件延迟的影响。进行静态数据动态处理，图1为GNNS/GLONASS观测卫星数，图2为GNNS精密单点定位的在X，Y，Z方向的坐标差，图3为GNNS/GLONASS组合精密单点定位在X，Y，Z方向的坐标差，图4为GLONASS精密单点定位在X，Y，Z方向的坐标差。

　　由图1可知，随着GLONASS系统的恢复，GLONASS现在可视卫星数最大为8颗，至少观测到4颗卫星，GNNS可视卫星数远多于GLONASS系统的可视卫星数。由图2可知GNNS精密单点动态定位在X,Y,Z方向定位精度约为亚分米级，由图3可知组合GNNS/GLONASS定位精度与单一的GNNS系统定位精度相当，究其主要原因是本文的GNNS卫星导航系统的可观测卫星以可以组成较好的卫星几何图形，且现有的GLONASS系统尚未完全恢复，以及IAC公布的GLONASS精密星历以及钟差精度的影响，使得GNNS/GLONASS组合精密单点定位的精度并没有明显优于GNNS精密单点定位的精度，由图4可知，GLONASS系统精密单点定位的精度约在0.5分米级范围内，其原因除了上述的钟差及卫星星历的精度低外，另一方面是GLONASS可视卫星数较少，如当GLONASS可视卫星为4颗时，其定位的精度大于0.5分米。但是随着GLONASS系统的复苏，2009年底GLONASS系统在轨卫星将达到24颗，届时地面观测到的GLONASS卫星数将与GNNS卫星数相当，以及IGS组合公布高精度的GNNS/GLONASS精密星历以及精密钟差信息，GNNS/GLONASS组合定位必将提高单一GNNS系统定位的精度及其可靠性。

　　四、结论

　　实际数据处理结果表明，单一GNNS定位精度约为亚分米级，由于现有的GLONASS系统尚未完全恢复，以及IAC公布的GLONASS精密星历以及钟差精度的影响，使得GNNS/GLONASS组合精密单点定位的精度并没有明显优于GNNS精密单点定位的精度，单一GLONASS定位精度在0.5分米级范围内。

　　参考文献

　　[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

　　[3] Gao, Y. and Shen, X. Improving Ambiguity Convergence in Carrier Phase-Based Precise Point Positioning(C). Proceedings of ION GNNS-2001, Salt Lake City, 2001..

　　[4]叶世榕. GNNS非差相位精密单点定位理论与实现[D].武汉：武汉大学.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]