CC BY
185
УДК 528:629.783 Т.И. Горохова СГГ А, Новосибирск
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ВЫЯВЛЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОТЕРЬ СЧЕТА ЦИКЛОВ ПРИ ОБРАБОТКЕ ФАЗОВЫХ ГНСС ИЗМЕРЕНИЙ
T.I. Gorokhova
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
REVIEW OF MODERN METHODS FOR CYCLE SLIPS DETECTION AND RESTORATION DURING GNSS PHASE MEASUREMENTS PROCESSING
The article presents a brief review of modern methods for the solution of the problem of phase jumps detection and restoration in GNSS measurements results. By far the investigation of this phenomenon has been conducted by two methods: statistical one and that of linear combinations. The most common phase- measurements testing methods are considered, such as Kalman filter, Melbourne-Wubbena combination and wide-line combination.
В отличие от традиционных методов геодезии, где качество измерений наблюдатель может оценить визуально, спутниковые технологии довольно «закрыты»: обнаружить и исправить ошибки можно лишь в процессе обработки данных. Особенно коварными и труднообнаружимыми являются так называемые потери счета циклов.
Возникает эта ошибка, когда приемник в силу различных причин (радиопомехи, препятствия, неполадки аппаратуры) «теряет из виду» спутник на некоторое время. Потеря захвата может быть короче, чем временной интервал между соседними эпохами сбора данных или гораздо дольше, в этом случае произойдет разрыв в данных. Приемник постоянно определяет разность между фазой полученного сигнала и фазой сигнала, сгенерированного им самим. Разность в 0 или 360 градусов фиксируется специальным счетчиком и составляет целый цикл. Если сигнал прерывается, то какое-то количество разностей фаз не фиксируется приемником, и показания счетчика искажаются. Влиянию этой ошибки подвержены только фазовые измерения.
В начале 80-х гг. предполагалось, что по мере совершенствования принимающей аппаратуры и увеличения количества спутников на орбите эта проблема исчезнет сама собой. Однако выявление пропусков циклов и их восстановление все еще является сложной задачей, даже после многих лет исследований.
Величина этой ошибки несущественна для навигации и обычных геодезических работ, однако точное позиционирование требует выявлять и полностью исправлять пропуски циклов. Для этого необходимо определить положение скачка в измеренной фазе и его размер. Восстановление счета циклов осуществляется посредством исправления всех последующих
наблюдений фаз для данного спутника и несущей частоты на фиксированную величину.
Принцип большинства методик состоит в предположении, что измеренные величины и функции от них (например, одинарные или двойные разности) плавно изменяются со временем. Их изменение можно предсказать с помощью временного полинома, составленного по результатам измерений. Если эмпирическое и предсказанное значения расходятся больше допуска (например, 0,1 цикла), то целая часть этой разности будет добавляться к наблюдаемой фазе, начиная с обнаруженного срыва.
Алгоритм цифровой фильтрации, предложенный Рудольфом Калманом в 1960 году, сразу получил положительные отзывы специалистов и до сих пор является основным средством обработки измерений в навигационных системах, использующих спутниковый метод. Фильтр Калмана явился существенным усовершенствованием своего предшественника - алгоритма, позволяющего с помощью метода наименьших квадратов выделять скалярный сигнал из шума с неизменными статистическим характеристиками, предложенного в 40-х годах XX столетия Н. Винером. Калмановская фильтрация чаще всего используется при обработке кинематических данных.
Суть метода состоит в том, что измеренные величины сравниваются с предсказанными, выведенными из динамической модели в фильтре Калмана. При этом признаком потери циклов будут значительные расхождения между «теорией» и «практикой». Главной трудностью при применении этого фильтра является подбор величин для оценивания: если выбраны
несоответствующие параметры, метод может выдавать непредсказуемые результаты. В табл. 1 приведены тестируемые величины для измерений, выполненных одним приемником и парой приемников [1].
Таблица 1. Параметры фильтра Калмана для выявления пропусков циклов
Набор данных Оцениваемая величина
Один приемник Фаза на одной частоте (Ь1/Ь2) Необработанная фаза
Фазы на двух частотах (L1+L2) Фазовые комбинации
Фаза и кодовая дальность на одной частоте Комбинация фазы и кодовой дальности
Фаза и интегральный доплер на одной частоте Комбинация фазы и интегрального доплера
Пара приемников Фаза на одной частоте (Ь1/Ь2) Одинарные, двойные, тройные разности фаз
Фазы на двух частотах (L1+L2) Комбинация фазы, свободная от геометрии
Фаза и кодовая дальность на двух частотах Разность широкополосной фазы и узкополосной псевдодальности
Другой путь выявления срывов - составление и вычисление разностей от первого порядка и выше для временных рядов из одинарных, двойных, тройных разностей измеренных величин, т.е. использование различных линейных комбинаций, чувствительных к потерям циклов. Примерами
комбинаций, полезными для кинематических данных, являются ионосферная фазовая задержка, остаточная невязка в дальности и разность широкополосной фазы и узкополосной псевдодальности. Эффективность этих методов во многом зависит от качества кодовых наблюдений.
Комбинация Мельбурна-Вюббена, предложенная в 1985 г. двумя немецкими учеными, является линейной комбинацией кодовых и фазовых наблюдений и представляется формулой [2]:
MW = Lw-Pw,
MW = -l—(flL, - f2L2J-—^-(flPl + f2P2),
Jl J2 Jl + J 2
где LW, PW - фазовые и кодовые наблюдения;f1, f - частоты несущих L1 и L2; Li, L2 - нулевые или двойные разности измерений; P1, P2 - кодовые измерения. При этом также исключаются влияния ионосферы, геометрии, часов и тропосферы. Однако при включенном режиме «selective availability» (SA) шум комбинации Мельбурна-Вюббена для большинства геодезических приемников очень высок и выявляются только потери ±2 - 4 цикла.
Для разрешения фазовых неоднозначностей при решении базовых линий, превышающих 2000 км в 1990 г. Д. Блюитом была разработана методика, во многом схожая с уже рассмотренной комбинацией Мельбурна-Вюббена. Слабость метода заключается в еще более высоких требованиях к шуму кодовых наблюдений.
Успешно используется широкополосная линейная комбинация [4]:
¿5 =-^—-(Ak~f2L2),
h ~ J 2
для фиксирования потерь счета циклов и разрешения неоднозначностей на уровне двойных разностей наблюдений фазы.
Чтобы воспользоваться вышеперечисленными методами, необходимо иметь двухчастотные наблюдения минимум с двух приемников. В 1985 г. был предложен простой метод тестирования измерений на одной точке при использовании двухчастотного приемника. Принцип метода основан на следующих соотношениях [5]:
Ф)(г)ь2=Ф)(г)ы * fbl / fbl-,
d = Ф'/Ои -Ф)(t)L2*fL\/fL2.
d = N)(L\)-fu / fL2 * N) (L2) + A / fu*(\- fl\ / fl2 ) где &j(t)L\, Ф j(t)L2 - измеренные фазы на L1 и L2 со спутника i на приемнике j в момент (t), /li , fL2 - частоты соответственно для L1 и L2, Nj(L\) , Nj(L2) - целые неоднозначности для комбинации «спутник-
приемник» на L1 и L2, А - влияние ионосферы. Несомненным достоинством метода является возможность быстро оценить качество наблюдений на
отдельной станции при кинематической съемке. Однако при больших разрывах в данных эффективность его применения резко падает.
Выбор методики учета потерь счета циклов зависит от имеющихся данных: их качества, производились наблюдения на одной точке или больше, по одной частоте или по двум, режима измерений (кинематика или статика) и т.д., а также от имеющегося программного обеспечения, требований к точности, длины базовой линии и, в какой-то мере, от личных предпочтений оператора. Для достижения наилучшего результата, данные необходимо последовательно тестировать разными методами. Например, сначала комбинацией Мельбурна-Вюббена выявляются возможные потери циклов, их размер определяется из геометрически свободной комбинации, а в ионосферно-свободных комбинациях удаляются плохие наблюдения.
На основании выполненного анализа современных методов выявления и исправления потерь счета циклов можно сделать следующие выводы:
1. На сегодняшний день нет однозначного решения вопроса по учету этой ошибки;
2. Методики учета ошибки для кинематики и статики должны быть различны;
3. Для получения более достоверных результатов измерений необходимо совершенствовать существующие методы решения этой проблемы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т. 2. Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2006. - 360 с.: ил.
2. Rothacher M. Satellitengeodesie: Einführung in GPS. Vorlesungsskriptum. [Electronic resource] / M. Rothacher. - München, 2007. - 194 c. - Нем. Режим доступа: tau.fesg.tu-muenchen.de/~iapg/web/lehre/skripten/SatGeo 1.pdf
3. Bauer M. Vermessung und Ortung mit Satelliten: Navstar-GPS und andere satellitengestutzte Navigationssysteme. / M.Bauer. - Karlsruhe:Wichmann, 1992. - 263 c. -Нем.
4. Hugentobler U., Schaer S., Fridez P. Bernese GPS Software. [Electronic resource] / U. Hugentobler, S. Schaer, P. Fridez - 557 с. - Англ. Режим доступа: www.aiub-download.unibe.ch/BERN42/DOCU/DOCU42 1.pdf
5. Gross P., Noordin A. Field validation of GPS phase measurements. / P. Gross, A. Noordin - GPS-Techniques Applied to Geodesy and Surveying, 1988. - 349-360 с. - Англ.
© Т.И. Горохова, 2008
