載波相位平滑偽距在城市定位中的應用

韓澎濤，李雪杉，劉美君，丁新展

載波相位平滑偽距在城市定位中的應用

韓澎濤1，李雪杉2，劉美君3，丁新展3

（1. 泰山科技學院建筑工程學院，山東 泰安 271000；2. 黑龍江第五測繪地理信息工程院，哈爾濱 150081；3. 沈陽市勘察測繪研究院有限公司，沈陽 110000）

為提高城市環(huán)境下偽距單點定位精度，利用實測靜動態(tài)全球定位系統(tǒng)（GPS）單頻觀測值進行載波相位平滑偽距。靜態(tài)定位實驗中，平滑后和方向內符合定位精度較標準偽距定位提高了7.8%、5.3%和11.6%；動態(tài)定位實驗中，平滑后和方向內符合定位精度分別提高了1.5%和1.1%，方向基本保持一致。實驗結果表明，載波相位平滑偽距可提高城市環(huán)境下單點定位精度，使定位結果可靠性有所提高，動態(tài)定位軌跡平滑更貼近實際。

載波相位平滑偽距；單頻；城市環(huán)境；低成本定位；定位軌跡

0 引言

城市中進行單點定位會受客觀環(huán)境限制，如衛(wèi)星信號常受到干擾和遮擋，導致用戶無法獲得準確和連續(xù)的定位結果。如何在城市環(huán)境下獲得連續(xù)、可靠和高精度的定位服務一直是研究熱點[1]。偽距單點定位（single point positioning, SPP）無需考慮模糊度且定位速度較快，在日常導航定位中應用廣泛[2]，常用于手機地圖、汽車導航、智慧物流、輪船進港和飛機定航當中[3-6]。

偽距觀測值可直接提供站星之間距離，但由于受到碼偽距噪聲和多路徑效應的影響，僅能達到米級精度[7-9]。載波相位觀測值精度較高，若不考慮模糊度因素，可達到毫米級精度[10-11]。載波相位平滑偽距結合了兩類觀測值的優(yōu)點，在定位速度較快且不考慮模糊度的前提下，極大程度上提高了定位精度。當前應用最廣的仍是基于哈奇（Hatch）濾波的載波相位平滑偽距算法，在歷元間電離層延遲變化較小的前提下，利用求出的平均模糊度和電離層延遲改進偽距觀測值的精度[12]；但當疊加的歷元較多或電離層延遲變化較大時，誤差的累積會嚴重影響平滑精度。國內外學者對此進行了大量研究，文獻[13]利用差分基站提供的電離層物理信息建立電離層模型，提出一種最優(yōu)的平滑偽距差分全球定位系統(tǒng)單頻接收機算法；文獻[14]發(fā)現(xiàn)利用移動開窗法可以消除電離層延遲趨勢項的影響，利用移動開窗法優(yōu)化濾波后，定位精度與加權Hatch濾波相當，但提供了更廣的可選擇性窗口。隨著社會的發(fā)展，定位功能的需求愈加廣泛，針對不同用戶多種平滑方法相繼被提出，包括在手機端靜態(tài)定位中表現(xiàn)優(yōu)于原始偽距和載波相位平滑偽距的多普勒平滑偽距算法[15]，以及針對動態(tài)用戶基于卡爾曼濾波的載波相位平滑偽距方法[16-17]。雖然社會經(jīng)濟發(fā)展迅猛，定位手段層出不窮，但SPP依舊是城市環(huán)境下定位的主流手段。

本文針對城市環(huán)境中單點定位效果常不理想現(xiàn)象，利用顧及電離層變化的載波相位平滑偽距算法進行單頻單點定位，在不增加算法難度的前提下削弱Hatch濾波系統(tǒng)誤差。分別利用靜態(tài)和動態(tài)觀測數(shù)據(jù)進行定位解算，并對定位效果進行驗證分析。

1 數(shù)據(jù)處理原理

1.1 單點定位模型

標準偽距單點定位中，第個歷元第顆衛(wèi)星的偽距和載波相位觀測方程[18-21]如式（1）、式（2）所示。

1.2 載波相位平滑偽距模型

載波相位平滑偽距可消除相位和碼偽距觀測值中共同的誤差項，只需考慮觀測噪聲、多路徑效應和電離層延遲的影響，碼偽距的多路徑效應影響和觀測值噪聲在多歷元后均值趨向于0，由此可推得第個歷元的載波相位和偽距觀測方程[12]如式（4）、式（5）所示。

將式（4）與式（5）兩方程相減，并將觀測噪聲吸收在觀測量中可得[14]

當不發(fā)生周跳現(xiàn)象，且相鄰歷元間電離層延遲變化較小趨近于0時，應當滿足

此時，采用Hatch濾波進行載波相位平滑偽距，遞推關系式為

2 數(shù)據(jù)源與處理策略

利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS)接收機采集GPS單頻觀測數(shù)據(jù)。在樓頂（jxld）、廣場中心（gczx）、操場（ccsk）、樓側（jxlc）和橋上（tsgq）獲取2020年第279天的靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)；同時在樓區(qū)（sklq）、操場（skcc）和籃球場（skqc）上采集了2020年第270天的動態(tài)觀測數(shù)據(jù)，以及2020年第270天的基準站（jzlq）靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)。所有觀測數(shù)據(jù)采樣間隔均為1s，衛(wèi)星截止高度角為5°，數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)處理策略

3 實驗結果分析

首先，利用靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)分別進行標準偽距單點定位和載波相位平滑偽距定位。將三維坐標偏差轉換至站心坐標系，得出定位結果在東（）、北（）和天頂（）方向上的偏差。以ccsk定位為例，其定位結果如圖1所示。對所有測站定位誤差的均方根（root mean square, RMS）和標準差（standard deviation, STD）進行統(tǒng)計并取均值（MEAN），結果如表2所示。

圖1 ccsk定位結果

通過圖1可以看出，ccsk測站在載波相位平滑偽距后，和方向定位精度較標準偽距定位有明顯提升。平滑后ccsk測站和方向定位誤差的STD分別減小了5.4%、3.5%和9.1%；和方向定位誤差的RMS分別減小了5.3%和1.5%，方向基本保持一致。結果表明載波相位平滑偽距使ccsk測站定位結果得到明顯改善。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，城市環(huán)境中所有靜態(tài)測站在載波相位平滑偽距策略下，定位精度均較標準偽距定位有所提升。和方向定位誤差的STD分別減小了7.8%、5.3%和11.6%；和方向的RMS分別減小了7.8%和4.5%，方向外符合精度有所提升但幅度較小。綜上所述，得出在城市環(huán)境中顧及電離層變化的載波相位平滑偽距算法，可提高靜態(tài)單頻偽距定位精度。

其次，利用動態(tài)數(shù)據(jù)分別在標準偽距和載波相位平滑偽距兩種策略下進行單點定位。以skcc移動站的定位為例，其定位誤差如圖2所示。對所有移動站定位誤差進行統(tǒng)計如表3所示。

表2 靜態(tài)定位精度統(tǒng)計

圖2 skcc定位結果

從圖2中可以看出，載波相位平滑偽距對skcc移動站的定位結果影響較小，僅部分誤差曲線呈現(xiàn)平滑狀態(tài)，如圖2中2000歷元處方向定位誤差曲線。通過圖2未看出平滑前后定位結果明顯差異，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)該測站平滑前后內外符合精度基本一致。對表3中各移動站定位誤差進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，動態(tài)實驗中和方向定位誤差的STD分別減小了1.5%和1.1%；、和方向定位誤差的RMS分別減小了1.4%、1%和1.5%。以sklq與jzlq差分結果為基準，并以和坐標為橫縱坐標，對sklq移動站平滑前后的運動軌跡進行繪制如圖3所示。

表3 動態(tài)定位精度統(tǒng)計

圖3 sklq定位軌跡

通過圖3可明顯看出，經(jīng)平滑后的定位軌跡更符合真實的運動狀態(tài)，也更加平滑。就定位結果而言，平滑后精度更高，可靠性更強。綜上所述，即使在觀測環(huán)境復雜的城市當中，載波相位平滑偽距依舊能起到提高精度和增加可靠性的作用。

4 結束語

本文利用顧及電離層延遲變化的載波相位平滑偽距算法，進行了針對城市環(huán)境的單點定位實驗。該算法在不同程度上提高了靜動態(tài)偽距觀測值的精度，防止了電離層延遲誤差累積帶來的影響。通過靜態(tài)和動態(tài)定位實驗發(fā)現(xiàn)，平滑后定位精度得到厘米級提升，定位軌跡更加平滑，貼近實際，定位結果可靠性有所提高。

[1] 王勛, 崔先強, 高天杭. 城市環(huán)境下數(shù)據(jù)缺失定位算法比較[J]. 導航定位學報, 2020, 8(2): 43-48.

[2] 張乾坤, 劉小生, 何琦敏. BDS-3多頻點偽距單點定位性能研究[J]. 測繪通報, 2020(1): 71-75.

[3] 李星星, 羅濤, 張小紅, 等. 基于PDA實現(xiàn)GPS單機米級定位的地理信息采集系統(tǒng)[J]. 大地測量與地球動力學, 2009, 29(1): 140-143.

[4] 姜萍, 柯熙政. GPS相位平滑偽距技術在廣域差分定位中的應用[J]. 宇航計測技術, 2007, 27(1): 11-14.

[5] 胡杰, 石瀟竹. 載波相位平滑偽距在GPS/SINS緊組合導航系統(tǒng)中的應用[J]. 導航定位與授時, 2018, 5(5): 32-38.

[6] 張小紅, 程世來, 李星星, 等. 單站GPS載波平滑偽距精密授時研究[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2009, 34(4): 463-465.

[7] 唐衛(wèi)明, 劉智敏. GPS載波相位平滑偽距精度分析與應用探討[J]. 測繪信息與工程, 2005, 30(3): 37-39.

[8] 范士杰, 郭際明, 彭秀英. GPS雙頻相位平滑偽距及其單點定位的精度研究[J]. 測繪工程, 2005, 14(4): 39-42.

[9] 陳浩, 許長輝, 高井祥, 等. BDS、GPS及其組合系統(tǒng)偽距單點定位精度分析[J]. 山東科技大學學報(自然科學版), 2015, 34(2): 72-78.

[10] 高旺, 高成發(fā), 潘樹國, 等. 基于部分固定策略的多系統(tǒng)長距離基準站間模糊度快速解算[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2017, 42(4): 558-562.

[11] 徐宗秋, 韓澎濤, 趙洪濤, 等. BDS-3基本系統(tǒng)載波相位平滑偽距分析[J]. 測繪科學, 2020, 45(12): 62-68.

[12] 陳正生, 張清華, 李林陽, 等. 電離層延遲變化自模型化的載波相位平滑偽距算法[J]. 測繪學報, 2019, 48(9): 1107-1118.

[13] PARK B, SOHN K, KEE C. Optimal Hatch filter with an adaptive smoothing window width[J]. Journal of Navigation, 2008, 61(3): 435-454.

[14] 陳正生, 張清華, 崔陽, 等. 單頻載波相位移動開窗平滑偽距算法及精度分析[J]. 武漢大學學報(信息科學版), 2020, 45(7): 964-973.

[15] 張書維, 高井祥, 趙龍, 等. 載波/多普勒平滑偽距在Android手機中的定位實現(xiàn)[J]. 測繪通報, 2020(4): 63-67.

[16] 崔立魯, 張惠妹, 錢江宇, 等. 載波相位平滑偽距的自適應衰減因子Kalman濾波算法研究[J]. 測繪工程, 2020, 29(1): 1-5.

[17] 楊春燕, 吳德偉, 盧艷娥, 等. 基于補充卡爾曼濾波的載波相位平滑偽距算法[J]. 空軍工程大學學報(自然科學版), 2008, 9(5): 52-56.

[18] 管慶林, 樊春明, 朱正平, 等. 單點定位中一種載波相位平滑偽距方法[J]. 測繪科學, 2019, 44(2): 116-121.

[19] 劉春, 衛(wèi)吉祥, 李維華, 等. 改進的自適應卡爾曼濾波在北斗偽距單點定位中的研究[J]. 電子測量與儀器學報, 2020, 34(10): 142-148.

[20] 宋美慧, 柴艷菊, 張寶成. GPS/BDS系統(tǒng)間偏差特性及其對PPP影響分析[J]. 導航定位學報, 2020, 8(6): 46-52.

[21] 徐宗秋, 韓澎濤, 丁新展, 等. 復雜環(huán)境下GPS/BDS組合PPP定位性能分析[J]. 導航定位學報, 2019, 7(4): 56-59.

Application of carrier phase smoothing pseudorange in city location

HAN Pengtao1, LI Xueshan2, LIU Meijun3, DING Xinzhan3

（1. School of Civil Engineering and Architecture, Taishan University of Science and Technology, Tai’an, Shandong 271000, China; 2. Heilongjiang Fifth Engineering Institute of Surveying, Mapping and Geographic Information, Harbin 150081, China;3. Shenyang Institute of Surveying and Mapping Co., Ltd., Shenyang 110000, China）

In order to improve the pseudorange single point positioning accuracy in urban environment, the carrier phase smoothing pseudorange was carried out by using the measured static and dynamic Global Positioning System (GPS) single frequency observations. In the static positioning experiment, the accuracy of coincidence positioning in,anddirections after smoothing was 7.8%, 5.3% and 11.6% higher than that of standard pseudo distance positioning. In the dynamic positioning experiment, the accuracy of coincidence positioning inanddirections was increased by 1.5% and 1.1% respectively after smoothing, and the positioning accuracy indirection was basically the same. The experimental results showed that the carrier phase smoothing pseudo distance could improve the accuracy of single point positioning in urban environment, improve the reliability of positioning results, and the dynamic positioning trajectory smoothing was more practical.

carrier phase smoothing pseudorange; single frequency; urban environment; low cost positioning; positioning trajectory

P228

A

2095-4999(2021)06-0130-05

韓澎濤，李雪杉，劉美君，等. 載波相位平滑偽距在城市定位中的應用[J]. 導航定位學報, 2021, 9(6): 130-134.（HAN Pengtao, LI Xueshan, LIU Meijun, et al. Application of carrier phase smoothing pseudorange in city location[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 130-134.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210620.

2021-02-15

韓澎濤（1995—），男，遼寧盤錦人，碩士，助教，研究方向為衛(wèi)星定位與導航。