多普勒观测值平滑伪距单点定位精度分析

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1、Hans 汉 HiGeomatics Science and Technology 测绘科学技术，2017, 5(3), 152-157Published Online July 2017 in Hans, http:/www.hanspub.org/journal/gst https:/doi.org/10.13677/2St.2017.53018Accuracy Analysis of Single Point Positioning Using Doppler Smoothed Pseudorange ObservationsYonglin Zhang. Changsheng Cat Q

2、ingfeng Suit Zhounan DongSchool of Geosciences and Information Physics, Central South University, Changsha HunanEmail: Received: Jun. 25th, 2017; accepted: Jul. 10th, 2017; published: Jul. 13th, 2017AbstractThe C/A code observations have large noise and are easily contaminated by multipath errors. B

3、y contrast, the Doppler values have good accuracy and are not disturbed by multipath The Doppler smoothed pseudorange (DSPR) is used to improve the accuracy of pseudorange Experiments were carried out in the multipath and multipath-free environments. Results show that the DSPR can improve the positi

4、oning accuracy Especially in the multipath environment, the DSPR can improve the accuracy by 26%, 30% and 6% in east, north and lip directions, respectively.KeywordsDoppler, Pseudorange, Multipath, GPS多普勒观测值平滑伪距单点定位精度分析张永林，蔡昌盛，孙清牝董州楠中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙Email: 收稿日期:2017年6月250：录用日期:2017年7月100；发布日期：201

5、7年7月23日摘要GPS伪距观测值测量噪声大，易受多路径等误差影响，而多普勒观测值具有较好的观测精度且不受多路 径误差的干扰.本文采用多普勒平滑伪距观测值进行单点定位解算。在有多路径误差和无多路径误差下文章引用：张永林，轅昌盛，孙淸峰，萤州楠.多泮勒观测伉平滑伪距总点定位秸度分析J.测绘科学技术,2017, 5(3): 152-157. https:/doi.org/10.12677/gst.2017.53018分别进行实验.结果表明多普勒平滑伪距能有效改善单点定位的精度，在多路径环境下，东.北.高三 个方向上的改善率分别为26%、30 %和6%。关键词多普b仿距多路径，GPSCopyrigh

6、t 2017 by authors and Hans Publishers Inc.This work is lice nsed un der the Creative Comm ons Attributio n In ter national Lice nse (CC BY).http:/creativecomm on s.org/lice nses/by/4.0/Open Acctxs1.引言冃前，GPS已广泛应用于导航、工程测绘、地農监测、低轨卫星定轨等多方面1 2.但是，GPS 伪距观测值测虽噪声较大，易受多路径误差十扰，而多普勒观测值具有较好的观测精度且不受多路径误 差的I：扰。利用

7、等普勒观测值与伪距进行联合单点定位，可以提高定位的梢度和稳定性。肖前己有学者 对多普勒观测值在立位和&航中的应用进行了研究。Chea等人研允了多普勒观测值在GPS和北斗快速 定位中的应用3 4： Li等研尢结果表明使用多普勒联合伪距观测值进行定位的效果优于单独使用伪距 观测值习：Cheng等研究了多勞勒平滑伪距的可行性6 7： Zmr等研究利用多普勒和伪距观测伉在多路 径误差影响下进行粗差探测8：此外，还有学者对多普勒测速误差9、载波平滑伪距联合多普勒观测值 的动态滤波10、遮描环境下多普勒联合伪距定位等方面进行了研尤11。以上这些研究工作表明融入多普勒观测值可以有效改善伪距定位的性能。本文首

8、先分析了采样间隔 对多普勒平滑伪距效果的影响，然后采用多普勒平滑伪距观测值方法进行单点定位，分别在多路径和无 多路径环境下分析了增加多普勒观测値后定位精度的改善情况。2.多普勒平滑伪距观测值定位基本的多普勒平滑伪距公式可以表达如下6：(1)瓦产+几+ (1 -J(耳+ 斗J其中耳i表示第F+1历元的伪距平滑值.表示在第i+1历元的测码伪距观测值：報表示i+1历元 的平滑权重因子(SWF)：心几表示用多普勒计算出的历元间距离变化最.计算公式如下所示：=厂人加r*山(2 + 4 J上式中，&表示载波的波长，3表示相邻两历元间的时间间隔，0表示第i历元的多普勒观测值。假设每个历元的多普勒观测值噪声都

9、相等，用7我示，利用误差传播公式计算中厶心,的方差如F式(3)所示：7山上式(3)式可以看出，不同于截波平滑伪距，多普勒观测值平滑伪距受到历元问隔的限制，如果历 元间隔过大，则无法用多普勒观测值平滑伪距。张永林等3数据处理结果与分析3.1.无多路径误差下实验为了验证多普勒平滑伪距算法的冇效性，实脸采用了 IGS参考站KIRU站在2016年第41的数据， 观测文件的历元间隔为1 s,观测时段从0点0分到0点15分共900个历元的数据，采用IGS提供的坐 标作为参考坐标。肖先分析采样间隔对多普勒平滑伪距效果的影响。対采样间隔分别为Is, 30 s的伪距，等普勒，叔 波观测值汁算历元间站星距离的变化

10、量，以我波计算的变化量为基准，分别与伪距和多普勒的计算值相 减，结果如图1,图2所示。从图1可以很容易看到多普勒计算的距离变化量偏差值很小，伪距计算的 变化竜波动远大于多普勒计算的变化戢。从图2可以看到使用多普勒计算的距离变化戢偏差值略好于伪 距，不合适进行參普勒滑伪距。需要注意的是，在文献7中提到使用某些类空的接收机观测到的參普 勒频移汁算出的距离基与戟波计算的距离星之间存在一个稳定的偏圣，在使用时必须消除，文献12中介 绍了一种消除偏差的方法，可以参照该方法进行消除.文献7中采取的方法是先用双频消电离层组合，然后进行多普勒平滑。考虑到当前应用较广泛的都 是单频接收机，本次实验采用的是单频多

11、普勒平滑伪距，采样间隔为Is,平滑窗口大小为100 13。多 普勒平滑伪距定位结果如图3所示。0 100 200300400500历元600700800900Figure 1 Epoch-betxveen range variation biases computed by pseudorange and doppler with respect to the one derived from carrier phase at an epoch interval of 1 sffl 1.采样间隔为1 s时用伪距和多普勒计算的历元间距离差分别与载波计算的距离差相减的结果-.-020406080

12、100历元120140160180OFigure 2. Epochbctwccn range variation biases computed by pscudorange and doppler with respect to the one derived &om carrier phase at an epoch interval of 30 s图2.采样间隔为30 s时用伪距和多普勒计算的历元间距离差分别与载波计算的距离差相减的结果j兀Figure 3 The positioning result of doppler smoothed pseudoranec S 3.多普勒平滑伪距

13、定位结果从图3可以看到，多普勒平滑伪距解算结果的稱度明显高于单独使用伪距解算结果的梢度，特别是 从第500历元开始，多普勒平滑伪距解算结果更加稳宦。农1给出了伪距与多普勒平滑伪距左位结果的 均方根误差(RMS)因为陆程方向上参考坐标与实际解算结果的偏至耍大于水平方向，故表1中多普勒 平滑伪距在水平方向RMS的改善率要高于高程方向。32有多路径干扰下实验在实际观测情况下伪距易受多路径噪声的影响，因此实验模拟对伪距观测伉加入多路径误差，如怪 4所示。下而使用多普勒平滑伪距处理加入多路径误差后的数据，结果如图5所示。对比丧1和表2可知，在零路径噪申的I：扰下，伪距定位结果的RMS值在东、北、高程方向

14、上分别 增加了约9 cm、15 cm、6 cm：多普勒平滑伪距立位结果的RMS值任东、匕、髙程方向上分别增加了约 6 cm、5 cm、1 cm。多普勒平滑伪距精度下降幅度低于单独使用伪距定位的稱度下降幅度.从表中的精 度改善百分比来看，多普勒平滑伪距在多路径误差扰情况下对伪距定位箱度的提升率优于无多路径r- 扰情况下的提升率。由于多普勒观测值不受多路径误差的影响，因而在多路径环境卜，使用多普勒滑 伪距可以有效减弱多路径误差对定位结果的影响。4.结论与展望在伪距单点定位中引入爹普勒观测值，通过实验验证了名普勒平滑伪距的可行性。实验结果表明， 多普勒平滑伪距能较好地改善伪距定位的精度，提髙定位解的

15、稳定性。多普勒平滑伪距方法在多路径环 境下的改善效果好于无多路径下的改善效果。在多路径环境下，多普勒平滑伪距方法在东、北、高程的 精度改善分别为26%、30%、6%。考虑到伪距观测值和多普勒观测值都会受到粗差的影响，分析多普勒观测值中存住粗差的情况卜对 平滑伪距定位方法的影响，寻找剔除多普勒观测值中粗差的方法需要进一步展开研究。此外，爹普勒观 测值可以川來测呈接收机的連度，分析參普勒观测值的测速粘度，研究在动态怙况下多普勒联介伪距的 定位方法也是今后进一步研究的方向。张永林等2Figure The simulated multipath error ffl4.模拟的多路径误差多普約平itt伪距AJ历元Figure 5 Positioning results using dopplcr smoothed pscudorange with simulated multipath errors 图5.在多路径干扰下多普勒平滑伪距定位结果Table 1 The precision analysis of doppler smoothed pseu