[科普中國]-周跳

簡介

正確地探測并恢復(fù)周跳，是載波相位測量中非常重要且必須解決的問題之一。導(dǎo)致周跳產(chǎn)生的信號失鎖可長達(dá)數(shù)分鐘，也可能發(fā)生在兩個相鄰歷元之間。在前一情況下，周跳很容易識別，因為此衛(wèi)星在失鎖期間就不再有相位差觀測值；但在后一情況下，在失鎖前后的每個歷元都有包括整數(shù)和小數(shù)部分的相位差觀測值，故難以察覺已曾發(fā)生的周跳。對于某顆衛(wèi)星瞬時相位差觀測值，發(fā)生中斷的第一類周跳，可據(jù)發(fā)生之前此衛(wèi)星的若干個連續(xù)的單差觀測值，用高階拉格朗日多項式進(jìn)行擬合，然后外推恢復(fù)跟蹤后第一個歷元單差觀測值中應(yīng)有的整周數(shù)，并取而代之，推求出的整周數(shù)與原整周數(shù)之差也用于修正隨后各歷元的整周數(shù)。亦可用周跳后的觀測值逆向外推之前的觀測值，求得整周數(shù)偏差后再改正周跳后的觀測值；對于發(fā)生在兩個歷元之間的第二類周跳，可用前面若干個正確的連續(xù)觀測值擬合外推下一個歷元觀測值，據(jù)其整周數(shù)與實際觀測值的整周數(shù)是否有差異判斷是否存在周跳，若存在，即用求得的整周數(shù)之差修正此歷元及其隨后的歷元觀測值中的整周數(shù)。

定義GNSS載波相位觀測量是由不足一整周的小數(shù)部分 和整周部分 組成。其中小數(shù)部分是接收機(jī)所產(chǎn)生的參考信號與來自衛(wèi)星的載波信號的相位之差中小于一周的部分，這部分觀測值可以認(rèn)為是精確的； 則是接收機(jī)從接受衛(wèi)星信號時刻 t 到當(dāng)前時刻記錄的載波相位整周數(shù)。接收機(jī)在連續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號時，由于某種原因如信號被遮攔、無線電干擾等原因使接收機(jī)的計數(shù)器在累計工作期間產(chǎn)生中斷，使得相位發(fā)生整周跳變，但其中不足一周的部分仍保持不變，這個整周跳變稱為周跳。

產(chǎn)生原因周跳發(fā)生的原因有很多，常見的原因主要有：

(1) 衛(wèi)星信號中斷，如被高層建筑物、高山、樹木、橋梁等阻擋導(dǎo)致衛(wèi)星信號暫時中斷。

(2) 衛(wèi)星信號信噪比過低，如衛(wèi)星高度角偏低、電離層變化較劇烈或多路徑效應(yīng)太大等。

(3) 接收機(jī)處于相對運動狀態(tài)，如RTK測量中受外界因素干擾嚴(yán)重從而導(dǎo)致衛(wèi)星信號短暫失鎖。

(4) 接收機(jī)或衛(wèi)星出現(xiàn)故障，如衛(wèi)星振蕩器故障、接收機(jī)軟件故障等引發(fā)接收機(jī)內(nèi)部信號錯誤。

若由電源的故障或振蕩器本身的故障而使信號暫時中斷，那么中斷前后信號己失去了連續(xù)性。即使電源或振蕩器恢復(fù)正常工作后，對于其觀測值，整周計數(shù)部分和不足整周的小數(shù)部分都不正確，這一現(xiàn)象不屬于周跳，而是失鎖。

周跳對定位的影響在GNSS測量過程中，連續(xù)跟蹤某顆衛(wèi)星，若在某一歷元載波相位觀測值發(fā)生了周跳△N，則該衛(wèi)星觀測量序列以后的所有歷元都會增加一個同樣大小的整周偏差，可表示為：

式中， 為載波相位觀測量，i 為對應(yīng)歷元。一旦發(fā)生周跳，將會有一系列載波相位觀測值受到影響，導(dǎo)致觀測值發(fā)生錯誤，從而影響定位結(jié)果，為此，周跳的探測與修復(fù)是非常必要的。當(dāng)周跳小于10周，特別是1~5周，半周和1/4周的周跳很難探測到，若將其帶來的誤差視為偶然誤差，將嚴(yán)重影響觀測量的精度。根據(jù)查佩斯的統(tǒng)計，觀測值中存在一個周跳對經(jīng)度的影響為0.03~0.06m，對緯度的影響為0.10~0.18m，對高程方向的影響為0.14~0.16m，即使觀測值中只有一顆衛(wèi)星發(fā)生一周的周跳，也會對定位結(jié)果產(chǎn)生幾厘米的影響。因此，在高精度的GNSS數(shù)據(jù)處理時，必須正確探測出所有周跳。

影響周跳因素GNSS的觀測量是一種隨時間變化的序列，載波相位觀測值作為時間的函數(shù)，在其可視的連續(xù)時間內(nèi)應(yīng)該是一條隨時間變化的光滑曲線，然而一旦發(fā)生周跳，這種光滑性就被破壞，且自該歷元開始，后繼相位觀測值序列均發(fā)生等量跳躍。GNSS載波相位觀測值或組合觀測值受觀測噪聲和接收機(jī)鐘跳的影響其觀測序列發(fā)生變化。

(1) 觀測噪聲：由載波相位的觀測方程可知，觀測噪聲主要來源于接收機(jī)至衛(wèi)星之間的幾何距離誤差、接收機(jī)和衛(wèi)星的鐘差、大氣層延遲、多路徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲等。由于一些誤差的空間相關(guān)性，對GNSS觀測值進(jìn)行適當(dāng)?shù)木€性組合可消除大部分的誤差，但組合的觀測方程仍含有如多路徑誤差、電離層殘差等的影響。因此，在探測之前需對不同系統(tǒng)的衛(wèi)星贊據(jù)后量講桿分析，為構(gòu)浩箱健而R漸咸的周跳粉聆量捍棋了前棵冬件。

(2) 鐘跳：GNSS觀測數(shù)據(jù)除了包含周跳和粗差還包含著接收機(jī)鐘跳。鐘跳是干擾粗差和周跳探測的一個重要因素，能夠?qū)е卢F(xiàn)有的部分周跳探測方法失效，為了提高數(shù)據(jù)處理的精度和效率，對接收機(jī)鐘跳的研究也成為高精度GNSS數(shù)據(jù)處理必不可少的一個環(huán)節(jié)。

周跳檢驗量構(gòu)造周跳檢驗量的構(gòu)造思想可理解為基于基本觀測量，對其本身或組合的時間變化規(guī)律進(jìn)行分析，盡可能地消去與時間相關(guān)的項，形成新的時間序列。判斷GNSS載波相位觀測值是否出現(xiàn)周跳，實質(zhì)上就是探測新的組合時間序列是否有突變。依據(jù)粗差探側(cè)理論，比較檢測量的變化與評定標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。在指標(biāo)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)為正常數(shù)據(jù)，不存在周跳;否則認(rèn)為觀測數(shù)據(jù)存在問題，則進(jìn)一步探測周跳發(fā)生的歷元以及大小，最后對參與基線解算的數(shù)據(jù)采用周跳改正數(shù)進(jìn)行修正。

目前，常用于周跳探測的檢驗量有：(1)非差相位觀測值；(2)載波偽距組合觀測值；(3)相位組合觀測值。常用的周跳探測方法有高次差法、多項式擬合法、MW組合法、電離層殘差法等。如圖1所示1。