GPS精密單點(diǎn)定位精度分析

1、第25卷第1期2005年1月海洋測(cè)繪H YD RO GRA PH IC SU RV EY I N G AND CHA R T I N GV ol 125,N o 11Jan 1,2005收稿日期:2004207208作者簡(jiǎn)介:劉焱雄(19682,男,湖北鄂市人,博士,副研究員,主要從事海洋測(cè)繪及多波束應(yīng)用研究。GPS 精密單點(diǎn)定位精度分析劉焱雄,周興華,張衛(wèi)紅,吳永亭(國(guó)家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061摘要:首先介紹了精密單點(diǎn)定位技術(shù),然后詳細(xì)分析了這種技術(shù)的精度,最后基于這種技術(shù),對(duì)現(xiàn)在運(yùn)行的無(wú)線電指向標(biāo)/差分GPS 臺(tái)站,提出了改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞:差分GPS;定位技術(shù);定位精度中

2、圖分類(lèi)號(hào):P22814文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):167123044(200501200442031前言隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施,海洋科研、海洋開(kāi)發(fā)、海洋工程等海上活動(dòng)日益增加,對(duì)定位精度的要求也呈現(xiàn)出多樣化,如精密的海洋劃界、精密海洋工程測(cè)量等,要求能夠達(dá)到十幾或幾十厘米的定位精度,而采用偽距差分定位只能提供米級(jí)的定位精度,如果使用RTK 功能,作用距離又不能達(dá)到;對(duì)于這部分定位需求,現(xiàn)有的定位手段無(wú)法滿足要求,需要尋求新的定位方式或技術(shù)。本文介紹了近年來(lái)出現(xiàn)的新的GPS 定位技術(shù)精密單點(diǎn)定技術(shù),并基于這種技術(shù),對(duì)現(xiàn)在運(yùn)行的無(wú)線電指向標(biāo)/差分GPS 臺(tái)站提出若干改進(jìn)建議,希望未來(lái)的臺(tái)站能夠?qū)崿F(xiàn)多

3、功能、提供多種定位精度以及滿足不同層次和精度要求的定位需求。2精密單點(diǎn)定位技術(shù)精密單點(diǎn)定位(p recise point positi oning,PPP 技術(shù)由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JP L 的Zumberge 于1997年提出。20世紀(jì)90年代末,由于全球GPS 跟蹤站的數(shù)量急劇上升,全球GPS 數(shù)據(jù)處理工作量不斷增加,計(jì)算時(shí)間呈指數(shù)上升。為了解決這個(gè)問(wèn)題,作為國(guó)際GPS 服務(wù)組織(I GS 的一個(gè)數(shù)據(jù)分析中心,JP L 提出了這一方法,用于非核心GPS 站的數(shù)據(jù)處理。該技術(shù)的思路非常簡(jiǎn)單,在GPS 定位中,主要的誤差來(lái)源于三類(lèi),即軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時(shí)。如果采用雙頻接收機(jī),可以利用

4、LC 相位組合,消除電離層延時(shí)的影響。這樣,定位誤差只有軌道誤差和衛(wèi)星鐘差兩類(lèi)。如果能夠提供精確的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差,利用觀測(cè)得到的相位值,就能精確地計(jì)算出接收機(jī)位置和對(duì)流層延時(shí)等信息。假設(shè)LC 的觀測(cè)方程如下:LC =+c (dT -d t +D trop +LC N LC 這里,LC =f 12f 12-f 22L 1-f 22f 12-f 22L 2;LC =cf 12-f 22;N LC =f 1N 1+f 2N 2式中,L 1和L 2為相位觀測(cè)值,單位為m ;f 1和f 2為頻率;N 1和N 2為模糊度參數(shù);c 為光速;dT 和dt 分別為接收機(jī)和衛(wèi)星參數(shù);D trop 為對(duì)流層延時(shí)

5、;為星站間的幾何距離,包含衛(wèi)星和接收機(jī)的位置、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道,計(jì)算的參考框架同為地心地固系,可以消去觀測(cè)方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。于是,只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差,采用精密的觀測(cè)模型,就能像偽距一樣,單站計(jì)算出接收機(jī)的精確位置、鐘差、模糊度以及對(duì)流層延時(shí)參數(shù)。3精密單點(diǎn)定位精度分析實(shí)踐中,采用PPP 技術(shù),完全可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。圖1是德國(guó)GFZ 的計(jì)算結(jié)果,列舉了三個(gè)I GS 站高程方向的精度比較。其誤差是這樣計(jì)算的:首先使用12h 數(shù)據(jù)窗口,采用PPP 技術(shù)計(jì)算出位置參數(shù),然后減去已知值。15天的重復(fù)性結(jié)果顯示,高程方向的精度完全優(yōu)于2c m 。GPS

6、定位中,水平方向的定位精度優(yōu)于高程方向,所以我們可以肯定,PPP 技術(shù)完全可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度?？焖凫o態(tài)定位方面,美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的結(jié)果顯示,采用40m in 的數(shù)據(jù)段,采樣率為30s,與已知第1期劉焱雄,等GPS 精密單點(diǎn)定位精度分析值比較,絕對(duì)定位的平均誤差為18c m ,標(biāo)準(zhǔn)偏差為2c m 。據(jù)分析,18c m 的平均誤差為系統(tǒng)偏差,由對(duì)流層延時(shí)和殘余的固體潮改正引起。 圖1精密單點(diǎn)定位結(jié)果的高程精度分析實(shí)時(shí)應(yīng)用方面,俄亥俄州立大學(xué)的結(jié)果顯示,采樣1s 的采樣率,與精密的DGPS 結(jié)果比較,實(shí)時(shí)的絕對(duì)定位精度優(yōu)于40c m 。由于每秒鐘的衛(wèi)星鐘差是由30s 的衛(wèi)星鐘差內(nèi)插而得,影響

7、了絕對(duì)定位的精度;如果能夠?qū)崟r(shí)得到更精密的衛(wèi)星鐘差,未來(lái)的絕對(duì)定位精度可望進(jìn)一步提高。另外,武漢大學(xué)GPS 研究中心也得到了類(lèi)似的實(shí)時(shí)定位結(jié)果。PPP 技術(shù)在大地測(cè)量中已經(jīng)得到了應(yīng)用。美國(guó)JP L 的GI PSY 軟件、瑞士的BERNESE 軟件和德國(guó)的EP OS 軟件都包括了PPP 功能。JP L 每日提供的全球I GS 站的對(duì)流層延時(shí),就是采用PPP 技術(shù)計(jì)算的結(jié)果。I GS 已經(jīng)決定,各數(shù)據(jù)分析中心今后提交的對(duì)流層延時(shí)信息,統(tǒng)一使用PPP 技術(shù),替代原有的網(wǎng)解成果。這些都是后處理結(jié)果。 武漢大學(xué)GPS 中心的研究人員也進(jìn)行了PPP 技術(shù)的研究工作。他們使用I GS 提供的精密星歷和自己計(jì)

8、算的精密衛(wèi)星鐘差,對(duì)位于夏威夷的I GS 站K OK B 站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。K OK B 站的坐標(biāo)已知,實(shí)驗(yàn)中采用了平滑偽距和非差相位兩種觀測(cè)值,分別計(jì)算了每個(gè)單歷元的定位結(jié)果,類(lèi)似于動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)處理模式。圖2為平滑偽距的結(jié)果與已知坐標(biāo)在X 方向上的差值,圖3為非差相位的計(jì)算結(jié)果與已知的X 值的差異,圖4為非差相位計(jì)算結(jié)果的中誤差。 圖2平滑偽距計(jì)算的結(jié)果與已知坐標(biāo)在X方向的差異 圖3非差相位計(jì)算的結(jié)果與已知坐標(biāo)在X 方向的差異根據(jù)圖2顯示的結(jié)果,采用平滑偽距可以達(dá)到米級(jí)的定位精度;采用圖3非差相位,經(jīng)過(guò)約15m in 的初始化后,單歷元的定位結(jié)果趨于穩(wěn)定,定位結(jié)果與已知坐標(biāo)在X 、Y 、Z

9、 方向上的最大差值分別為01158m 、0.174m 和0.167m 。由圖4的殘差分析,絕大多數(shù)的中誤差小于15c m 。根據(jù)他們的分析,非差定位結(jié)果中仍然存在著系統(tǒng)性差異,未來(lái)的結(jié)果應(yīng)該更好。圖4單歷元非差相位觀測(cè)值計(jì)算結(jié)果的中誤差為了進(jìn)一步揭示精密單點(diǎn)定位技術(shù)能夠得到的定位精度水平,作者分別利用GPS 網(wǎng)的解算模式(網(wǎng)解和精密單點(diǎn)定位模式(PPP 解計(jì)算了德國(guó)W EST 站的坐標(biāo)值,比較的結(jié)果如圖5。計(jì)算時(shí),兩種模式采用了相同的外部條件和約束,所以坐標(biāo)差值只是反映了算法上的區(qū)別。16天的結(jié)果顯示,在X 、Y 、Z 方向上的坐標(biāo)差分別為410±216mm 、217±31

10、4mm 、412±412mm ,這種差異僅為幾個(gè)毫米,等同于觀測(cè)噪聲,并非系統(tǒng)性差異,因?yàn)橛蒅PS 技術(shù)本身造成的觀測(cè)噪聲已經(jīng)達(dá)到幾個(gè)毫米。因此,我們有理由認(rèn)為,由網(wǎng)解和PPP 解得到的坐標(biāo)和對(duì)流層延時(shí)估值是等價(jià)的。圖5PPP 解和網(wǎng)解的坐標(biāo)值比較(測(cè)站:W EST 4改進(jìn)無(wú)線電信標(biāo)/差分GP S 臺(tái)站的建議前面的精度分析部分,已經(jīng)證明了PPP 技術(shù)能夠得到的高精度定位結(jié)果的能力,如果在現(xiàn)有的無(wú)線電信標(biāo)/差分GPS 臺(tái)站中,加入PPP 定位技術(shù),從技術(shù)層面上說(shuō),應(yīng)該是完全可行的。從現(xiàn)實(shí)性來(lái)看,它不會(huì)增加太多的新設(shè)備,只是在原有設(shè)備和條件的基礎(chǔ)上,在計(jì)算方法上作出一些改進(jìn),另外開(kāi)通兩條

11、新的電文發(fā)播衛(wèi)星軌道和鐘差。根據(jù)PPP 技術(shù)的要求,定位中需要系統(tǒng)提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差。目前,國(guó)際GPS 服務(wù)組織54海洋測(cè)繪第25卷(I GS的幾個(gè)數(shù)據(jù)分析中心具備這個(gè)能力提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差,但是,這些都是后處理結(jié)果。根據(jù)I GS的產(chǎn)品報(bào)告,I GS提供的衛(wèi)星軌道精度能夠達(dá)到23c m,衛(wèi)星鐘差的精度優(yōu)于0.02ns,這種精度的衛(wèi)星鐘差和軌道,能夠滿足任何精度的定位要求。近10年,由于I GS的努力,GPS衛(wèi)星預(yù)報(bào)軌道的精度已經(jīng)達(dá)到十幾厘米,預(yù)報(bào)軌道的時(shí)間也由24h預(yù)報(bào)縮短到3h預(yù)報(bào),衛(wèi)星軌道的精度已經(jīng)能夠滿足一般定位的要求。由于I GS現(xiàn)在不能提供實(shí)時(shí)和外推的精密衛(wèi)星鐘差,制約了

12、實(shí)時(shí)PPP技術(shù)的應(yīng)用;精密的衛(wèi)星鐘差仍然是PPP技術(shù)實(shí)時(shí)應(yīng)用瓶頸,目前I GS只有后處理衛(wèi)星鐘差,JP L和GFZ已經(jīng)有能力提供快速衛(wèi)星鐘差。在無(wú)線電信標(biāo)/差分GPS臺(tái)站中,如果系統(tǒng)只要求PPP技術(shù)提供優(yōu)于0.5m的定位精度,相應(yīng)的衛(wèi)星鐘差精度大約為0.5ns。對(duì)于這種精度的衛(wèi)星鐘差,完全可以在差分基準(zhǔn)站自己計(jì)算。根據(jù)作者自己的經(jīng)驗(yàn),衛(wèi)星鐘差的計(jì)算與測(cè)站的空間位置無(wú)關(guān),如果在差分基準(zhǔn)站裝置2臺(tái)具有相位接收功能的GPS接收機(jī),根據(jù)實(shí)時(shí)的GPS數(shù)據(jù),完全可以實(shí)時(shí)計(jì)算出優(yōu)于0.3ns的實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差。另外,自從2000年5月2日凌晨開(kāi)始,S A技術(shù)的關(guān)閉,衛(wèi)星鐘差的變化變得平緩,在不影響定位精度的前提

13、下,使衛(wèi)星鐘差外推的時(shí)間得以延長(zhǎng)。在信號(hào)發(fā)播方面,系統(tǒng)增加PPP定位功能不會(huì)過(guò)多加重發(fā)播數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。I GS預(yù)報(bào)星歷每15m in 一組,這意味著軌道信息每15m in更新一次;實(shí)際發(fā)射的軌道信息,可以考慮軌道跟數(shù)、多項(xiàng)式系數(shù)或迪卡爾坐標(biāo)衛(wèi)星,發(fā)射時(shí)可以采用較低的波特率,如1200bp s。衛(wèi)星鐘差屬于快變化量,而實(shí)際的數(shù)字不大,變化部分更小,外推的時(shí)間可以考慮30s或更長(zhǎng),傳送數(shù)據(jù)所需的波特率也不高,如1200bp s。在差分GPS系統(tǒng)的用戶端,不需要增加任何設(shè)備。精密的軌道和鐘差信息可以從接收到的RT C M 信號(hào)中獲取,如果另外安裝了PPP定位程序,用戶端根據(jù)自己需要,可以選擇PPP定位

14、功能。當(dāng)然,如果用戶需要優(yōu)于0.5m的定位精度,最好使用載波相位GPS接收設(shè)備。5結(jié)論本文基于我國(guó)無(wú)線電信標(biāo)/差分GPS臺(tái)站的應(yīng)用現(xiàn)狀,提出了采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)改進(jìn)沿海差分GPS系統(tǒng)的設(shè)想。在事后應(yīng)用方面,精密單點(diǎn)定位技術(shù)已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用,根據(jù)文中的精度分析,精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以達(dá)到厘米級(jí)的靜態(tài)定位精度,動(dòng)態(tài)定位精度也可以達(dá)到幾十厘米,如果進(jìn)一步優(yōu)化算法和模型,定位精度可望繼續(xù)提高。在實(shí)時(shí)應(yīng)用方面,實(shí)時(shí)和外推的精密衛(wèi)星鐘差仍然是PPP技術(shù)的瓶頸?，F(xiàn)在還沒(méi)有商業(yè)和科研機(jī)構(gòu)為全球用戶提供精密的實(shí)時(shí)鐘差服務(wù),但是,實(shí)現(xiàn)這種服務(wù)本身的技術(shù)本身并不復(fù)雜,差分GPS系統(tǒng)的基準(zhǔn)站完全有能力自己計(jì)算。隨

15、著精密單點(diǎn)定位技術(shù)的推廣應(yīng)用,越來(lái)越多地商業(yè)機(jī)構(gòu)介入,未來(lái)的GPS定位模式將越來(lái)越多地依賴精密單點(diǎn)定位技術(shù),我們相信,如果我國(guó)的無(wú)線電信標(biāo)/差分GPS 臺(tái)站及早改造、盡快應(yīng)用,在未來(lái)的海洋定位和精密導(dǎo)航服務(wù)中心將獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。參考文獻(xiàn):1Zum berge,J E,M B H eflin,et a l1P recise pointpositioning for the efficient and robust analysis of G PSdata from large net w orksJ.Journal G eophys,1997,(3:50055018.2G eoffrey B lew

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