（大地测量学与测量工程专业论文）gps动态精密单点定位（ppp）研究.pdf

摘要 g p s 精密单点定位( p p p ) 是一种利用高精度的g p s 卫星星历和卫星钟差以及双频载波 相位观测值，并采用非差模型进行高精度单点定位的方法。由于其定位方法简单，只要台 接收机就可以在全球范围内进行静态或动态独立作业，并且可以直接得到分米级甚至厘米级 精度的v g s 一8 4 坐标或i t r f 框架坐标。因此，它在高精度工程测量和动态高精度的导航与定 位等方面都具有不可限量的应用前景。本文对动态精密单点定位进行了深入研究，阐述了影 响辅密单点定位的误差来源及消除或削弱误差的方法，借助于p 3 软件论述了卡尔曼滤波在 动态精密单点定位中的应用，通过动态试验分析了动态精密单点定位的精度。 g p s 精密单点定位采用的是非差观浸0 模型，其误差不能通过差分方法消除，但是可以通 过模型，估计和观测组合来削弱它们的影响。本文除了深入分析了与卫星有关的误差、与卫 星信号传播有关的误差、与接收设备有关的误差等g p s 定位中的一般误差外，还分析了与地 球整体运动有关的地球自转效应、地球潮汐以及大洋负荷等误差，并且分别阐述了消除或削 弱这些误差的方法。 卡尔曼滤波是在线性无偏最小方差估计原理下推得的一种递推滤波方法，它引入了状态 空间的概念，借助系统的状态转移方程根据前时刻的状态估值和当前时刻的观测值递推估 计新的状态估值。与最小二乘法比较，卡尔曼滤波更适合于g p s 动态定位数据的处理。本文 以精密单点定位专业解算软件p 3 软件为例，分析了卡尔曼滤波在动态精密单点定位中的应 用，讨论了动态情况下卡尔曼滤波器中参数的随机模型，通过实测数据分析了卡尔曼滤波器 中参数初值的设定。 本文重点分析了动态精密单点定位的结果和精度。进行了地面车辆动态试验并且采用了 p 3 软件和g r b f n a v 差分软件对试验数据进行了解算，然后从内符合与外符合两个层面比较分 析了动态精密单点定位的结果和精度。通过分析可知，动态精密单点定位在采用i g s 分析中 心提供的3 0 s 间隔的卫星钟差产品时，可以达到厘米级的定位精度。 关键词：g p s ，动态精密单点定位，卡尔曼滤波，精密卫星星历和卫星钟差，精度分析 a b s t r a c t g p sp r e c i s ep o h np o s i t i o n i n g ( p p p ) u s e su n - d i f f e r e u e e dd u a l - f r e q u e n c yp s e u d o r a n g ea n d c a r r i e rp h a s eo b s e r v a t i o n sa l o n gw i t hi g sp r e c i s eo r b i ta n ds a t e l l i t ec l o c k s ，f o rs t a n d - a l o n ep r e c i s e g e o d e t i cp o i n tp o s i t i o n i n g ( s t a t i co rk i n e m a t i c ) w i t h c e n t i m e t e ro rm i l l i m e t e rp r e c i s i o n ( w g s - 8 4 o ri t r f ) t h e r e f o r e ，i tc a nb ew i d e l yu s e di nh i g hp r e c i s ee n g i n e e d n gs u r v e ya n dd y n a m i c n a v i g a t i o n t h i st h e s i sd e e p l ys t u d i e sk i n e m a t i c p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ，p r e s e n t st h ee r r o r s o l l l e sa n dt h ee r 犯fm i t i g a t i o nt e c h n i q u e so fp p p i ta l s ot a k e sp 3a sa r te x a m p l et oa n a l y z e k a l m a nf i l t e r sa p p l i c a t i o ni nk i n e m a t i cp p pi tt a c k l e st h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fk i n e m a t i cp p p b yd y n a m i ct e s t s p p pb s e su n - d i f f e r e n c e do b s e r v a t i o nm o d e l s ot h ee l f o r so fi tc a nn o tb em i t i g a t e dt h r o u g h d i f f e r e n c em e t h o d ，b u tt h e yc a l lb em i t i g a t e db ym o d e l i n g ，e s t i m a t i o no ro b s e r v a t i o nc o m b i n a t i o n t h et h e s i sn o to n l ya n a l y s e st h ee r r o r sr e l a t e dw i t hs a t e l l i t e s ，s i g n a lp r o p a g a t i o na n da c c e p t i n g e q u i p m e n t s , b u ta l s oa n a l y s e ss o m e 盯r o r $ r e l a t e dw i t he a r t hr c 站t i o n ，i n c l u d i n ge a r t hr o t a t i o n ， e a r t ht i d ea n do c e a nt i d el o a d i n g t h em e t h o d st om i t 培a t et h e ma r ea l s op u tf o r w a r di nt h et h e s i s k a l m a nf i l t e ri sa ne x t r e m e l ye f f e c t i v ea n dv e r s a t i l ep r o c e d h l l _ ef o rc o m b i n i n gn o i s ys e , n s o r o u t p u t st oe s t i m a t et h es l a t eo fs y s t e mw i t hu n c e t 。m i nd y n a m i c s k a t r r a mf i l t e ra l g o r i t h mi s u n b i a s e da n dm i n i m u mv a r i a n c ew h i c hi sb e t t e rt h a nt h el e a s ts q u a r er o o te s t i m a t i o nm e t h o di n g p sd y n a m i cs y s t e m t h et h e s i st a k e sp 3s o f t w a r eo sa l le x a m p l e d i s c u s s e st h er a n d o mm o d e l so f p 缸m 难l e 体a n dh o w t oo b t a i nt h ei n i t i a lp a r a m e t e r so fk a l m a nf i l t e rb yl a n dv e h i c l ed a t a ， t i f f st h e s i sm a i n l yt a c k l e st h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo fk i n e m a t i c 既 pu s i n gl a n dv e h i c l e t h e d y n a l r 血t e s t sa l ec a l y i e do u tb yt h ea u t h o r t h ec o r r e s p o n d i n gt e s td a t ah a sb e e nm a d ew i t hp 3a n d g r a f n a vs o f t w a r e a n db o t hi n s i d ep r e c i s i o na n do u t s i d ep r e c i s i o na l ea n a l y s e df o l l o w i n gi nt h e p a p e r t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep r e c i s i o no fk i n e m a t i cp p pc a nr e a c hc e n t i m e t e rd e g r e ew h e n t h ea d o p t e ds a t e l l i t e c l o c k c o n 酬o ns a m p l i n g i n t e r v a l s o f i g sa r c3 0 s k e yw o r d ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m , k i n e m a t i cp r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ，k a l m a nf i l t e r , n 砸e p b e m e n d e sa n ds a t e l l i t ec l o c kc o r r e c t i o n s ，p r e c i s i o na n a l y z e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材科。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：驺鞋日期：互渺 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 墨缀 日期：珥p 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从上世纪7 0 年代开始研制， 于1 9 9 4 年全面建成的新一代卫星导航定位系统( 陈俊勇，1 9 9 4 ) ，具有在海，陆、空进行 全方位实时三维导航与定位的能力。目前，g p s 以全天候、高精度、自动亿，高效益等显 著特点，在载运工具导航、交通控制、自动驾驶、石油勘探、军事、大地测量、工程测量、 航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等部门和领域得到 了广泛应用。g p s 的出现，给测绘领域带来了一场深刻的技术革命。 g p s 卫星播发的信号包括第一导航定位信号( 包括：l 1 载波及调制在l 1 上的c a 码、p 码、 数据码( 导航电文) ) 和第二导航定位信号( 包括：l 2 载波及调制在l 2 上的p 码、数据码( 导航电 文) ) | 1 1o 随着g p s 现代化的实施，在民用部分，增加l 5 民用频率( 陈俊勇，2 0 0 0 ) ，从而形 成用3 个频率g p s 信号( l l ，l 2 ，l 5 ) 同时进行导航定位的新格局 2 5 1 。由于c a 码波长约为2 9 3 m ， p 码波长约为2 9 3 m 。载波的波长远小于伪噪声码的波长。l l 波长为1 9 0 3 c ，l 2 波长2 4 4 2 c m 。 所以，使用载波相位定位的精度比使用伪距法定位的精度要高。 传统的g p s 单点定位是指利用单台接收机的测码伪距及广播星历的卫星轨道参数和卫星 钟差改正进行定位。由于测码伪距的精度一般为数分米至数米，广播星历的轨道精度为数米 至数十米，卫星钟差改正精度为_ 2 0 n s 左右，以及电离层误差、对流层误差、多路径效应误 差等的影响，因此，即使s a ( s e l e c t i v ea v a i l a b i l i t y ) 关闭后，其静态定位精度也只能达 到米级，而动态定位精度约为l o m 4 0 m t ，较低的定位精度不能满足精密导航、大地测量、 变形监测、精密工程测量等的要求。 为了提高精度，出现了g p s 相对定位，它是用两台以上接收机同步观测相同的g p s 卫星， 以确定基线端点的相对位置或基线向量。相对定位有静态相对定位和动态相对定位之分。在 静态相对定位中，接收机天线在观测时段内静止不动采集观测数据( 主要是载波相位观测 值) ，然后利用后处理软件求得测站之问的基线向量。定位的精度取决于测量的观测时段的 长短、基线长度、接收机的质量( 单频还是双频) 、接收卫星的情况及观测环境等。目前， 静态相对定位技术已经比较完善。利用高精度处理软件，如g a m i t ，b e i 淝s e 等，对于中长基 线( 1 0 0 0 k m ) ，静态相对定位结果的精度可以达到厘米级甚至毫米级，而对于数千公里的 特长基线，其长时间观测的定位结果精度也可以达到厘米级嘲【3 】。动态相对定位技术( r t k ) 一般是基于单基站动态定位，它是利用一台接收机固定在坐标已知的基准站上，其它流动站 的接收机天线处于运动状态，基准站利用数据通讯链将载波相位观测值或差分改正值播发给 流动站，流动站利用载波相位观测值或差分改正值进行实时定位。实时定位技术的最大缺憾 在于基准站与用户站之间的距离不能过长，只有它们之间的距离在2 0 k m 以内时，才能进行有 1 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 效定位】。为了突破其距离限制，人们又提出了多基站r t k 、虚拟基站( v r s ) 等技术，利用 这些技术可以实现基准站5 0 k m 7 0 k m 作业距离的厘米级实时动态定位f 3 2 j 。 g p s 相对定位通过组成差分观测值来消除接收机钟差、卫星钟差等公共钟差以及减弱对 流层延迟、电流层延迟等相关性的影响，因此，它是目前g p s 定位中精度最好的一种方法， 这种作业方式在大地测量领域扮演了重要的角色，广泛应用于大地测量、精密工程测量、精 密导航、地球动力学的研究等。但是它也有很多不足之处：作业需要多套接收机设备，多名 作业人员；另外，随着距离的增加，对流层延迟、电离层延迟等误差的相关性减弱，必须相 应的延长观测时间，才能达到预期的精度，作业有效距离受到限制等。 通过以上分析可知，最好是有一种方法，采用单点定位而又能达到差分后的定位精度， 这种方法就是精密单点定位，简称p p p ( p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ) 。它是一种利用高精 度的g p s 卫星星历和卫星钟差以及双频载波相位观测值，采用非差模型进行高精度单点定位 的方法。与传统的单点定位相比，精密单点定位的精度提高了几十倍，可以满足一些大地测 量和精密导航的需要；与相对定位相比，精密单点定位可以利用一台接收机在全球范围内进 行静态或动态的独立作业，外业观测的组织和实施方法较为方便自由，数据处理也较为简单， 减少了工作的流程、设备和人员，从而降低了作业成本，提高了作业效率。鉴于以上优点， 精密单点定位的应用前景十分广泛，也是目前g p s 界研究的热点之一。 1 2 国内外研究现状 国际g p s 服务组织i g s ( i n t e r n a t i o n a lg p ss e r v i c e ) 是国际大地测量协会i a g ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fg e o d e s y ) 于1 9 9 3 年创建的一个为g p s 提供应用服务的 国际组织，该组织于1 9 9 4 年一月正式运行，并且负责提供g p s 轨道数据和星历信息，地球 自传参数，对流层延迟和全球电离层的分布图等。 由于i g s 能够提供精密的卫星星历和卫星钟差，因此，就使得单点定位无需差分而获得 高精度成为可能。j p l 的z u m b e r g e 等人在1 9 9 7 年就提出了利用双频接收机进行非差单点定 位，先利用全球分布的若干i g s 跟踪站数据计算出精密卫星轨道参数和卫星钟差，再利用 所求得的卫星轨道参数和卫星钟差，处理单台接收机采集的非差相位数据，通过事后解算， 其单天解的定位精度在水平方向达到i c m ，在高程方向达到2 c m ( z u m b e g e ，1 9 9 7 ) 。n r c a n ( n a t u r a lr e s o u r c e sc a n a d a ) 的k o u b a 和h e r o u s ( 2 0 0 0 ) 首先详细地论述了利用双频接 收机进行非差单点定位技术。他们提出了非差单点定位中的一些误差改正模型，并且把自己 的试验数据和z u m b e g e 等的试验数据做了对比，得到了相似的结果吲。后来，j p l 的 m u e l l e r s c h o e n ( 2 0 0 0 ) 等人提出了全球实时精密单点定位技术。实验结果表明，在全球范 围内可望实现水平方向定位精度为1 0 c m 2 0 c m 的实时动态精密单点定位嗍。此外，加拿大 c a l g a r y 大学的g a oy 和s h e nx ( 2 0 0 1 ) 也对此作了详细的论述，同时提出了一种新的观测 模型，就是除了对测站参数，接收机的时钟和对流层的延迟等进行估计外，该模型还对每颗 卫星的两个浮动模糊度进行了估计。同时，他们还提出了解决浮动模糊度的新的技术方法， 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 即“p s e u d o f i x i n g ”法。 除了以上的学术研究机构外，几个大的商业公司对精密单点定位技术也非常关注并且进 行了不同程度的研究，如n a v c o m 公司的s t a r f i r e 和o m n i s t a r 一呻系统就包含有精密单点定 位的内容( b i s n a t h ，2 0 0 3 ) 。 在国内方面，黄碱等人研究了采用g i p s y 软件的精密单点定位方法解算区域基准网问题 ( 黄碱等，2 0 0 1 ) 。武汉大学的时世榕博士对非差相位精密单点定位技术进行了深入研究， 并利用自己提出的改进模型及自行研制的定位软件进行了试算，单天解的精度为：b 方向优 于l c m ，l 方向优于2 c m ，h 方向优于3 c m 。利用单点定位技术进行动态定位时，初始化时间约 为1 5 r a i n ，此后单历元解的精度为：b 、l 、h 方向均优于2 0 c m ，大部分解的精度优于l o c m 。利 用g p s 精密预报星历和实时估计的卫星钟差进行实时动态定位的精度为4 0 左右【i ”。武汉大 学的张小红副教授也对p p p 作了深入的研究，并首次将p p p 技术应用到航空测量和极地科学 考查中m 1 ，他还针对p p p 编制 t r i p 解算软件，使用t r i p 软件解算，高动态( 飞机) 精密单 点定位可以实现亚分米级的定位精度“4 j 。 从国内外研究成果的分析来看，目前研究的重点主要集中在l a p p 定位模型的建立、大 气折射的影响分析、软件实现和p p p 静态定位精度分析等方面，对于动态精密单点定位的 精度研究还不够深入，比如：动态精密单点定位的精度不是绝对的，它是与差分软件解算出 来的结果比较而得出的相对精度，选用不同的单点定位解算软件和不同的差分解算软件，得 出的研究结果也不完全相同；不同的精密卫星星历和卫星钟差对动态精密单点定位的影响； 卡尔曼滤波在动态精密单点定位中的应用及卡尔曼滤波器中初值的参数设置对动态定位精 度的影响。本文将针对以上问题进行深入的研究和分析。 1 3 本论文的主要研究内容和意义 g p s 精密单点定位技术是1 9 9 7 年提出的，相对于其它的定位方法，它可以很大程度地提 高作业效率、降低作业成本，大量地节省人力、财力和物力，应用前景十分广泛。它可以直 接用来建立大地控制网；沙漠、戈壁中点位距离相对较长的油矿测量：军用直升机的导航定 位等，因此，自从p p p 提出以后，一直是g p s 界研究的热点。结合当前国内外的研究情况，本 文主要内容如下： ( 1 ) 详细论述了精密单点定位( p p p ) 方法的原理。 传统的g p s 单点定位是指利用伪距及广播星历的卫星轨道参数和卫星钟差改正进行定 位。由于伪距( 即使是p 码伪距) 的观测噪声至少也有几十厘米，广播星历的轨道精度为几 米，卫星钟差改正精度为几十纳秒，因此这种单点定位的静态定位精度只能达到米级，而动 态定位精度约为l o m 4 0 m 。仅能满足一般的导航定位需求。而精密单点定位是指利用高精 度的g p s 卫星星历和卫星钟差。以及双频载波相位观测值，采用非差模型进行精密单点定位。 其静态定位精度可达厘米级( h e r o u s ，2 0 0 1 ) ，高动态( 飞机) 精密单点定位可以实现亚分 米级的定位精度( 张小红，2 0 0 5 ) ，可以满足大多数精密工程测量和高精度导航定位的要求。 3 东南大学硕上学位论文 第一章绪论 本文对精密卫星星历和卫星钟差的来源i g s 组织以及它的产品进行了介绍，并且介绍了精密 单点定位的两种非差观测模型，一种是常用模型，另外一种是c a l g a r y 大学的g a oa n ds h e n 在2 0 0 1 年提出来的u o f e 模型。 ( 2 ) 深入分析了精密单点定位的误差来源及消除或削弱方法。 精密单点定位采用的是非差观测模型，其误差不能通过差分方法消除，只能通过非差方 法来削弱。本文深入分析了影响精密单点定位的各种误差，包括：卫星钟差、相对论效应、 卫星天线相位中心偏差、对流层延迟、电离层延迟、多路径效应和噪声误差、接收机钟差、 天线相位中心位置偏差、地球自转效应误差、地球固体潮影响和大洋负荷影响，并且提出了 消除或减小它们的方法。 ( 3 ) 论述了卡尔曼滤波在g p s 动态精密单点定位中的应用，结合p 3 软件分析了卡尔曼滤 波器中参数初值的设置。 卡尔曼滤波是一种最优估计方法，它的计算过程是一个不断地“预测一修正”的递推过 程。与最小二乘法比较，卡尔曼滤波更适合于g p s 动态定位数据的处理，精密单点定位解算 软件“p 3 软件”中的参数估计便采用了该方法。p 3 软件是加拿大c a l g a r y 大学的d l y gg a o 等人对精密单点定位模型等方面进行了较为深入的研究并于2 0 0 5 年成功推出的精密单点定 位解算软件。p 软件只要有原始的r i n e x 格式数据以及对应的精密卫星星历和卫星钟差，就 可以对单点定位进行事后静态或动态解算。本文重点针对动态情况下，把软件中卡尔曼滤 波器的参数作适当合理的调整，分析总结了各种动态情况下的# 尔曼滤波器参数初值的设 置。 ( 4 ) 进行了地面车辆动态精密单点定位试验，分析了动态精密单点定位的精度。 本文通过p 3 解算软件和g r a f n a v 差分解算软件对试验数据进行了解算，把解算结果进 行了比较，从内符合精度和外符合精度两个层面分析了动态精密单点定位的精度。首先是把 基站的静态观测数据模拟动态解，计算其r h s 值，从内符合角度分析了它的模型精度；然后 把动态精密单点定位解分别同差分解和已知坐标作比较，从外符合角度分析了它的定位精 度。同时，把采用i g s 、j p l 和c o d e ( c e n t e rf o ro r b i td e t e r m i n a t i o ni ne u r o p e ) 等不 同精密卫星星历和卫星钟差的解算结果作了比较分析。 五 东南大学硕士学位论文 第二章g p s 精密单点定位原理 2 1 引言 第二章g p s 精密单点定位原理 目前，在g p s 精密定位中，最主要的作业方式是相对定位方式，几台接收机( 至少2 台) 进行同步观测，并且至少有一台接收机置于已知站上，通过处理双差相位观测值得到 未知站相对于已知站的坐标差( 基线向量) 。由于这种定位方式可利用双差方法消除或大幅 度削弱接收机钟差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟及轨道误差等影响，并且定位模 型较为简单，得到的定位精度也很高。因此，它得到了广泛应用。但是进行相对定位时至 少需用2 台接收机进行同步观测，外业观测的组织实施及数据处理均较为麻烦，影响作业 的效率。 1 9 9 7 年，z u m b e g e r 提出了精密单点定位技术，先利用全球分布的若干i g s 跟踪站数 据计算出精密卫星轨道参数和卫星钟差，再利用所求得的卫星轨道参数和卫星钟差，处理 单台接收机采集的非差相位数据，得到厘米级精度的测站坐标。它与一般单点定位类似， 但后者采用广播星历提供的轨道参数和钟差，而不使用精密卫星星历和卫星钟差，并且没 有利用相位观测值。精密单点定位的解算过程如下：到i g s 官方网站下载精密卫星星历和 卫星钟差，输入精密卫星星历和卫星钟差。并将它们的值固定，然后利用非差相位观测值 解算测站的位置参数，同时解算非差整周模糊度、接收机钟差及对流层延迟等参数其解算 模型如图2 - 1 。 图2 一l 精密单点定位解算模型 5 东南大学硕士学位论文第二章g p s 精密单点定位原理 g p s 精密单点定位的两个关键部分是高精度的g p s 卫星星历和卫星钟差，以及非差观测模 型。目前，能够提供精密甲星墅历和v 星钟差的主要有两个机构：美国智能地球空间局( n g a - - n a t i o n a lg e o s p a t i a l i n t e l l i g e n c e a g e n c y ) 和国际g p s 服务组织i g s 。而i g s 卫星蟹历 是使用最多、精度最高、最有权威的下星星历，其事后精密卫星星历的精度已优于5 c m ，精密 卫星钟差的精度优于0 i n s 。非差观测模型是描述非差观测值与其物理影响因素的函数关系。 奉章将首先介绍i g s 组织及其产品，然后介绍精密单点定位的两个非差模型，一个是常用的 观测模型，一个是u o f c 模型( g a oa n ds h e n ，2 0 0 1 ) 。 2 2i g s 综述 2 2 11 g s 组织介绍 国际g p s 服务i g s 是国际大地测量协会i a g ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no fg e o d e s y ) 为支持犬地测量和地球动力学研究于1 9 9 3 年组建的一个国际协作组织，并于1 9 9 4 年1 月 1 日正式开始工作。1 9 9 2 年6 月至9 月的全球g p s 会战等实验为i g s 的建立奠定了基础。 i g s 组织主要由g p s 卫星跟踪网、资料中心、分析中心、综合分析中心、中央局和管理 委员会组成： ( 1 ) 6 p s 卫星跟踪网 g p s 卫星跟踪网由全球2 4 小时全天候观测的g p s 跟踪站站网组成。2 0 0 0 年年底i g s 跟踪网 总共有2 4 8 个跟踪站，其全球分部图如图2 2 所示。其中有9 2 个站为“全球级跟踪站”，至少 有3 个数据分析中心对他们的观测资料进行长期连续的分析计算。2 0 0 3 年7 月，跟踪站数量已 增至3 6 1 个。中国有武汉、北京、乌鲁木齐( 2 站) 、拉萨( 2 站) 、长春、昆明、西安、上海、 新竹( 中国台湾) ( 2 站) 、桃园( 中国台湾) 等1 3 个站台参加。名- g p s 卫星跟踪站均需用双频 g p s 接收机对现场中的g p s 卫星进行连续的载波相位测量。然后通过互联网、电话线、海事卫 星i n m a r s a t 、v s a t 等通信方式将观测资料送往工作资料中心。建立g p s ! 星跟踪网的目的 是计算卫星轨道，确定地球参考框架及地球自转参数等。 图2 2i g s 站点分布图( i g s 年报，2 0 0 0 ) - 6 东南大学硕士学位论文 第二章g p s 精密单点定位原理 ( 2 ) 资料中心 资料中心分为三类：工作资料中心、区域资料中心及全球资料中心。 工作资料中心 负责收集若干个g p s 跟踪站的观测资料，包括通过遥控方式收集一些遥远的无人 值守的跟踪站上的观测资料，并对观测的数量、观测的卫星数，观测的起始时刻和结 束时刻等指标进行检验。将接收到的原始的接收机格式的资料转换为标准的r i n e x 格 式。展后将合格的观测资料传送给区域资料中心。 区域资料中心 负责收集规定区域内的g p s 观测资料，然后传送给全球资料中心。进行局部地区 研究工作的用户可以从区域资料中心获取自己所需的资料。 全球资料中心 全球资料中心负责收集全球各g p s 跟踪站的观测资料以及分析中心所产生的g p s 产品。i g s 的分析中心可从全球资料中心获取所需的全球观测资料。用户不但可从全球 资料中心获取自己所需的g p s 观测资料，还可获取自己所需的i g s 产品。i g s 有三个全 球资料中心，以增强整个系统的可靠性，减少用户数据传输的路径长度。 ( 3 ) 分析中心 分析中心从全球资料中心获取全球的观测资料，独立地进行计算以生成g p s 卫星星历、 地球自转参数、卫星钟差、跟踪站的站坐标、站坐标的变率以及接收机钟差等i g s 产品。 i g s 共有7 个分析中心，它们是： c o d e ：瑞士伯尔尼大学的欧洲定轨中心； n r c a n ：加拿大自然资源部的大地资源部； g f z ：德国地球科学研究所； e s a ：欧洲空间工作中心： n 6 s ：位于马里兰州的美国国家大地测量局； j p l ：位于美国加州的喷气推进实验室； s i o ：位于美国加州的斯克里普斯海洋研究所。 ( 4 ) 综合分析中心 综合分析中心的任务是根据7 个分析中心独立给出的结果取加权平均值，求得最终的 i g s 产品。最后再将这些产品传送给全球资料中心和中央局的信息中心，免费地、公开地 供用户使用。 ( 5 ) 中央局和管理委员会 中央局主要负责协调整个系统的工作，包括组织会议，制定标准及出版相关出版物等。 管理委员会负责监督i g s 的各项工作，确定1 6 s 的发展方向。 i g s 的基本目标是通过其一系列的产品为地学研究提供支持。目前，i g s 提供的产品主 要包括： 7 东南大学硕士学位论文第二章g p s 精密单点定位原理 g p s 卫星精密星历： g p s 卫星和跟踪站钟差信息； i g s 跟踪站在i t r f 框架下的坐标及速度； 地球自转参数； 对流层天预延迟估计； 全球电离层延迟信息。 2 2 2i g s 精密卫星星历和卫星钟差产品 i g s 精密星历采用s p 3 格式给出1 5 r a i n 、5 m i n 或3 0 s ( 非官方) 等间隔时间点上的卫星坐标 和卫星钟差，坐标参考基准属于i t r f 参考框架。目前，i g s 事后精密卫星星历的精度已优于 5 e r a ，精密卫星钟差的精度优于0 i n s 。i g s 事后精密卫星星历和卫星钟差产品包括：超快速产 品( u l t r a - r a p i d ) 、快速产品( r a p i d ) 和最终产品( f i n a l ) 三种，他们在精度、时延，更 新率和采样率方面是不同的，如表2 1 所示： 表2 1i g s 精密卫星星历和卫星钟差产品质量指标( i g s ，2 0 0 6 ) 产品名称精度时延 更新率 采样率 超快速产品轨道 一1 0 c m 实时1 2 d 时1 5 分钟 ( 外推部分)卫星钟差- s n s 超快速产品轨道 5 c m a 4 , 时 1 2 小时1 5 分钟 ( 实测部分)卫星钟差0 2 n s 轨道 5 c m 1 5 分钟 快度产品 1 7 4 , 时 每天 卫星钟差0 i n s 5 分钟 轨道 ( 1 0 5 r a d s 。 上述位置偏差导致的站星距离变化值为： 舰。寺陋喝) 战：+ ( n 艺) 圪+ ( z ，一乙) 磁 ( 3 1 9 ) 3 4 2 地球固体潮改正 在太阳和和月球的万有引力作用下，地球要产生周期性的弹性变形，这一现象称为固 体潮。固体潮的产生如图3 3 所示( a b d e l - s a l a m , m ，2 0 0 5 ) 。固体潮对测站的影响包含着与 纬度有关的长期偏移和主要由日周期和半日周期组成的周期项。若静态观测2 4 d * 时，周期项 的大部分影响可平滑消除。但是。 长期项不能利用此类方法消除。因 此，即使利用长时间观测( 例如2 4 小时) 的方法消除部分固体潮的影 响，其残余影响在径向仍可达1 2 c m ， 在水平方向可达5 c m ( k o u b aa n d h e r o u x ，2 0 0 1 ) 。不过，固体潮的影 响也可以通过模型加以精确改正， 改正后固体潮的影响只有几个毫 米。改正公式如下( i e r s ，1 9 8 9 ) ： 琵蠹 。n 一 | 、 + ， 。一一? 。 图3 - 3 太阳、地球和月球的相互作用 心，= 蹇甏青卜编南+ 3 ( 和 。附x p , 刚x ；2 。爿矧 + m 5 s i n 细s 删纠。南 ( 3 2 式中：咯一地球的半径；x j 一摄动天体( 月球、太阳) 在地心参考框架中的坐标向 量；x p 一测站在地心参考框架中的坐标向量；g m j 摄动天体( j 。2 为月球，j = 3 为太 阳) 的引力参数；g m 一地球引力参数； 2 、1 2 - - l o v e 和s h i d a 数( 如：o 6 0 9 0 与 2 6 东南大学硕士学位论文 第三章g p s 精密单点定位的主要误差来源及消除方法 z 2 = 0 0 8 5 2 ) ：矿，五一测站纬度和经度；口一格林尼治平恒星时。 3 4 3 大洋负荷改正 大洋负荷潮产生的原因是潮汐的周期性涨落。大洋负荷潮影响与固体潮影响类似，也主 要由日周期和半日周期项组成。对于单历元定位，其影响在径向约为5 c m 在水平方向约为 2 c m 。与固体潮影响一样，在非差精密单点定位中，大洋负荷潮的影响必须利用模型改正， 其改正模型如下( i e r s ，1 9 9 6 ) ： 丛。= 如c o s ( 叩+ 乃+ “厂如) ( 3 2 1 ) j 式中：麒。一海洋负荷对测站坐标c 分量的影响( c = 1 ，2 ，3 ) ；t 一时间参数； 口一 潮汐j 分量对坐标c 分量影响的幅