（大地测量学与测量工程专业论文）精密单点定位（ppp）收敛速度的研究.pdf

摘要 g p s 精密单点定位( p r e c i s ep o 血p o s i t i o n i n g ，简称p p p ) 是采用精密卫星星历、卫星钟差数据和单 台双频接收机采集的码及相位观测值，利用非差模型进行定位的方法。p p p 利用单台接收机在全球范围内 进行静态独立作业可以得到厘米级的定位精度，因此它在高精度导航定位方面具有广阔的应用前景，但 是还有两大因素限制了p p p 的推广使用：一是精密卫星星历参数( 轨道参数和时钟参数等) 的获取；二 是收敛时间长。目前，事后的精密卫星星历和时钟参数可以无偿的从i g s 、j p l 等网站上获取。因此，如 何有效提高收敛速度已成为g p s 精密单点定位向更广泛领域使用的关键因素。 本文较为系统地分析了如何利用四面体几何优化法计算卫星群的g d o p 值和优选卫星，深入研究了 影响精密单点定位收敛时间的因素，探讨了卫星群的几何结构( g d o p 值) 与整个观测时段内收敛时间 之间的关系，在此基础上，根据实验数据，分析验证了提高收敛速度新方法一映射卫星坐标法的可行 性。 从映射优选出的卫星高度角和方位角两个方面入手，定性分析了映射卫星坐标前后对收敛时间的不 同影响。实验数据结果表明： 1 ) 初始卫星群的g d o p 值对精密单点定位收敛时间有着很大的影响。当初始阶段的g d o p 值比较小， 即卫星群的几何分布比较均匀时，根据p 3 软件的解算，达到1 0 c m 的平面精度其收敛时间为1 0 m i n 左右； 当初始g d o p 值较大时，要达到同样的平面精度则要2 0 r a i n 。 2 ) 对从卫星群中选取最优卫星组合的四面体几何优化法进行实验分析。选取与最大高度角卫星夹角 较小的卫星作为改变高度角或方位角的卫星，得到卫星群的g d o p 值最小，映射效果最佳。 3 ) 每个历元映射优选出的卫星高度角，映射后的坐标精度比映射前都有较大的提高。根据笔者设计 的伪距单点程序解算得出结论：达到2 m 的精度映射前需要3 0 m i n ，映射卫星高度角后只需要2 0 r a i n ，时 间缩短了1 0 r a i n ，提高效率大约为3 0 ：达到相同的精度映射卫星的方位角后需要2 8 m i n ，缩短了2 m i n 的收敛时间，提高效率为8 ；同时映射一颗卫星的高度角和方位可以缩短收敛时间l l m i n ，提高效率 大约为3 3 。 关键词：g p s ，精密单点定位，g d o p ，收敛时间，映射 a b s t r a c t g p sp r e c i s ep o i n tp o s i f i o n i n g ( p p p ) i san o wp o s i t i o n i n g fm e t h o d ，u s i n gu n - d i f f e r a n c e dd u a l 一自。q u e n c y p s e u d e r a n g ea n dc 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 hp r e c i s eo r b i ta n dc l o c kd a t a p p pc a ng e tc o o r d i n a t e w i t hc e n t i m e t e rp r e c i s i o nb yo n er e c i v e rw o r k i n gi ns t a t i c 蜥o r e , s oi tc a nb ew i d e l yu s e di nh i g hp r e c i s e n a v i g a t i o n b u tt h e r ea r es t i l lt w om a j o rf a c t o r sl i m i t i n gt h ep r o m o t i o no ft h eu o fp p p ：1 1 ”f i r s ti sg a i n i n g s a t e l l i t i cp r e c i s ee p h e m e r i sp a r a m e t e r ( o r b i tp a r a m e t e ra n dc l o c kp a r a m e t e re r e ) ；t h es e c o n di st or i s et h e c o n v e r g e n c es p i e d a tp r e s e n t ，l l s e r sc a l lg a i ng r a t u i t o u s l yt h ea f t e rp r e c i s ee p h e m e r i sa n dc l o c kp a r a m e t e r sa f r o mt h ew e b s i t es u c ha si g s ，j p l t h e r e f o r e ，h o wt oe f f e c t i v e l yi m p r o v ec o n v e r g e n c es p e e dh a sb e c o m et h e c r i t i c a lf a c t o r ，t h a tr e s t r i c t e st h ep r e c i s ep o i mp o s i t i o n i n gt ob e u s e di nw i d e ld o m a i n h o wt om a k eu s eo ft e t r a h e d r o ng e o m e a yo p t i m i z a t i o nm e t h o dt oc a l c u l a t es a t e l l i t i cg r o u pg d o pv a l u e a n dc h o o s es a t e l l i t ei sa n a l y s e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h ef a c t o r s ，t h a te f f e c tt h ec o n v e r g et i m eo ft h e p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ，w e r ew e n td e 印i i it os t u d i e d ，i n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h e s a t e l l i t i c g r o u pg e o m e t r yc o n f i g u r a t i o n ( g d o p ) a n dc o n v e r g et i m ei ne n t i r eo b s e r v et i m e ，w i t ht h i s u n d e r s t a n d i n g ，t h e n e wa n v a n c i n g m e t h o d o f c o n v e r g es p e e d i n t h e l i g h to f e x p e r i m e n td a t a w e r ea n a l y s e d a n d v e r i f i e d - - t h ef e a s i b i l i t yo f m a p p i n gt h es a t e l l i t i cc o o r d i n a t e 。 f r o mm a p p i n go p t i m i z e ds a t e l l i f i ea n g l ea n da z i m u t h , q n a l i t a t i v l ya n a l y s et h ed i f f e r e n t i a lc o n v e r g e n c et i m e b e f o r ea n da r e rm a p p i n gs a t e l l i t ec o o r d i n a t e s ，e x p e r i m e n t a ld a t ar e s u l ti n d i c a t e ： ni n i t i a ls a t e l l i t i cg r o u pp d o pv a l u eh a sv e r yb i ge f f e c tt oc o n v e r g e n c et i m eo f p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ， w h e nt h ei n i t i a ls t a g ep d o pv a l u ei sc o m p a r a t i v e l ym i n o r , i e t h eg e o m e t r i cd i s t r i b u t i o no f t h es a t e l l i t i cg r o u pi s c o m p a r a t i v e l yh o m o g e n e o u s a c c o r d i n gt ot h ers o f t w a r e , i t sc o n v e r g e n c et i m ei s1 0m i n ar e a c h i n g1 0 锄 p r e c i s i o n ；b u tw h e nt h ei n i t i a ls t a g ep d o pv a l u ei sc o m p a r a t i v e l yg r e a t n e a s i t sc o n v e r g e n c et i m ei s2 0m i n a r e a c h i n g1 0c mp r e c i s i o n 2 1e x p e r i m e u t a l a n a l y s i so fs e l e c t i n g t h eo p t i m a ls a t e l l i t i cc o m b i n a t i o nb yt h et e t r a h e d r a lg e o m e t r y o p t i m i z a t i o nm e t h o df r o mt h es a t e l l i t e s c h o o s et h es a t e l l i t ei t sa n g l ew i t ht h em a x i m u ma n g l eo f t h es a t e l l i t ei s l e s sa sm a p p i n gi t sa n g l eo ra z i m u t h ，c a ng a i nt h en d l l i m mv a l u eo f t h eg d o p m a p p i n gt h eb e s te f f e c t 3 1e v e r ye p o e hm a p p i n go p t i m i z e ds a t e l l i t ea n g l e ，t h ea c c u r a c ya f t e rm a p p i n gt h ec o o r d i n a t e sh a sg r e a t l y i m p r o v e dt h a nb e f o r em a p p i n g a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dp r o g r a m ，t ot h ea c c u r a c yo f 2mn o e d $ 3 0m i nb e f o r e m a p p i n g ，m a p p i n gs a t e l l i t ea l t i t u d ea n g l ea f t e ro n l y2 0m i l l ，s h o r t e n1 0m i n ；w h e nm a p p i n ga z i m u t h ，t ot h e a c c u r a c yo f 2mn e e d s3 0m i nb e f o r em a p p i n g ，a f t e rm a p p i n gn e e d s2 8m ht h ec o n v e r g e n c et i m eo n l ys h o r t e n2 r a i n , t h u s ， m a p p i n gs a t e l l i t ea n g l et oi m p r o v ec o b v e r g e n c et i m ei sb e t t e r k e yw o r d s ：g p s ，p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ，g d o p ，c o n v e r g e n c et i m e ，m a p p i n g 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料。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： 聋拉 e t 期：趁垡：； 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。 研究生签名： 望捆 导师签名：躯日期：及刀参乏够 | 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 g p s 全球定位系统是英文“n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ” 的头字母缩写词n a v s t a r g p s 的简称，中文含义是导航卫星测时测距全球定位系统。它是二十世纪七 十年代美国国防部开始研制的新一代卫星导航系统，1 9 9 5 年正式投入运行。该系统是基于卫星的无线电 导航定位系统，具有全能性( 陆地、海洋、航空和航天) 、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定 位和授时功能，能为各类用户提供精密的三维定位、测速和时间服务。1 目前，g p s 作为新一代的卫星导航 定位系统已经在军事、交通运输、测绘、高精度时间比对、以及资源调查等领域得到了广泛的应用；它 在动态导航、天气预报等方面的应用与人们的日常生活息息相关；同时在航海导航、飞机导航、时间转 换、救助、制图、导弹导航等复杂工作中，6 p s 也是不可缺少的；据专家预测，今后几年内g p s 在通信、 大气探测、精细农业以及环境保护等领域中也将会得到广泛的应用。 g p s 卫星播发的信号包括c a 码( 仅l t 上调制) 、p 码( l i 、l 2 上均调制) 、两种载波( l 1 、l 2 ) 和数据 码( 卫星星历) 。c a 码波长约为2 9 3 m ，p 码波长约为2 9 3 m 。载波的波长远小于码的波长，l l 波长约为 1 9 c m ，1 2 波长约为2 5 c m 。出于军事目的，美国军方对p 码进行了加密处理，除军方特许用户外，普通民用用 户无法利用p 码进行定位，只能利用c a 码和载波相位观测值进行定位”。 在利用码定位方面，最常见的是单点定位，即传统的g p s 伪距单点定位，是指利用伪距及广播星历，采 用距离交会法解算接收机天线所在点的三维坐标。伪距单点定位的数据采集和数据处理简单，定位速度 快，用户在任一时亥4 只需使用一台g p s 接收机就能获得测点在w g s 一8 4 坐标系中的三维坐标。但由于伪距 ( 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，这种单点定位的坐标分量精度只能达到十米级( p 码单点定位精度约为3 m ) ，只能满足资源 调查勘探等一些低精度导航定位领域的需求“”。 受到伪距单点定位精度的限制，g p s 导航定位技术通过几十年的变化发展，提出了许多获得厘米级精 度的定位方法。目前广泛使用的是差分g p s 定位方法，通过组成双差观测值消除接收机钟差、卫星钟差等 公共误差，削弱对流层延迟、电离层延迟等相关性强的误差影响，达到提高精度的目的。这种定位方法 不需要考虑复杂的误差模型，解算模型简单、待估参数少、定位精度高，同时利用了双差模糊度的整数 特征，因而得到广泛使用。 g p s 载波相对定位又有静态相对定位和动态相对定位之分。目前，静态相对定位技术已经比较完善。 动态实时相对定位技术( r t k ) 是利用一台( 或几台) 接收机固定在坐标已知的基准站上，其他流动站的 接收机处于运动状态，基准站利用数据通讯链将载波差分信息播发给流动站，流动站利用接收到的差分 改正信息进行实时高精度定位。随着r t k 技术逐步推广应用，g p s 已深入运用到工程勘察、国土资源调查 等领域。如利用g p sr t k 模式可进行公路中线的实时放样、航道水深测量的平面定位、土地调查中界址点 测量和图斑测定等，工程实践表明，利用g p sr t k 模式进行定位，极大地提高了作业速度、降低了劳动强 度和工程成本，从而提高了工程效率。 但是，实时相对定位技术的最大缺憾在于基准站与流动站之间的距离不能过长。对使用蜂窝电台的 数据链其有效距离一般不超过2 0 k m ，对使用移动通讯的数据链其作用距离一般也不宜超过5 0 k m 。1 ，这主 第一章绪论 要是因为隧整基线距离的增期，包含在相链观测值中豹对流层延迟和电离矮延迟等误差项豹相关蛙趋弱， 导致取差瓣测傻耪廑降低，鞠菰褶黠定德赣度将越来越蓑。 针对6 p s 实时相对定傲的上述不足和传统g p s 单点定位的低精度，1 9 9 7 年，j p l ( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 的z u m b e r g e 锋人首先提出了( 非差) 高精威单点定位的思想，即所谓的p p p ( p r e c i s ep o i n t p o s i t i o n i n g ) “1 。耪密单点定位是利用赢精度的g p s 卫星凝历和卫星钟茇以及单台接收机的取频载波相傲 麓潮蓬避移定盘，荬误差举瑟翻瓣差分熬方法港除，哭辘霎l 瑁模型秘经甏参数一超蘩谤浆方法溃豫蓑影 响。其单天静态解的精度为：水平方向l c m ，高程2 c m ( z u m b e r g o ，1 9 9 7 ) ，实时动态辩也可达2 0 c m 左 右的定位精度。由于p p p 仅利用单台接收机即可在全球范嘲内进行静态或渤态高精度定能，并且能直接得 到高精度的i t r f 框架坐标。因此，它在区域高精度的坐橼框架维持、区域或全球性的科学考察、高精艨 工程测量翻麓态毫骧菠蕊黪靛与定位等方嚣零吴考不毒聚爨静瘟霸蔫最。疆着g a l i l e o 譬e g p s 之势戆凝一 代全球导航定位系统相继投入使用，可阻预见未来p p p 将会给导航定位领域带来新一轮革命性的变化。 虽然p p p 的应用前景极其广泛，但是目前还有两大因素限制了p p p 的推广使用：一是卫星精密星历参 数( 轨道参数和时钟参数等) 的获取；= 是收敛时间长。对于静态或熨时性要求不高的动态用户目前融 经可敬无髅扶i g s 、p l 冬：列蜒上获取事嚣的至星耱密曩掰彝瓣镑参数，辩予实薅动态攫户髫蓑需要辩夔 获取，倪隧赣全球信息化水平的提高速一目题会逐步得至l 解决。因此有散撵高p p p 的收敛速度已成为高精 度单点定位向更广泛领域使用的关键性制约因素。设想一下，若能将p p p 的收敛速度由现在的三十分钟殿 右提高到十分钟左右，必将有力于促进其在工程测量中的深入运用，如交通工程中的公路放样和水运王 程嚣量、她蕤潮量穰耱纲农娩弱量等领域。阂霓，本文黄爨在提高p p p 牧绞速痉这一方囱上嶷嚣涤入研究。 1 2g p s 精密单点定位技术国内外研究现状 穗密肇点定位( p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ) 这一概念覆拐是由j p l 豹z u m b e r g e 等人撬出并在毽秘殍 发的数据处理软件g i p s y l 给予实现。g s d 斑4 0 个i g s 跟蹿站上采用采样率3 0 s 的观测数据，以及分别采用 从i g s = 个分析中心提供的1 5 分钟卫星钟麓拟合出3 0 s 精密卫星钟差( w r o u x k o u b a ，1 9 9 5 ) ，利用最小 二乘估计方法进行非差精密单点定位，计算结果和i g s 站融知的i 豫f 坐标比较，日平均麓值可以达到熙米 缓( k o u b a 羲凇r o u x 。2 1 ) ”；。s u 懿h a n s 等人 鏊撵出了癸纭的精确绝对定位戆概念，窀憝在霾定6 p s 羹麓 精密轨道的基础上，利用i g s 站的观测资料先估计出g p s 服星的钟差。然艏再求解测站的她对位置；h r c a n 的h e r o u x 簿人也研究了非麓精密单点定位方法，他们处理长时间静态观测数据的结果精度也达到c m 级 ( h e r o u x 等，2 0 0 1 ) ；加揪c a l g a r y 大学的d r y a n g g a o 等人也在精密牌点定位模型等方鞭进行了较为深 入静骚究势予2 0 0 5 年残秘接窭了精密孳赢迩位解算静p 3 软搏“。此终，慕名瓣g 菸鼗撵懿壤较锌瑟繇e s e 在4 2 版本中也增加了用j b 麓载波相位观测值进行精密单点定位的功熊”。 在动悫精密单点定位研究方面，j p l 的m u e l l e r s c h o e n 等人提出了全球动态实时精密单点定位技术 ( m u e l l e r s c h o e n ，2 0 0 0 ) ，实验结果表明水平方向定位精度有望达到1 0 - 2 0 c m 的水平“；n a v c o 4 公司的 h a t c h 挺掇了剩霜蟊l 实瓣定孰软静弱e 实壤全球强( s t a r f i r e ) 诗麓，箕鬟括是实瑗瘩乎翔定位壤覆l o c m 戆 全球实时动态定位( h a t c h 。2 0 0 1 ) 。n a v c o m 公司在开发的软件中提出了一种应用于参考站和用户站的菲麓 相位数据预处理过程，即特殊的扩展的双频相位平滑处蠼过程( j o h nr o s c o eh u d s o n ，2 0 0 1 ) ，2 0 0 5 年该 公司成功接出了s f - 2 0 5 0 接收机，该接收机通过三颗地球阿步卫星实时传递s t a r f i r e 精密星历参数和时钟 参数，冀零糗实薅动态耩发达到2 0 c m 鹃承乎，收敛速疫鬟要3 0 势静：翔零大伢y a n gg 8 潦其开发的p 5 软 件2 0 0 5 年成功地应用至4 枫栽学航系统中“。，其单祝实时动态精度也能达到2 0 c m 的水平。识袒始收敛速度也 2 第一章绪论 需3 0 分钟左右。 国内研究精密单点定位起步较晚。魏子卿、葛茂荣等人在g p s 相对定位的数学模型中介绍了非差模式 的处理方法( 魏子卿，葛茂荣，1 9 9 8 ) 1 1 3 1 。但是这种方法和非差单点定位模式是不同的。相对定位模型 中的非差模式只是使用了非差相位观测值，利用原始非差模式和双差模式的等价性，将原始非差相位模 糊度参数设为未知数，通过模糊度参数的映射，变换为任意一组独立的双差模糊度参数，以此为未知数 的法方程便于模糊度分解。这种处理方法必须要有固定坐标的参考站数据。虽然该方法的实质不同于非 差精密单点定位算法，但也是p p p 领域的有效探索。 武汉大学的叶世榕博士对非差相位精密单点定位技术进行了较为深入的研究，其博士论文深入细致 地探讨了非差参数估计模型、精密卫星钟差估计、非差数据预处理等关键问题，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i c m ，l 方向优于2 c m ，h 方向优于3 c m ， 利用精密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 的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 c m 2 皇右，其结果与国际上同类研究成果基本上是相当的；武汉大学的范士杰深入研究了精 密单点定位的理论与算法“，在已有软件g p p 的基础上，首次研究了宽巷组合相位观测值精密单点定位技 术，并开发了基于宽巷组合相位观测值的精密单点定位软件模块；武汉大学张小红博士也成功地将p p p 技 术应用到航空测量和极地科学考查中“”“”。东南大学高成发老师通过2 0 0 5 年8 月至1 2 月在加拿大c a l g a r y 大学的研究也发现：利用s f - 2 0 5 删接收机进行高精度的单点定位，静态模式下在高精度已知点上单机观 测- d , 时，共观测了2 0 个时段，平均收敛速度为2 8 分钟，收敛后单历元的平面定位精度达至1 9 c m ，高程定 位精度达到1 i c m ；动态模式下以g r a f n a v 差分解算结果作为比较依据，将s f 一2 0 5 0 m 天线放在车项上，在机 场附近共观测了十个时段，平均收敛速度为3 3 分钟，收敛后单历元的平面定位精度达到1 7 c m ，高程定位 精度达到2 6 c m “。 综上所述，几年来国内外学者将研究的重点主要集中在p p p 定位模型的建立、大气折射的影响分析、 p p p 定位精度分析、定位软件的实现以及p p p 的各种专项应用介绍等方面，对单点高精度定位收敛速度的 研究大多只停留在对其进行量化分析上，而对影响收敛速度的内在因素分析并进而提出如何提高收敛速 度的研究却未见报道。事实上这也是目前p p p 未能得以广泛应用的最大制约因素。其主要原因是因为虽然 p p p 可以达到分米乃至厘米的定位精度，但必须是经过较长时间的观测使其整周模糊度和天顶方向对流层 折射改正等参数收敛之后才能达到。从已有的国内外研究结果表明：一般观测条件下p p p 的收敛速度只能 达到2 0 至3 0 分钟左右。这种收敛速度对于很多工程测量场合是不能容忍的，它会严重影响工程的作业效 率。但从另一方面也说明p p p 收敛速度有其提高的空间，值得深入研究。 1 3 本文研究的主要内容 g p s 精密单点定位技术是最近几年刚发展起来的一项g p s 定位新技术，在科学卫星的定位轨道、大范 围的科学考察、国土资源调查等方面具有广泛的应用前景。本文系统地研究了精密单点定位的理论和方 法，详细论述了精密单点定位的原理和观测模型、误差来源及消除或削弱这些误差的方法；通过实验对影 响精密单点定位精度的因素进行了分析，简要介绍p 3 软件：在此基础上重点分析研究影响精密单点定位收 敛速度的主要因素，并结合当前的研究现状，通过镜像映射卫星的方法人为改变观测期间星座的空间几何 结构，使之达到快速收敛的目的。本文的主要内容如下： ( 1 )g p s 精密单点定位的原理。 3 墨= 兰堕丝 g p s 精密单点定位是利用精密卫星星历和钟差数据，用户利用单台双频接收机采集的码和相位观测 值，采用非差的模型进行单点定位。本文详细阐述了g p s 精密单点定位技术的原理和方法，分别叙述了 测码伪距观测方程和载波相位观测方程以及它们的线性化。g p s 精密单点定位的关键之处就在于设法消 除和减弱各种观测误差，由于p p p 采用的是非差观测模型，观测误差不能通过差分方法消除，只能通过 模型改正、参数估计和观测值组合等方法消除。所以本文在分析精密单点定位误差来源的基础上，针对 静态定位给出了p p p 中各种误差消除或削弱的方法。 ( 2 )精密单点定位的数据处理。 非差观测模型描述的是观测值与未知参数间数学函数关系的模型，它清晰地给出了观测值和未知参 数之间的数学函数关系。本文从解算精密单点定位的方程需要解决的参数入手，分析了数据预处理要解 决的主要问题：用相位平滑伪距以获得较精确的伪距观测值，各项误差模型的处理等。简单介绍了p 3 软件 的使用方法和注意事项，在卫星钟差确定后加上必要的改正就可得到用户的精确坐标，其单天解的定位 精度在b 方向上优于l e n a ，l 方向优于2 e m ，h 方向优于3 e m ，标准差均不大于4 c m ，这些结果与国际同 类研究相比是一致和相当的。 ( 3 )影响精密单点定位收敛速度的因素分析。 简单介绍了影响g p s 定位精度的精度因子，分析了卫星的几何形状( t l p 卫星群的g d o p 值) 是影响精 密单点定位收敛时间的主要因素之一；随后又在p 软件参数合理设置的基础上，通过实验数据的计算分 析得出i g s 快速星历钟差产品和最终星历钟差产品对收敛速度的影响是相当的；卫星钟差采样间隔对定 位精度也有很大影响，其中c o d e 和j p l 提供的3 0 s 间隔的卫星钟差数据定位精度较好，c o d e 的收敛 速度明显优于j p l ；并讨论了对流层延迟z t o 以及初始卫星群的g i ) o p 值对精密单点定位收敛时间的影响 ( 4 )提高精密单点定位收敛速度方法的研究。 本章首先介绍了4 颗卫星情况的四面体体积的计算原理和几何优化法卫星的优选，结合当前的现状， 重点分析讨论提高收敛速度的新方法一镜像映射卫星的方法，通过人为改变观测期间星座的空间几何结构 从映射优选出的卫星的高度角和方位角两个方面入手分别比较映射卫星坐标前后单历元解算测站坐标精 度的提高，定性分析出映射卫星坐标前后达到相同的精度所需时间的不同，从而得出映射卫星坐标方法 对提高收敛速度的有效性的结论。 4 第二章g p s 非差精密单点定位基本原理 第二章g p s 非差精密单点定位基本原理 g p s 精密单点定位就是利用精密卫星星历和钟差数据，以及单台双频接收机采集的码和相位观测值， 采用非差模型进行单点定位。非差观测模型可用观测值多，保留了所有的观测信息，可以直接测得测站 坐标，不同测站的观测值不相关，测站与测站之间无距离限制；但同时它的未知参数也比较多，并且无 法采用站间或者星间差分的方法消除误差影响，必须利用完善的模型改正。 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。“。g p s 观测值包含伪距和相位两类观 测值。理论上g p s 非差观测值是卫星信号从卫星天线相位中心至接收机天线相位中心的几何距离。但实际 上卫星信号在传播过程中受到了卫星钟和接收机钟误差、对流层和电离层折射、相对论延迟、测站周围 反射物引起的多路径效应等因素的影响。对于相位观测值，还需考虑整周模糊度问题。因此，在建立观 测方程时，必须考虑这些因素的影响。另外若要建立观测值与卫星质心和测站坐标之间的关系，还应考 虑卫星天线相位中心偏差、接收机天线相位中心偏差及地球固体潮、海洋负荷等对测站坐标的影响。在 地固系计算时，还需考虑地球自转影响。 在精密单点定位数据处理中，主要考虑三类误差源的影响： ( 1 1和卫星有关的误差：卫星钟差、轨道误差、卫星天线相位中心偏差； ( 和信号有关的误差：对流层折射、电离层折射、相对论效应及多路径效应； ( 3 ) 和接收机、测站有关的误差：接收机钟差、接收机天线相位中心偏差、固体潮改正、大洋负荷 改正、地球自转等的影响。 精密单点定位的关键之处就在于设法消除或减弱系统潜在的所有误差。由于p p p 利用单台接收机的非 差观测数据定位，其误差不能利用差分方法消除，只能通过建立误差改正模型、参数估计、组合观测值 等方法减弱。精密单点定位误差除了对流层延迟、接收机钟差、电离层延迟以外，多数可以通过模型改 正。接收机钟差和对流层延迟可以通过参数估计改正，电离层延迟通过组合观测值消除。 2 1 精密单点定位的原理及技术关键 2 1 1g p s 定位的原理 g p s 的定位原理，简单地来说，就是利用几何与物理的一些基本原理，利用空间分布的卫星以及卫 星与地面点间距离交会出地面点位置的方法。因此，若假定卫星的位置为已知，通过一定的方法我们又 准确测定出地面点a 至卫星间的距离，那么a 点一定位于以卫星为中心、以所测得距离为半径的圆球上。 若我们能同时测得点a 至另两颗卫星的距离，则该点一定处在三圆球相交的两个点上，这样，我们就很 容易确定其中一个点是我们所需要的点。从测量的角度看，则相似于测距后方交会。在以上假设下，即 已知卫星位置又同时测定到三颗卫星的距离，即可进行定位。但由于g p s 卫星是分布在2 0 0 0 多公里高空 的运动载体，只能是在同一时间测定三个距离才可定位，要实现同步必须具有统一的时间标准，从解析 几何角度出发，g p s 定位包括一个点的三维坐标与实现同步四个未知数，因此必须通过测定到至少4 颗 卫星的距离才能定位“1 。定位图如2 1 所示： 5 第二章g p s 非差精密单点定位基本原理 2 1 2 精密单点定位原理 圈2 - l g p s 定位原理 传统g p s 单点定位是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，因此s a 关闭后，g p s 单点定位精度也只能达到米级。较低的定位精度使得其仅能满足 一般的导航定位、资源调查、勘探等要求。 在高精度g p s 定位中，一般采用相对定位方式，几台接收机进行同步观测，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测站相对于己知站的坐标差( 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 且定位模式较为简单，得到的定位精度也很高。因此，它得到广泛的应用。但这种定位模式的一个致命 弱点是它要求在已知站上进行同步观测，影响作业效率“”。 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非差相位数， 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 不使用精密星历和精密钟差，并且没有利用相位观测值。精密单点定位的解算过程如下：输入精密星历 和精密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未知参数，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。 精密单点定位有如下关键之处： ( 1 ) 卫星轨道精度需达到厘米级水平。由于i g s 及其分析中心提供的精密星历精度达3 5 0 n ，可供精 密点定位使用。 ( 2 ) 卫星钟差改正精度需达到亚纳秒量级。除j p l 提供3 0 秒间隔的钟差外，i g s 及其他分析中心均 提供5 分钟间隔的钟差，而且还有较长的时延。为了能满足实时定位要求，可以利用若干个1 ( 3 8 站观测数据实时提供钟差。 6 第二章g p s 非差精密单点定位基本原理 ( 3 ) 在解算模型时需要考虑固体潮、大洋负荷、卫星天线相位偏差等误差的精确改正模型。 ( 4 ) 在定位过程中采用非差相位观测值，同时伪距观测值在初始阶段作为辅助观测值参加解算 f 5 ) 精密单点定位无法固定整周模糊度，并且其定位质量依赖于。清理”的非差数据的质量。非差数 据的清理不能象相对定位方式那样，在站间或星间组成差分观测值消除误差影响后再进行周跳探 测、修复等工作，只能利用单站非差观测值进行数据清理工作。因此，非差数据的清理比双差数 据的清理更加困难。其解算模型如图2 2 。 i 原始g p s 接收机观ii 精密卫星星历和卫 i 爵数据文件 星钟差文件 i 转换成l n c x 数据格 l式文件 ， 1r 数据预处理( 包括周跳的探测与修复、租差易 除、初始整周摸糊度的确定，相位平滑伪距等) 匦亚圈 v 图2 - 2 精密单点定位的解算模型 与差分相对定位相比，精密单点定位无需和任何基准站同步观测，利用单台接收机即可在全球任意 地方进行高精度定位，是一种非常高效的定位方法。除了精度极高的需求，它能满足绝大多数的定位需 求。 2 2g p s 非差观测值及其线性组合 由于g p s 定位系统是基于被动式测距原理的，6 p s 接收机测定站星距离时，只接收来自g p s 卫星的导航 定位信号，不发射任何信号。因此，存在3 种时间系统： 1 ) g p s 卫星的时间标准； 2 ) g p s 接收机的时间标准； 3 ) 统一上述两种时间系统的标准g p s 时间系统。 g p s 数据的处理和分析均是采用标准g p s 时，卫星钟时间、接收机钟时间分别和标准g p s 时之间存在一 个时间偏差，分别称之为卫星钟差西和接收机钟差曰，定义如下： d f 2 t s f g $ ( 2 1 ) 6 t = t r t g p 8 式中：、分别是对应的卫星钟时间、接收机钟时间和标准g p s 时间 7 第二章g p s 非差精密单点定位基本原理 2 2 1 测码伪距观测方程 g p s 接收机只能测定一个带有接收机钟和卫星钟时钟偏差( s t 一西) 的传播时间 ( p s e u d o r r a n g e ) ，若考虑电离层、对流层等误差影响，则伪距的观测方程为： p ( f ) = ( f ) + c j r ( f ) 一c 西。( f ) + 画。b ( f ) + 西。k ( f ) + 西( f ) + 画咋d ( f ) + e ， 户) = 托而i 而万孑百i 矛可万丽 因此称之为伪距 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中：为接收机对卫星j 的伪距观测值。 为接收机天线和卫星j 之间的几何距离，可根据卫星和接收机的三维坐标按公式( 2 3 ) 计算得到； ( 工。( f ) ，y 7 ( f ) ，z 7 ( f ) ) 为卫星j 在历元t 的三维坐标，可根据广播星历计算或由i g s 精密星历内插得 到，为已知数据； ( x ( f ) ，r ( t ) ，z ( f ) ) 为用户接收机天线在历元t 的三维坐标，是待求解的未知参数； c 为电磁波传播速度； 8 t j 为卫星j 的卫星钟差，可根据卫星导航电文给出的钟差改正系数计算，或由i g s 提供的精密卫星 钟差获取，故可将其视为已知值； 卯为接收机钟羞，是待求解的未知参数； 劫为电离层延迟引起的距离偏差，在天顶方向可达5 0 m ，在接近地平方向时( 高度角为2 0 0 ) 则可 达1 5 0 m 。 劫为对流层延迟引起的距离偏差，它随着用户高程及其气象要素的不同而变化，且与信号的高 度角有关。在天项方向，其影响达2 3 m ，在高度角为1 0 0 时，其影响可达2 0 m 。 a p = “为由于多路径效应所引起的距离误差。 4 为由于相对论效应引起的距离误差。 s ，为伪距测量的测量噪声。 类似地，载波相位测量的观测方程为： 中( f ) = p a 一观+ ，职+ 锄帅+ 勋椭+ 锄蒯+ 勋耐一+ 国 ( 2 4 ) 式中：中f f l 为接收机在t 时刻的载波相位观测值o p 为卫星至接收机间的几何距离； 名为载波的波长；厂为载波的频率； 毋。为t 时刻卫星钟的钟差；毋，为t 时刻接收机的钟差； 中。为由于对流层所引起的相位延迟；中。为由于电离层所引起的相位延迟； 中“为由于多路径效应所引起的相位误差；中。，为由于相对论效应引起的相位误差； n 为整周模糊度：椰为载波相位测量的测量噪声。 将( 2 2 ) 式和( 2 4 ) 式卫星至接收机间的几何距离p 可写成： 户：l 威卜赢) l ( 2 5 ) 式中。置乙) 为信号发射时刻t 卫星在惯性坐标系中的位置矢量，t 以) 为信号接收时刻t 接收机在惯性 坐标系中的位置矢量【2 4 】。 由于i g s 的精密星历是在地固坐标系i t r f 中表示的，测站坐标也采用i t r f 来表示。为方便起见，如 8 第二章g p s 非差精密单点定位基本原理 果找们直接在地固坐标系r f 中来进行解算时，就必须顾及地球自转的影响。因为信号发射时刻时的 地固坐标系与信号接收时刻l 时的地固坐标系是不相同的。 2 2 2 观测方程的线性化 伪距观测方程( 2 3 ) 和相位观测方程( 2 4 ) 是非线性方程，g p s 定位处理时，必须将观测方程线性 化。测站三维位置参数( 工，y ，z ) 隐含在站星距离中，分别将方程( 2 3 ) 和( 2 4 ) 在测站近似位置( 蜀，r o ，z o ) 处线性化，并考虑将接收机钟差、整周模糊度等也作为未知参数处理，可以得到线性化后的伪距观测方 程： o ) = “( f ) + ，7 ( f ) x + m j ( t ) y + n o ) z + c j t c 研+ 西。锄+ s 。+ j 口耐+ 西+ g p ( 2 6 ) 而线性化后的载波相位观测方程为： 中( ，) = 丢彳( ，) + f - 。- 1 7 0 ) ，+