（地图制图学与地理信息工程专业论文）gps精密单点定位若干关键问题研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 g p s 非差精密单点定位是利用i g s 提供的g p s 精密卫星星历，以 单台双频g p s 接收机采集的相位数据作为主要观测值来进行单点定 位解算的，其精度可以达到分米级甚至厘米级。由于它利用单台双 频接收机就可以实现在全球范围内静态或者动态定位，并且可以直 接得到高精度的i t r f 框架下的坐标，因此，它在区域或全球性的科 学考察，高精度动态导航定位等方面都有不可限量的应用前景，是 目前g p s 界研究的热点。本文系统地介绍了g p s 非差精密单点定位 的理论，各种误差源及其改正公式，研究了其定位需要解决的关键 问题。本文主要研究了如下内容： l 、非差定位模型及其误差源 本文详细讨论了非差精密单点定位的模型。比较了非差、单差、 双差及三差观测值定位模型的优缺点。与其他差分定位模型相比， 非差定位模型具有可用观测值多，保留了所有的观测信息，能直接 得到测站坐标，不同测站的观测值不相关，测站与测站之间无距离 限制等优点。但缺点是未知参数多，无法用差分方法消除误差影响， 必须用完善的改正模型加以改正等。 2 、i g s 产品基准的统一 i g s 的基本目标之一是对所有的i g s 用户和g p s 应用提供一个很 容易实现和维持的全球i g s 参考基准。从广义上来讲，全球i g s 参考 基准不仅包含坐标参考基准，还包括数据处理标准的方法，如消弱 对流层、电离层及其它不精确的可能会对g p s 定位结果产生影响的 因素。通过比较i g s 提供的最终精密星历和j p l 提供的精密星历，得 出在非差精密单位时，必须要考虑星历基准的统一。 3 、非差相位精密单点定位方法 非差精密单点定位方法是本文研究的核心内容之一。传统g p s 单点定位是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。而精密单点定位是先利用全球若干i g s 跟踪站数据计算出 精密卫星星历和卫星钟差，再利用所求得的卫星轨道参数和卫星钟 差，对单台接收机采集的相位和伪距观测值进行非差定位处理。其 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 精度可以达到分米级甚至厘米级。实验结果表明，采用事后精密星 历解算的测站坐标在x 、y 、z 方向上的精度都优于15 厘米，其中大 部分定位精度都在10 厘米以内。 关键词：g p s ：非差：精密单点定位；精密星历：精度分析 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 a b s t r a c t t oo v e r c o m et h ed r a w b a c k si nd i f f e r e n t i a lg p sp o s i t i o n i n g ， an e wt e c h n i q u ec a l l e dp r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ( p p p ) h a sb e e n d e v e l o p e d i n t h isa p p r o a c h ，t h ei g sp r e c is ee p h e m e r i sa n d s a t e l l i t ec 1 0 c k sa r eu s e dt o g e t h e rw i t ht h eu n 。d i f f e r e n c e d d u a l f r e q u e n c yp s e u d o 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 so f o n es i n g l e r e c e i v e rf o rp r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g i t c a n r e a li z es t a t i ca n dk i n e m a t i c sp o s i t i o n i n gi nt h eg l o b a la r e a w it ht h ea c c u r a c yo f d e ci m e t e r1e v e le v e nc e n ti m e t e r1e v e l i tp r o v i d e sav e r ye f f i c i e n tt o o lt og e tc o o r d i h a t e sb a s e do n i n t e r n a t i o n a lt e r r e s t r i a lr e f e r e n c ef r a m ea n dc a nb eu s e df o r l e o so r b i td e t e r m i n a t i o n ，w i d ea r e ap r e c is ep o s i t i o n i n ga n d n a v i g a t i o n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n d t h em a i n e r r o rs o u r c e so fp p pi nd e t a i1 ，a n dt h ek e yt e c h n i q u e so fp p p area ls od is c u s s e d t h i sp a p e rd is c u s s e s t h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 、t h em o d e lo fu n - d i f f e r e n c e dp o s i t i o n i n ga n d e r r o r s o u r c e s t h e p a p e r d i s c u s s e st h em o d e l o fu n d i f f e r e n c e d p o s itio n in gind e t a i1 t h ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e so ft h e u n d i f f e r e n c e d ，s i n g l e - d i f f e r e n c e d ，d o u b l e d i f f e r e n c e da n d t h r e ed i f f e r e n c e do b s e r v a t i o na r ed i s c u s s e d c o m p a r e dw i t h o t h e rp o s i t i o n i n gm o d e l s ，i th a ss u c ha d v a n t a g e sa sr e t a i n i n g a 1 1t h eo b s e r v a t i o n a li n f o r m a t i o n ，d i r e c t l ym e a s u r e i n g s t a r i o nc o o r d i n a t e s ，n o c o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ed i f f e r e n t s t a r i o n sa n dn od is t a n c el i m i t a t i o n b u tt h ed i s a d v a n t a g ei s t h a tm o r eu n k n o w np a r a m e t e r sn e e dt o b ee s ti m a t e d ，n o d if f e r e n c em e t h o dc a nb eu s e dt 0e 1i m i n a t ee r r o r s ，a n d m o r e s o p h is ti c a t e dm o d e lisr e q u r e d 2 、t h ec o n s i s t e n c eo fi g sp r o d u c t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 o n eo ft h eb a s i cp u r p o s e so ft h ei g si st op r o v i d eag l o b a l i g sr e f e r e n c ew h i c hi se a s yt oa c h i e v ea n dm a i n t a i nf o r a 1 1 g p susersa n da p p li c a t i o n s b r o a d l ys p e a k i n g ，t h eg l o b a li g s r e f e r e n c en o to n l yi n c l u d e sr e f e r e n c ec o o r d i n a t e s ，b u ta l s o i n c l u d e st h em e t h o d so fd a t ap r o c e s s i n g ，s u c h a st h e t r o p o s p h e r ed e l a y ，t h ei o n o s p h e r ea n do t h e ri n a c c u r a t ef a c t o r s w h i c hm a ya f f e c tg p sp o s i t i o n i n g b yc o m p a r i n gt h ef i n a li g s p r e c is ee p h e m e r i sa n dj p lp r e c is ee p h e m e r is ，w ec a nd r a wa c o n e l u s i o nt h a tw em u s tc o n s i d e rt h ec o n s i s t e n c eo f t h e i g s e p h e m e r i sw h i l e u s i n gt h eu n d i f f e r e n c e dp o s i t i o n i n gm o d e l 3 、t h em e t h o do ft h eu n d i f f e r e n c e dp r e c i s ep o i n t p o s i t i o n i n g t h ec o r e p a r t o f t h ea r t i e l earet h et h e o r yo f t h e u n - d i f f e r e n c e d p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g t h e t r a d i t i o n a l p o i n tp o s i t i o n i n g u s e s p s e u d o 。r a n g e a n db r o a d c a s t i n g s a t e l lit ee p h e m e r isa n d o r b it a lp a r a m e t e r so fs a t e l lit ea n d c 1 0 c ke r r o rc o r r e c t i o nt or e a l iz et h ep o s i t i o n i n g b u tt h e p r e c is ep o i n tp o s i t i o i l i n g u s e sg l o b a lp o s i t i o n i n gp r e c is e s a te l1it ee p h e m e risa n ds a t e l1itecl o c ke r r o rd e r i r e df r o ma ll i g st r a c k i n gs t a t i o nd a t aa r o u n dt h ew o r l d u s i n gt h em e t h o d o fu n - d i f f e r e n c e dp r o c e s s i n gw i t has i n g l er e c e i v e rb a s e do n p h a s ea n dp s e u d o r a n g eo b s e r v a t i o n ，t h ea c c u r a c yo fd e c i m e t e r l e v e le v e nc e n t i m e t e r1 e v e lc a nb ea c h i e y e d t h r o u g ht h ed a t a a n a l y s i s ，t h ea c c u r a c yo fp p p c a nb eb e t t e rt h a n1 5c mi nx ， ya n dzc o m p o n e n t ，a n dm o s to f t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yi s b e t t e rt h a n1 0a m k e yw o r d s ：g p s ：u n d if f e r e n c e d ：p r e c is e p o i n t p o s itio n in g ： p r e c i s ee p h e m e r i s ：a c c u r a c ya n a l y s i s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密图使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 茎竺论文作者签 ：办如 日期：耐中7 7 指导老师签名：墨，乳厶 日期：劲6 ，c zz 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 论文中对精密单点定位的i g s 精密星历采取了滑动式拉格朗 日插值方法，从而使星历插值的精度得到提高。 2 对i g s 提供的产品，通过实验数据说明，在非差精密单点定 位时需要考虑i g s 星历基准的统一。 3 在精密单点定位时，观测值采用相位平滑伪距，对单台接收 机采集的相位和伪距观测值进行非差定位处理，其精度可以 达到分米级。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第一章绪论 g p s 是二十世纪七十年代由美国国防部发展的全球卫星导航系 统，19 9 5 年正式投入使用。它具有全球、全天候、实时连续导航和 定位功能。g p s 卫星播发的信号包括c a 码( 调制在l 1 载波上) 、p 码( 调制在l 1 ，l 2 载波上) 、两种不同频率的载波( l l ，l 2 ) 和数据码。 c a 码的波长约为2 9 3 m ，p 码的波长约为2 9 3 m 。而载波的波长远小 于码的波长，l 1 的波长为19 0 3 c m ，l 2 的波长为2 4 4 2 c m ：出于军 事目的，美国官方对p 码进行了加密设置，除美国军方特需用户外， 普通用户只能用c a 码和载波相位观测值来进行定位。 在利用码定位方面，最常见的是单点定位。理论上，只利用三 颗卫星的观测值就可以进行定位求得测站的三维坐标，但是由于接 收机钟差的存在，所以在定位时就必须把接收机钟差当作一个未知 参数来求解。因此，实际上，一般就必须至少观测四颗同步卫星才 能进行单点定位。在s a 政策关闭后，单点定位三个坐标分量上的定 位精度大约为1o m 。 为了提高定位的精度，就提出了差分g p s 定位技术。差分g p s 定位技术分为局域差分g p s ( l a d g p s ) 和广域差分g p s ( w a d g p s ) 。局域 差分g p s 定位技术是由基准站，数据通讯链和用户站组成。它提高 用户站定位精度的原理是建立在基准站和用户站对g p s 卫星同步观 测的基础上，基准站和用户站在一定的范围内( 一般不超过15 0 k m ) ， 则这两个站相对于同一历元同一卫星有相同的观测误差。因此，将 基准站观测的每一颗g p s 卫星的伪距误差改正信息通过数据链传输 至用户站，用户站利用这一信息改正其相应卫星的伪距观测值，即 可提高精度。一般来说，用户站和基准站的距离在l5 0 k m 范围内，用 户站定位精度约为l - 5 m 。 广域差分g p s 技术的基本思想是对g p s 的卫星轨道误差、卫星 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 钟差及电离层延迟等主要误差源加以区分，并对每一个误差进行模 型化，计算其误差修正值，通过数据链传输至用户，对用户6 p s 接 收机的观测值误差加以改正，以达到消弱这些误差的影响，改善用 户的定位精度。因此在广域差分g p s 系统中，只要数据链有足够的 能力，基准站和用户站间的距离原则上没有限制。一般情况下，在 l0 0 0 - 15 0 0 k m 范围内，广域差分定位的精度约为l - 5 m 。 由于码观测值只能实现米级的定位精度，因此无法满足高精度 测量的要求。在测量应用中，需要采用载波相位观测值。但是，载 波相位观测值无法直接测定载波信号在传播路径上相位变化的整周 数，即存在整周未知数的问题。长期以来，人们在利用载波相位观 测值方面做了大量的研究工作，提出了很多方法。在这些方法中， 载波相位相对定位技术应用最为广泛。载波相对定位技术与码差分 定位技术的原理相似，均采用两台以上接收机同步观测进行定位， 但是码差分的结果的测站坐标，而载波相位得到的是基线向量。在 过去的二十年中，人们提出了很多相位差分相对定位的方法，包括 静态和动态两类。在静态定位中，接收机天线在观测时段内静止不 动采集数据，然后用后处理软件求得测站间的基线向量。定位的精 度取决于测量观测时段的长短，基线长度，接收机质量( 单频还是双 频) ，接收到的卫星情况及观测环境等。目前，静态相对测量技术已 经发展的比较完善。利用高精度的数据处理软件，如g a m i t 、b e r n e s e 等，对于中长基线( l0 0 0 k m ) 静态相对定位结果的精度也可以达到厘 米级甚至毫米级，对于甚长基线，其长时间观测的定位结果精度也 可以达到厘米级。而动态测量技术，最早由r e m o n d i 于l9 8 5 年提出 的。对于单基站动态定位，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，基准站利用通讯 链将载波差分改正值传输至流动站，流动站利用载波差分改正值进 行实时定位。实时动态定位的缺陷在于基准站和流动站的距离不能 过长，一般不超过2 0 k m ，才能进行有效的定位。否则由于距离太远， 导致基准站和流动站间的误差相关性减弱，进而模糊度也很难固定。 为了突破其距离限制，人们又提出了多基站r t k ，虚拟基准站v r s 等 技术，利用这些技术可以实现离基站5 0 一7 0 k m 作业距离的实时动态 定位。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 非差精密单点定位国内外研究现状 近些年来，许多g p s 研究学者为了提高g p s 定位精度，开始对 单点定位做了比较深入的研究。早在19 9 5 年，在美国科罗拉多大学 举行的i u g g 大会上，美国喷气动力实验室( j p l ) 宣称他们用g i p s y 计算出来的g p s 单点定位的内符合精度已达到c m 级。l9 9 7 年 z u m b e g e rjf 等人提出用高精度的g p s 卫星星历和卫星钟钟差，以 及双频载波相位观测值，采用非差相位模型来进行单点定位。其单 天解的精度，在水平方向上1c m ，高程方向上2 c m 。国外还有一 些学者，如n r a n 的t h e r o u x ，加拿大c a lg a r y 大学的g a oy 等人也 对精密单点定位方法进行了研究瞳1 。h a t c h 则提出用j p l 实时定轨软 件实现全球r t k 计划，其目的是实现平面坐标精度1o c m 。著名的 g p s 数据处理软件b e r n e s e 在4 2 版本中也增加了利用非差相位载波 观测值进行单点定位的功能。与此同时，国内许多学者也对精密单 点定位进行了深入的研究，如武汉大学博士研究生叶世榕利用自己 提出的模型和自行研发的软件进行了试算，单天解的定位精度：b 方 向优于lc 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l 5 m in ，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lo c m 3 。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大约为4 0 c m 左右。上述结果与国际上同类的结果基本上是一致的。经过10 多年 的发展，g p s 理论基本已趋于成熟，特别是在静态定位方面，已经有 了相当成熟的理论和解算软件。 在高精度的g p s 定位中，一般采用双差模式。但是由于非差模 式能利用所有的观测值信息，人们也经常用非差模型进行定位。非 差定位与双差模型相比，具有以下技术难点： 模型上更为复杂，除了需要考虑参数结算的数学模型外，还 需要考虑各种更复杂的误差改正模型。 探测和修复周跳更困难，非差定位模式只能利用单站的数据 进行周跳的探测和修复，其修复质量的好坏依赖于码观测值质量的 好坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 需要估计的参数也比双差模型多，非差定位中除了需要估算 测站的三维坐标，接收机钟差和整周模糊度外，还需要估计对流层 参数。并且，由于受误差残差的影响，整周模糊度的确定也变得比 较复杂。 1 3 本文研究的目的和主要内容 传统的g p s 单点定位是指利用伪距和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数米，卫星钟差改正 精度为几十纳秒( n s ) ，因此这种单点定位的坐标分量精度只能达到 1o m 级( p 码单点定位的精度为3 m ) ，仅能满足一般的导航定位精度。 基于g p s 非差相位观测值的精密单点定位实质上是利用精密卫 星轨道及精密卫星钟差改正信息，只需一台双频g p s 接收机，就可 以在全球任意地点以静态或动态方式进行高精度定位。为了消除电 离层的影响，精密单点定位一般采用双频消电离层相位组合。用i g s 提供的精密星历和卫星钟差进行单点定位时，由于各个测站的接收 机之间没有共同的待估参数( 如差分g p s 中的基线向量和整周模糊度 等参数) ，各测站之间是不相关的，因此，它不需要设立基站，而直 接对各个测站进行定位，这样就可有效的避免少数观测值质量较差 的测站对其他测站的影响。另外，在进行精密单点定位时，除能解 算出测站的三维坐标外，还可以同时解算出接收机钟差，卫星钟差， 电离层和对流层延迟改正信息等参数，这些结果可以满足不同用户 的需要。因此，研究利用i g s 提供的精密卫星轨道和精密卫星钟差 改正信息的基于g p s 非差观测值的精密单点定位技术具有重要意义。 精密单点定位有如下关键之处：在定位过程中需要同时采用 相位和伪距观测值；卫星轨道精度需达到几c m 水平：卫星钟差 改正精度需达到亚n s 量级需要考虑更精确的误差改正模型。根据 上述分析，精密单点定位需要解决如何确定非差相位整周模糊度、 高精确的卫星轨道和高精确的卫星钟差改正等问题。此外，由于i g s 及数据分析中心仅提供15 m in 和5 m in 间隔的卫星钟差参数，而在实 际定位中，g p s 接收机的采样频率为3 0 s 、15 s ，甚至更密。因此， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 必须采用一定的措施对精密卫星钟差进行内插，以便和用户接收机 的采样频率保持一致。最可靠的方法是利用全球分布的i g s 永久站 的观测数据估计高采样率卫星钟差参数，其估计方法是先根据全球 的数据求得精确的轨道参数、各个测站的精确坐标及对流层、电离 层延迟参数，然后把这些参数作为已知值，用双频伪距和相位观测 值求出3 0 s 采样间隔的精密卫星钟差参数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章i g s 产品及其技术进展 2 1i gs 发展概述 i g s ( i n t e r n a ti o n a lg p ss e r v i c ef o rg e o d y n a m ic s ) 是国际大 地测量协会( i g a ) 建立的一个服务机构，经过一年多成功的试验后 于1 9 9 4 年1 月正式运行。l9 9 9 年i g s 更名为“i n t e r n a tio n a l g p s s e r v ic e ，这表明ig s 网络及其产品的服务领域进一步扩大。到2 0 0 0 年底，i g s 已经拥有2 0 0 多个永久性的，连续运行的参考站。 i g s 组织主要由g p s 卫星跟踪网、数据中心、分析中心、综合分 析中心、中央局及发布中心等几部分组成。 2 0 0 0 年年底i g s 的g p s 卫星跟踪网中有2 4 8 个跟踪站。其中 有9 2 个站为“全球级跟踪站，至少有3 个数据分析中心对它们的 观测资料进行长期连续的分析计算。建立连续跟踪站的目的是计算 卫星轨道，确定地球参考框架及地球自转参数。 数据中心分为数据操作中心、区域数据中心和全球数据中 心。操作中心与跟踪站直接相连，他们的任务是进行数据格式转换、 数据压缩、数据备份及传输数据到区域中心。区域中心的目的是从 数个操作中心收集数据，满足本地区的需求，减少数据传输流量， 并且将数据传输到全球数据中心。全球数据中心的任务是为分析中 心的外部用户提供数据服务。 分析中心的任务是接收和处理g p s 跟踪站的数据，独立的进 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。分析中心包括 c o d e 、n r c a n 、g f z 、e s a 、n g s 、j p l 、s i o 等七个。 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。 中央局主要负责i g s 日常工作，包括组织会议，制定标准及 出版相关出版物，发布中心负责发布i g s 产品及相关出版物。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 i g s 所提供的产品包括： g p s 卫星星历， 地球自转参数：极移和日长变化， g p s 跟踪站的坐标及其变率， 各跟踪站沿天顶方向的对流层延迟， 全球电离层延迟信息( 总电子含量v t e c 图) 。 在过去的几年里，随着研究的深入及研究领域的扩大，ig s 取得 了很大的进展。i g s 全球跟踪站也发展到了3 0 0 多个，站的分布也得 到了很大的改善，其站的坐标精度也提高到2 - 3 c m 。图2 一l 所示为全 球i g s 跟踪站分布图。 图2 1i g s 站点分布图( i g s 年报，2 0 0 1 ) 由于g p s 定轨理论和技术的发展，轨道计算数学模型完善，以 及全球跟踪站数目的增多和跟踪站分布的改善，i g s 确定g p s 卫星轨 道有了明显的提高。i g s 事后精密星历精度由最初的3 0 4 0 c m 提高到 现在的优于5 c m 。图2 2 给出i g s 及其分析中心精密星历的精度变化 发展情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 2i g s 及其分析中心精密星历的精度发展变化( i g s 年报，2 0 0 1 ) 此外，随着需求的发展，i g s 提供的产品在种类上也有所增加， 增加了各测站对流层天顶延迟，精密卫星钟差等信息。目前i g s 及 其分析中心提供的卫星钟差精度达到0 1 - 0 2 a s ，其他产品质量也有 很大的改善。表2 1 列出了ig s 主要的事后精密产品的质量标准。 表2 1i g s 事后精密产品质量标准 名称滞后时间更新率采样率精度 6 p s 精密星历l l 天1 次星期 15m in 5 c m 精密卫星钟差 11 天1 次星期5m in o 1 一o 2 n s 平面位置3 m m ， 测站坐标1 2 天1 次星期一周 高程6 m m 平面位置2 m m 测站速度 12 天1 次星期 一周 年，高程3 m m 年 极移参数 11 天 1 次星期一天 0 1 m a s 极移参数变率 11 天1 次星期 一天0 2 m a s d 对流层天顶延迟 4 周1 次星期 2 h 4 m m 对于i g s 事后精密产品， 面的要求是次要的。但是随着 准动态应用的发展，用户要求 精度是放在第一位的，而时间延迟方 g p s 对流层监测、电离层监测等实时 i g s 能提供更新时间快，甚至实时的 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 产品。对于这些实时用户的要求，首先要求是提供时间延迟更短的 产品，而精度则是次要的。目前i g s 主要提供的事后快速产品包括 快速精密星历、快速卫星钟差等，而满足实时动态应用的产品主要 包括预报精密星历和预报卫星钟差等。具体产品种类及质量指标见 表2 - 2 和表2 - 3 表2 2i g s 快速精密产品质量指标 名称滞后时间更新率 采样率精度 快速精密星历 17 h 每天 1 5m i n 5 c m 快速卫星钟差 17 h 每天 5m ino 2 0 3 n s 极移参数 17 h 每天一天 0 2 m a s 极移参数变率17h每天一天0 4 m a s d 表2 3i g s 预报产品质量指标 名称滞后时间更新率采样率精度 预报精密星历实时 1 2h1 5m i n2 5 c m 预报卫星钟差实时 1 2h1 5m i l l5 n s 2 2igs 产品参考基准的统一 i g s 的基本目标之一是对所有的i g s 用户和g p s 应用提供一个很 容易实现和维持的全球i g s 参考基准。从广义上来讲，全球i g s 参考 基准不仅包含坐标参考基准，还包括数据处理标准的方法，如消弱 对流层、电离层及其它不精确的可能会对g p s 定位结果产生影响的 因数。 i g s 参考框架是通过i g s 系列产品( i g s 跟踪站坐标，精密星历， 地球自转参数及卫星钟差) 来实现和维持的。在i g s 星历和测站坐标 中隐含着i g s 参考框架的两种局部实现，它们所对应的参考框架定 位、定向及尺度基准可能不完全一致。在地球自转参数中也隐含着 某参考框架的定向基准。因此，对i g s 用户来说，这些隐含的i g s 基准在一定概率条件下，必须保持相容性。这样，在结合使用i g s 产品时不会产生矛盾，可以得到较高的相对精度，或从统计意义来 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 讲，能够获得与基准相当精度的结果。原先一般认为只有前三项( i g s 跟踪站坐标，精密星历，地球自转参数) 需要统一基准，并保持较高 的相对精度。而自从精密单点定位技术( p p p ) 和精密时间传递等应用 的发展使得卫星钟差也变得同等重要。因为用户利用精密单点定位 技术实现的i t r f 框架是由卫星星历和卫星钟差共同决定，而不是由 测站决定。这表明，i g s 跟踪站坐标、精密星历、地球自转参数及卫 星钟差都必须要统一，并保持较高的精度。 在实际定位时，可以选择使用某分析中心提供的精密星历和精 密卫星钟差参数或i g s 最终产品，但由于不同数据分析中心所采用 的全球i g s 站数据、误差模型、解算方案及采用的软件不尽相同， 其基准不一定完全相同，最后求得的精密星历和精密卫星钟差也不 尽相同，但同一分析中心在求解轨道和卫星钟差时的基准是一致的。 最后，i g s 把各分析中心的精密星历及卫星钟差加权平均，求得i g s 的最终结果。因此，在使用时应注意配套，即必须同时使用同一分析 中心或i g s 精密星历和精密卫星钟差改正参数。其处理过程分为以 下几个步骤哺o ： 全球ig s 跟踪站进行全天候观测。 观测数据在2 4 小时内由i g s 跟踪站传送到i g s 全球数据中 心( g l o b a ld a t ac e n t e r ) 。 i g s 的七个分析中心每天利用全球数据中心的观测数据，独 立地进行数据处理和分析，并将各自的处理成果，如测站坐标，卫 星星历、卫星钟差、地球自转参数等信息反馈到数据中心。 由设在加拿大n r c a n 的i g s 综合分析中心( a n a l y s isc e n t e r c o o r d in a t o r ) 将七个分析中心各自的分析成果，进行综合处理。得 到i g s 最终产品，包括i g s 跟踪站的坐标及其变率、g p s 精密卫星星 历、精密卫星钟差、地球自转参数等。 分析上述的处理过程可知，由于i g s 各分析中心是独立处理数 据，其所使用的软件的数学模型、考虑的误差改正模型及所解算的 参数并不完全一致。这样，即使是所采用的起算数据一致，即初始 基准是一致的，也无法保证各分析中心得到的产品的基准是完全一 致的。同一分析中心的星历、钟差、测站坐标、地球自转参数其隐 含的基准是一致的，而不同分析中心的产品之间，其隐含的基准可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 能不一致。而i g s 的最终产品是由各个分析中心的产品经加权处理 得到的。而各分析中心的产品基准可能不相容，因此，合成产品的 首要问题就是必须对个分心中心的产品基准进行统一，这样，才能 保证i g s 综合分析产品具有更高的质量精度。 2 3 精密卫星钟差基准统一 精密卫星钟差的基准有下列因数共同确定： 计算卫星钟差时所用卫星轨道参数对应的基准 计算卫星钟差时所用初始卫星钟差对应的基准 计算卫星钟差时所用的i g s 跟踪站i t r f 坐标的基准 所以，在确定精密卫星钟差是首要考虑上述几个因数。 2 3 1 卫星轨道参数和卫星钟差基准统一 同一个星历文件中的卫星坐标和卫星钟差，是由i g s 或同一分 析中心解算的结果。他们的解算方案，所采用的数学模型、解算软 件、误差改正模型均一致。因此，它们的基准也是统一的。而不同 分析中心解算出的星历和卫星钟差，由于所采用的全球i g s 跟踪站 数据可能不一样，所采用的软件、数学模型、误差改正模型也有差 别，其基准不一定是完全统一的。统一卫星轨道和卫星钟差最简单 的方法是使用同一分析中心，采用相同的解决方案确定的卫星钟差 和卫星轨道。下面对采用不同分析中心提供的卫星轨道和卫星钟差 做了分析。 将不同分析中的星历文件中的卫星坐标和钟差做比较，以下采 用2 0 0 7 年1 月1 9 号p r n 号为2 的卫星，比较i g s 星历文件和g f z 星历文件中给出的卫星坐标和卫星钟差的差异。图2 - 3 - 图2 - 5 给出 了不同历元卫星坐标在x 、y 、z 方向上的差异，图2 - 6 为相应的卫 星钟差差异。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 量 警 o e ：= ， q ，_ 、 e i d e p h 图2 - 3g f z 和i g s 提供的卫星坐标在x 方向上差异 e p o c h 图2 - 4g f z 和i g s 提供的卫星坐标在y 方向上差异 e p o c h 图2 - 5g f z 和1 6 s 提供的卫星坐标在z 方向上差异 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 6g f z 和i g s 提供的卫星钟差差异 分析图2 3 一图2 5 ，两种星历在x 、y 、z 方向上均存在非线性 差异，x 方向上最大差异达到2 8 c m ，y 方向上最大差异达到6 1c m ， z 方向上最大差异达到4 o c m ，卫星钟差的最大差异达到2 5 纳秒。 分析原因是此差值可能包含由于其基准钟选择的不同而引起的系统 性误差。 如果同一历元不同分析中心所有卫星钟差的差值均相等，即差 值是由于基准钟的选择不同而引起的，和其它因素无关，则这些差 值可能被接收机钟差吸收，即和接收机钟差一起作为未知参数解算， 而不会影响定位的精度。为此，下面分析同一历元不同卫星的钟差 差值是否相等。方法是先求出不同分析中的卫星钟差的差值，然后 在求二次差。以2 0 0 7 年1 月19 号p r n 号为l 的卫星和p r n 号为1 1 号的卫星作为数据分析，它们的卫星钟差的二次差如图2 - 7 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 t - 慧 。 图2 71 号卫星和1 1 号卫星的钟差的二次差 如果仅是由于卫星钟的基准选择不同而引起的，则同一历元不 同卫星的钟差的二次差值应该在零附近抖动。显然，分析图2 - 7 可 知，1 号卫星和1 l 号卫星的钟差的二次差值最大达到0 3 5 纳秒，这 说明除了基准钟的选择影响外，还有其它的原因。也就是说差值无 法和接收机钟差一起作为未知参数求解，会对定位结果有影啊。i g s 及其分析中心能提供的卫星星历的精度为2 - 3 c m ，卫星钟差的精度为 0 卜o 2 纳秒。但分析图2 - 3 至图2 - 5 的结果可知，若使用同一分析 中心的卫星星历，计算的结果精度较高，使用不同分析中心的卫星 星历，由于基准的选择不统一，其精度也相对的降低，会对定位的 结果造成影响。 2 3 2 实验结果分析 本文采用不同分析中心提供的精密星历来计算单点定位的结 果，并且比较不同分析中心的精密星历对精密单点定位的影响。为 了进行比较，除了采用的精密星历不同外，其它的如解算方法、观 测值、精密卫星钟差等均一致。 在实例中，作者利用自己编写的程序处理了i g s 站一b j f s 站 2 0 0 5 年9 月2 7 号的观测数据。精密星历采用i g s 提供的最终精密星 历和j p l 提供的精密星历，精密卫星钟差使用i g s 提供的5 分钟的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 精密卫星钟差，采用拉格朗日插值方法得到3 0 s 间隔的卫星钟差， 以便充分利用所有的g p s 观测值。图2 8 一图2 一l0 为采用i g s 精密星 历计算的b j f s 站坐标与测站的已知坐标在x ，y ，z 方向上的差值，图 2 - 1l 为采用i g s 精密星历计算的序列历元结果的r m s 值。图2 12 至 图2 一l4 为采用j p l 精密星历计算的b j f s 站坐标与测站的已知坐标 在x ，y ，z 方向上的差值，图2 - 15 为采用j p l 精密星历计算的序列历 元结果的r m s 值。已知坐标为i g s 公布的b jf s 站i t r f 2 0 0 0 框架坐 标。 e o 图2 - 8 采用i g s 精密星历计算的坐标与已知坐标在x 方向上差值 0 2 ，0 0 04 ，o o o6 ，0 0 08 ，o o o 1o ，o o o t ( s a c o r i d ) 图2 - 9 采用1 6 s 精密星历计算的坐标与已知坐标在y 方向上差值 侣 ：g 晒 佰 为 0 0 彤 旬 旬 一e 一长i a 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 量 彗 a t ( s e c o n d ) 图2 1 0采用i g s 精密星历计算的坐标与已知坐标在z 方向上差值 e 济0 0 1 5 = 正 e 譬 凸 0 0 0 5 06 0 0 0 1 0 0 0 0 t ( s e c o n d ) 图2 1 1采用i g s 精密星历计算的序列历元结果的r m s 值 t ( s e c o n d ) 九 fh a 附 v 图2 1 2 采用j p l 精密星历计算的坐标与已知坐标在x 方向上差值 i=：_=雕，l liiii二w jiiihl、 l；llilj 8 iij川ij “埕l。 ；lpyf ；iii0 ：三弘川。_二一 ii0，q，f0”掣； 二“卜 h l 、l 0； 0jiii=0 i瑞。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 e 皇 q 图2 - 1 3采用j p l 精密星历计算的坐标与已知坐标在y 方向上差值 e ￥ ：皇 。 图2 一1 4采用j p l 精密星历计算的坐标与已知坐标在z 方向上差值 e 、一 ，) = 正 图2 1 5采用j p l 精密星历计算的序列历元结果的r m s 值 分析图中的结果可知，采用i g s 精密星历求得的测站坐标在x 方向最大达到o 10 2 m ，最小值为一0 12 8 m ，y 方向最大值为o 1 1 4 m ， 最小值为- 0 2 2 2 m ，z 方向最大为0 0 4 9 m ，最小值为- 0 2 0 8 m 。r m s 的 最大值为0 0 2 2 ，最小值为0 0 0 5 m 。采用j p l 精密星历求得的测站 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 坐标在x 方向最大达到0 17 5 m ，最小值为一o 121m ，y