GPS精密单点定位技术及其应用

1、GPS 精密单点定位技术及其应用*王晓宾, 刘 琨, 林乐科, 赵振维(中国电波传播研究所, 山东青岛266107摘 要:介绍了精密单点定位的基本原理, 利用IGS 数据和产品验证了对流层天顶延迟和电离层总电子含量的解算正确性, 给出了青岛地区对流层折射率和电离层电子密度剖面的探测结果。实验结果表明:精密单点定位技术应用于空间环境探测是可行的。 关键词:GPS; 精密单点定位; 环境探测中图分类号:T P79 文献标志码:A 文章编号:1008 9268(2008 06 0017 04引言空间环境影响通信、导航定位、雷达目标探测、航天器的飞行与测控等, 与人类的生存和活动密切相关, 而空间环境

2、的探测是了解空间物理现象, 进行空间科学技术研究应用的基础, 研究开发全天候、高精度、高分辨率和低成本的探测技术是满足各种应用要求的一项紧迫任务。近年来, GPS 技术作为一种新型的探测手段越来越多地应用于空间环境的探测中, 如对流层的可降水量PWV, 电离层的总电子含量T EC 。为了更加准确、快速、方便地获得空间环境的参数, 精密单点定位技术(Precise Po int Positioning, PPP 逐渐成为GPS 中继双差分技术之后又一个技术研究的前沿和热点。精密单点定位技术是美国JPL(喷气推进实验室 的Zumbeg er 等人于1997年提出的1, 并在GIP SY 软件中实现

3、, 定位的精度可以得到厘米至毫米级, 与双差分技术相当。其与双差分相比, 其优点是不需要设立参考站, 减少了通信等系统成本, 不再受作业距离的限制, 并且处理速度更快, 工作效率大大提高。另外, 精密单点定位技术在解算测站的三维坐标之外, 还可以得到对流层延迟等参数, 因此非常适合应用于空间环境的探测。GPS 除了可以探测空间环境的积分量, 还可以进行剖面的探测。目前基于GPS 的大气剖面反演一般利用掩星技术或地基网络层析技术, Low ry 等基于精密单点定位方法, 利用仰角5 以下的斜路径延迟进行了6km 以下对流层折射率剖面的反演探测2, 林乐科等则基于天顶湿延迟进行了相关研究3。本文介

4、绍了精密单点定位的基本原理, 利用IGS 数据和产品验证了对流层天顶延迟和电离层总电子含量的解算正确性, 并给出了青岛地区对流层折射率和电离层电子密度剖面的探测结果。1 精密单点定位原理现代的测量型GPS 接收机同时记录双频伪距和载波相位观测值, 其中, P 码的精度约为0. 3m, 相位的精度约为2m m, 观测方程为:P i = +c(d t -dT +T ion, i +T trop +P (1i = +c(dt -dT -T ion, i +T trop +N i ! i +(2其中, P i 和 i 为伪距和载波相位观测值, 单位均为米, 下标i =1, 2表示两个频率f 1, f

5、2, c 为真空中的光速, dt 为接收机钟差, dT 为卫星钟差, T ion, i 为电离层延迟, T trop 为对流层延迟, N i 为整周模糊度, ! i 为波长, P 和为 观测噪声, 为接收机和卫星之间的真实直线距离, 设卫星坐标为(X S , Y S , Z S , 接收机坐标为(x , y , z , 则 =S +(Y S -y +(Z S -z (3电离层延迟具有色散效应, 与频率有关, 只考虑其一阶项, 利用两个频率观测值的线性组合消除电离层延迟的影响:l P =211222f 21-f 22(4 l =211222f 1-f 2(5并假定对流层各方向的斜延迟与天顶方向的

6、延迟存在映射关系, 则观测方程可以写为: l p = +c(dt -dT +zpd M + P(6. 6/*收稿日期:2008 09 04l = +c(dt -dT +zpd M +N ! +(7 其中, zpd 为对流层天顶方向的延迟, M 为映射函数, N 为模糊度组合值, 不再保持整数特性, ! 为波长组合值。如果已知卫星的坐标和钟差, 将观测方程线性化, 利用最小二乘法或卡尔曼滤波进行解算, 可以同时得到接收机坐标, 接收机钟差, 组合模糊度和对流层天顶延迟。 精密单点定位为达到厘米甚至毫米级的定位精度需要注意以下几个方面:(1 卫星轨道精度达到cm 级; (2 卫星钟差精度达到亚ns

7、 级; (3 正确剔除粗差, 修复周跳; (4 考虑精确的误差修正模型, 包括固体地球潮、海洋潮汐、地球自转、相对论、天线相位中心偏差、卫星天线相位缠绕等。精密单点定位解算的参数多, 并且受误差残差的影响, 非差分单点定位的模糊度确定比双差分定位更加复杂和困难, 因此, 必须选取合适的参数估计模型和精确的误差修正模型。2 空间环境参数1 对流层大气折射率对流层天顶延迟zpd 与大气折射率N 的关系为:zpd =10-6!N (h d h(8其中, h 为高度。2 电离层电子密度单个频率电离层延迟T ion, i 与电子密度N e 的关系为: T ion, i =f i TEC =f i!Ne(

8、s d s (9 其中, TEC 为总电子含量, s 为信号传播路径。电离层延迟与频率有关, 计算TEC 必须对GPS 系统的硬件延迟B 进行修正: TEC=9. 52437(P 2-P 1+B(10对流层延迟和电离层TEC 均为积分总量, 基于模型或历史观测数据, 采用合适的反演方法即可得到各高度上的剖面值。3 实验与分析利用自主研发的精密单点定位软件对IGS 武汉站2008年3月28日(年积日088 观测数据进行了实验处理, 采样间隔为30s, 卫星星历和钟差使用IGS 提供的最终精密产品, 星历的精度优于5cm, 数据间隔为15m in, 钟差精度优于0. 1ns, 数据间隔为30s,

9、因此, 经拉格朗日插值以后满足厘米级精度的定位要求。在初始阶段, 载波相位的模糊度很难准确确定, 采用相位平滑伪距观测值则可以提高精度, 减少初始化时间。初始化时间约15m in, 3h 后得到厘米级精度, 6h 后则随观测时间增加提高很小4。对流层中水汽分布随时间不规则变化, 数据处理过程中, 对流层延迟残差采用随机游走过程模拟。图1 IGS 武汉站对流层天顶延迟图1给出了GPS 时间8:0016:00(当地时间约16:0024:00 武汉站的对流层天顶延迟的解算结果(PPP , 并同时给出了基于地面气象数据采用saastamo inen 模型计算的met 、IGS 以及气球探空(Sonde

10、 的结果。基于地面气象数据采用模型计算的对流层延迟大约为2. 31m , 与其它结果差别较大, 无法满足精密定位的要求。本文和IGS 处理的结果与实际的气球探空比较吻合, 相差在23cm, 原因是受空气密度和风速影响, 探空气球实际测量的是一段时间内(约1h 左右 一条不规则路径上的积分总量, 而GPS 则是某个时刻各个方向路径延迟在天顶方向的映射平均。并且, 探空气球一般只能达到2030km 高度, 而GPS 系统测量的是中性大气的延迟, 因此气球探空比GPS 探测结果要小。解算的结果与IGS 提供的对流层延迟结果相比, 虽然在绝对值上差别不大, 但其相对的变化趋势却不尽相同, IGS 的结

11、果变化较为平稳, 而本文的结果则变化较大, 其原因可能有以下几个方面:(1 参数估计模型的选取不同, 且IGS 给出的是各分析中心的综合结果; (2 误差修正不同:实验解算中修正了大部分的误差, 但对于影响较小的误差,18GNSS World of 2008. 6如海洋潮汐, 天线相位中心随天顶角和方位角的变化等没有修正; (3 模糊度的确定不够准确:非差分载波相位模糊度不再为整数, 且受误差残差影响,要准确确定比较困难。 图2 IGS 武汉站电离层垂直TEC图2给出了相同时间武汉站电离层总电子含量TEC 的处理结果, 同时也给出了IGS 网格TEC 经插值后的结果。从图中可以看出, 除了GP

12、S 时8:00之外, 两者基本一致, 反映了电离层TEC 白天较大, 晚上较小的日变化趋势。IGS 利用全球5个电离层分析中心提供数据, 对其处理, 取其相对平均结果, 而本文利用仰角30 以上可视卫星与接收机间不同路径斜向总电子含量, 通过投影函数和Kriging 插值, 获取接收机上空总电子含量, 该方法更能反映局部电离层效应; 再者, 当选择不同的高度截止角和单层电离层模型高度时, 投影函数将导致计算结果的一定差异5。图3为青岛地区(36. 24 N, 120. 41 E 2008年7月12日(年积日194 对流层天顶延迟的观测结果, 接收机为徕卡双频测量型接收机, 数据处理中卫星截止仰

13、角为15 , 星历仍使用最终精密星历。夏季对流层天气变化频繁, 对流层天顶延迟在一天内随时间变化剧烈, 该天的特点是白天小, 晚上大, 相差约5cm 。图4给出了白天和晚上(当地时间12:00和24:00 的对流层折射率剖面反演结果, 折射率随高度呈指数变化, 2km 以上, 白天折射率较小, 2km 以下, 白天折射率则较大。图5和图6给出了2008年4月2日(年积日093 的电离层T EC 观测结果及当地时间12:00和24:00的电离层电子密度剖面反演结果。电离层电子密度变化受太阳光照影响, 一般在中午达到最大值, 随后由于太阳光强度的减弱, TEC 逐渐减小, 夜晚达到最小。从图6的电

14、子密度剖面结果可以看出, 在250km 左右的高度处, 峰值相差约1倍,日夜变化非常大。4 结论介绍了精密单点定位技术在空间环境探测中的应用, 与其它观测进行了实验对比, 结果表明, 该技术能够满足空间环境如对流层折射率和电离层电子密度的探测精度需要, 是一种可靠的新型探测. 6/ 图6 电离层电子密度剖面技术。基于单个GPS 接收机的精密单点定位技术, 因其简单、快速、高效的特点, 是目前和未来一段时间内GPS 研究的热点。对于空间环境的探测而言, 精度要求较高, 无法使用广播星历, 而必须使用精密星历, 因此, 下一步的研究重点将是利用精密预报星历实现对空间环境的实时或者近实时监测。参考文

15、献1 J. F. Zumberg e, M. B. Heflin, D. C. Jefferso n, M.M. W atkins, and F. H. Webb. Pr ecise point po sitio ning for the efficient and robust analysis of GP S data fro m lar ge netw or ksJ.Jour nal o f Geo phy sical Re sear ch, 1997, 102(B3 :5005-5017.2 L ow ry, A. R. , C. Rocken, S. V. Sokolovskiy ,

16、 etal. V ertical prof iling o f atmospheric refractivity fr om gr ound-based G PS J. R adio Sci. , 2002, 37(3 :do i10. 1029/2000RS002565.3 林乐科, 张业荣, 赵振维, 等, 基于天顶湿延迟的G PS大气折射率剖面反演研究J 全球定位系统, 2007, 32(3 :1-4.4 杜向锋, 蒋利龙, 李 霞, GPS 静态精密单点定位精度实验分析J. 全球定位系统, 2008, 33(1 :35-38.5 王小亚, 朱文耀. G PS 检测电离层活动的方法和最新

17、进展J. 天文学进展, 2003, 21(1 :33-39.Technique of Precise Point Positioning of GPS and its ApplicationW ANG Xiao bin, LIU Kun, LIN Le ke, ZHAO Zhen wei(China Resear ch I nstitute of R adio w ave Pr op agation , Qing dao, 266107, ChinaAbstract:The principle of Precise Point Positioning (PPP is introduced, a

18、nd the estimating of tro p o spheric zenith path delay and iono spheric total electron content is valided using IGS data and pro duct. Finally, the tropospheric refr activ ity and ionospheric electron density sounding results in Qingdao ar e presented. Ex periments show that applicatio n of pr ecise point positioning in spatial environment so und ing is feasible.Key words:GPS; precise p