GPS精密单点定位精度分析

1、第25卷第1期2005年1月海洋测绘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作者简介:刘焱雄(19682,男,湖北鄂市人,博士,副研究员,主要从事海洋测绘及多波束应用研究。GPS 精密单点定位精度分析刘焱雄,周兴华,张卫红,吴永亭(国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛266061摘要:首先介绍了精密单点定位技术,然后详细分析了这种技术的精度,最后基于这种技术,对现在运行的无线电指向标/差分GPS 台站,提出了改进建议。关键词:差分GPS;定位技术;定位精度中

2、图分类号:P22814文献标识码:B 文章编号:167123044(200501200442031前言随着我国海洋战略的实施,海洋科研、海洋开发、海洋工程等海上活动日益增加,对定位精度的要求也呈现出多样化,如精密的海洋划界、精密海洋工程测量等,要求能够达到十几或几十厘米的定位精度,而采用伪距差分定位只能提供米级的定位精度,如果使用RTK 功能,作用距离又不能达到;对于这部分定位需求,现有的定位手段无法满足要求,需要寻求新的定位方式或技术。本文介绍了近年来出现的新的GPS 定位技术精密单点定技术,并基于这种技术,对现在运行的无线电指向标/差分GPS 台站提出若干改进建议,希望未来的台站能够实现多

3、功能、提供多种定位精度以及满足不同层次和精度要求的定位需求。2精密单点定位技术精密单点定位(p recise point positi oning,PPP 技术由美国喷气推进实验室(JP L 的Zumberge 于1997年提出。20世纪90年代末,由于全球GPS 跟踪站的数量急剧上升,全球GPS 数据处理工作量不断增加,计算时间呈指数上升。为了解决这个问题,作为国际GPS 服务组织(I GS 的一个数据分析中心,JP L 提出了这一方法,用于非核心GPS 站的数据处理。该技术的思路非常简单,在GPS 定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机,可以利用

4、LC 相位组合,消除电离层延时的影响。这样,定位误差只有轨道误差和卫星钟差两类。如果能够提供精确的卫星轨道和卫星钟差,利用观测得到的相位值,就能精确地计算出接收机位置和对流层延时等信息。假设LC 的观测方程如下:LC =+c (dT -d t +D trop +LC N LC 这里,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为相位观测值,单位为m ;f 1和f 2为频率;N 1和N 2为模糊度参数;c 为光速;dT 和dt 分别为接收机和卫星参数;D trop 为对流层延时

5、;为星站间的几何距离,包含卫星和接收机的位置、地球自转参数等。如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数。于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。3精密单点定位精度分析实践中,采用PPP 技术,完全可以达到厘米级的定位精度。图1是德国GFZ 的计算结果,列举了三个I GS 站高程方向的精度比较。其误差是这样计算的:首先使用12h 数据窗口,采用PPP 技术计算出位置参数,然后减去已知值。15天的重复性结果显示,高程方向的精度完全优于2c m 。GPS

6、定位中,水平方向的定位精度优于高程方向,所以我们可以肯定,PPP 技术完全可以达到厘米级的定位精度。快速静态定位方面,美国俄亥俄州立大学的结果显示,采用40m in 的数据段,采样率为30s,与已知第1期刘焱雄,等GPS 精密单点定位精度分析值比较,绝对定位的平均误差为18c m ,标准偏差为2c m 。据分析,18c m 的平均误差为系统偏差,由对流层延时和残余的固体潮改正引起。 图1精密单点定位结果的高程精度分析实时应用方面,俄亥俄州立大学的结果显示,采样1s 的采样率,与精密的DGPS 结果比较,实时的绝对定位精度优于40c m 。由于每秒钟的卫星钟差是由30s 的卫星钟差内插而得,影响

7、了绝对定位的精度;如果能够实时得到更精密的卫星钟差,未来的绝对定位精度可望进一步提高。另外,武汉大学GPS 研究中心也得到了类似的实时定位结果。PPP 技术在大地测量中已经得到了应用。美国JP L 的GI PSY 软件、瑞士的BERNESE 软件和德国的EP OS 软件都包括了PPP 功能。JP L 每日提供的全球I GS 站的对流层延时,就是采用PPP 技术计算的结果。I GS 已经决定,各数据分析中心今后提交的对流层延时信息,统一使用PPP 技术,替代原有的网解成果。这些都是后处理结果。 武汉大学GPS 中心的研究人员也进行了PPP 技术的研究工作。他们使用I GS 提供的精密星历和自己计

8、算的精密卫星钟差,对位于夏威夷的I GS 站K OK B 站的数据进行了分析。K OK B 站的坐标已知,实验中采用了平滑伪距和非差相位两种观测值,分别计算了每个单历元的定位结果,类似于动态测量数据处理模式。图2为平滑伪距的结果与已知坐标在X 方向上的差值,图3为非差相位的计算结果与已知的X 值的差异,图4为非差相位计算结果的中误差。 图2平滑伪距计算的结果与已知坐标在X方向的差异 图3非差相位计算的结果与已知坐标在X 方向的差异根据图2显示的结果,采用平滑伪距可以达到米级的定位精度;采用图3非差相位,经过约15m in 的初始化后,单历元的定位结果趋于稳定,定位结果与已知坐标在X 、Y 、Z

9、 方向上的最大差值分别为01158m 、0.174m 和0.167m 。由图4的残差分析,绝大多数的中误差小于15c m 。根据他们的分析,非差定位结果中仍然存在着系统性差异,未来的结果应该更好。图4单历元非差相位观测值计算结果的中误差为了进一步揭示精密单点定位技术能够得到的定位精度水平,作者分别利用GPS 网的解算模式(网解和精密单点定位模式(PPP 解计算了德国W EST 站的坐标值,比较的结果如图5。计算时,两种模式采用了相同的外部条件和约束,所以坐标差值只是反映了算法上的区别。16天的结果显示,在X 、Y 、Z 方向上的坐标差分别为410±216mm 、217±31

10、4mm 、412±412mm ,这种差异仅为几个毫米,等同于观测噪声,并非系统性差异,因为由GPS 技术本身造成的观测噪声已经达到几个毫米。因此,我们有理由认为,由网解和PPP 解得到的坐标和对流层延时估值是等价的。图5PPP 解和网解的坐标值比较(测站:W EST 4改进无线电信标/差分GP S 台站的建议前面的精度分析部分,已经证明了PPP 技术能够得到的高精度定位结果的能力,如果在现有的无线电信标/差分GPS 台站中,加入PPP 定位技术,从技术层面上说,应该是完全可行的。从现实性来看,它不会增加太多的新设备,只是在原有设备和条件的基础上,在计算方法上作出一些改进,另外开通两条

11、新的电文发播卫星轨道和钟差。根据PPP 技术的要求,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。目前,国际GPS 服务组织54海洋测绘第25卷(I GS的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差,但是,这些都是后处理结果。根据I GS的产品报告,I GS提供的卫星轨道精度能够达到23c m,卫星钟差的精度优于0.02ns,这种精度的卫星钟差和轨道,能够满足任何精度的定位要求。近10年,由于I GS的努力,GPS卫星预报轨道的精度已经达到十几厘米,预报轨道的时间也由24h预报缩短到3h预报,卫星轨道的精度已经能够满足一般定位的要求。由于I GS现在不能提供实时和外推的精密卫星钟差,制约了

12、实时PPP技术的应用;精密的卫星钟差仍然是PPP技术实时应用瓶颈,目前I GS只有后处理卫星钟差,JP L和GFZ已经有能力提供快速卫星钟差。在无线电信标/差分GPS台站中,如果系统只要求PPP技术提供优于0.5m的定位精度,相应的卫星钟差精度大约为0.5ns。对于这种精度的卫星钟差,完全可以在差分基准站自己计算。根据作者自己的经验,卫星钟差的计算与测站的空间位置无关,如果在差分基准站装置2台具有相位接收功能的GPS接收机,根据实时的GPS数据,完全可以实时计算出优于0.3ns的实时卫星钟差。另外,自从2000年5月2日凌晨开始,S A技术的关闭,卫星钟差的变化变得平缓,在不影响定位精度的前提

13、下,使卫星钟差外推的时间得以延长。在信号发播方面,系统增加PPP定位功能不会过多加重发播数据的负担。I GS预报星历每15m in 一组,这意味着轨道信息每15m in更新一次;实际发射的轨道信息,可以考虑轨道跟数、多项式系数或迪卡尔坐标卫星,发射时可以采用较低的波特率,如1200bp s。卫星钟差属于快变化量,而实际的数字不大,变化部分更小,外推的时间可以考虑30s或更长,传送数据所需的波特率也不高,如1200bp s。在差分GPS系统的用户端,不需要增加任何设备。精密的轨道和钟差信息可以从接收到的RT C M 信号中获取,如果另外安装了PPP定位程序,用户端根据自己需要,可以选择PPP定位

14、功能。当然,如果用户需要优于0.5m的定位精度,最好使用载波相位GPS接收设备。5结论本文基于我国无线电信标/差分GPS台站的应用现状,提出了采用精密单点定位技术改进沿海差分GPS系统的设想。在事后应用方面,精密单点定位技术已经得到了较好的应用,根据文中的精度分析,精密单点定位技术可以达到厘米级的静态定位精度,动态定位精度也可以达到几十厘米,如果进一步优化算法和模型,定位精度可望继续提高。在实时应用方面,实时和外推的精密卫星钟差仍然是PPP技术的瓶颈。现在还没有商业和科研机构为全球用户提供精密的实时钟差服务,但是,实现这种服务本身的技术本身并不复杂,差分GPS系统的基准站完全有能力自己计算。随

15、着精密单点定位技术的推广应用,越来越多地商业机构介入,未来的GPS定位模式将越来越多地依赖精密单点定位技术,我们相信,如果我国的无线电信标/差分GPS 台站及早改造、尽快应用,在未来的海洋定位和精密导航服务中心将独领风骚。参考文献: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

16、itt,G PS data p rocessing m ethodology:From Theory to A pp licationJ.G PS for G eodesy,Sp ring-V erlag,B erlin,1998,231270.3H an S C,J H Kw on,C Jekeli.A ccurate absolute G PSpositioning through satellite clock error esti m ationJ.Journal of G eodesy,2001,(75:3343.4刘经南,叶世榕1G PS非差相位精密单点定位技术探讨J.武汉大学学报信息科学版,2002,27(3:234240.A ccuracy A nalysis on the Precise Point Positioning G PSL I U Yan2xiong,ZHOU X ing2hua,ZHAN G W ei2hong,W U Yong2ting(The First Institu te of O ceanography,SOA,Q ingdao,Shandong,266061Ab s tra c t:Th is pap er p resents the technique of p