GPS精密单点定位五篇

2024-05-21

GPS精密单点定位 篇1

精密单点定位技术(Precise point positioning;PPP)只需要利用单台GPS双频双码接收器就能够在全世界范围实现mm-cm等级的静态定位与cm-dm级的动态定位。与以往的精密相对定位具有一定局限性的情况下,PPP技术能够充分利用IGSS (International GNSS Service)的数据产品可以直接获取载体的精确坐标。随着我国科学技术的不断发展,我国的航空测量、海洋测量等领域已经广泛使用到精密单点定位技术。目前,我国对该技术仍然处于精密定位的热点,并且在全球范围内已经获得了一定的成就。

1 双频精密单点定位数学模型

1.1 观测方程

就全球范围来看,国内外有关专家学者经过长时间的研究与发展,已经总结出多个双频精密单点定位观测模型。其主要类别有非差性模型、UfC模型、phase-connect-ed模型等。

非差性定位模型能够将所有的观测值信息进行全面的利用。但是精密单点定位在非差性模型下比双差定位模型更加复杂,其除了需要对参数解算策略进行考虑之外,还要对误差更正模型进行各项复杂的考虑。非差性定位模型与双差定位模型存在一定的差异性,其在利用站间差或星间差消除误差中有一定的局限性[1]。例如其对于流层、电离层、卫星中差的影响等。本文就非差性无电离层组合模型为例,研究其观测方程式:

在公式中,lp、l准为无电离层组合伪距以及载波相位观测量。ρ就是卫星到单台接收器的几何距离。dt为接收机钟差。M为映射函数。dzwd为对流层天顶延迟湿分量。N为无电离层组合模糊度。εp为组合观测量对应的观测噪声。ε准为其他为纠正的误差。

1.2 数据预处理

数据预处理的主要目的就是对数据中所出现的粗差以及周跳进行探测。若出现粗差的数据就及时进行剔除,对于出现周跳现象的就尽可能进行修复。由于对周跳进行修复的难度较高,一般软件中往往只标记出周跳出现的位置,再在进行参数估计时增加模糊度参数。数据预处理的质量高低与参数估计的质量之间存在十分紧密的联系[2]。目前,对周跳进行探测的方式还存在一定的缺陷,无法彻底探测出所有的周跳与粗差,所以在进行参数估计时需要加强对其的质量控制。

1.3 误差改正

在对精密单点定位中对于误差的改正主要可以分为两种方法: (1) 对于模型能够将误差进行精确表现的误差源,一般使用模型进行处理。例如由于卫星的态势所引起的误差、地球形变等。 (2) 对于模型无法将其误差源无法进行明确表现的,例如对流层延迟湿分量等。在模型没有误差的基础上精密单点定位的精准程度与IGS的精密星历、精密钟差呈现正比例关系。精密单位定点所实现的坐标也是有其星历、钟差所构建的ITRF模式下的绝对位置。由此可见,需要提高精密单点的精度程度,就应该保持精密单点定位中所有的误差模型要与IGS产品的模型保证其一致度,否则就会造成精密单点定位不精确等后果。

2 解算策略

使用具有静态、动态双频精密单点定位处理能力的GPS-PPP软件。

2.1 待估参数

在精密单点定位中的待估参数分别有接收机钟差、对流层天顶延迟湿分量、接收机位置、组合模糊度四种。其中接收机钟差以及对流层天顶延迟湿分量是进行随机参数处理,接收机位置以及模糊度都能够被当做常量处理。需要特别指出的是,模糊度在静态时是处于常量,但是动态时即为随机参数处理。

2.2 参数估计

在对参数进行估计的过程中,由于周跳现象的发生以及卫星随时发生的变化就会导致准确参数存在一定的浮动性。使用GPS-PPP软件中的扩展kalman滤波、平方根信息滤波以及平滑算法等。

2.3 解算流程

GPS-PPP软件在处理精密单点定位数据的解算流程主要有数据输入、数据预处理、误差修正、参数估计等几个步骤。

3 定位结果与精度分析

3.1 数据准备

将全球的15个IGS观测站中2008-8-01至2008-8-15中的观测数据为资料,使用GPS-PPP软件对数据资料进行定位分析。

3.2 分析方案

利用GPS-PPP软件对数据进行独立静态定位解算。每一个监测站能够得出15个检测结果,将得出的结果与“真值”进行比较,进而得出N、E、U三个方向上15个观测站的RMS与MAX值。

3.3 静态试验

通过对全球的监测站资料进行分析后发现(详情见表1与表2),在N、E方向上的RMS精度都小于10mm, MAX小于15mm。在U方向观测情况中,绝大多数的MAX值都保持在30mm以内。由此可以发现,绝大多数的观测站N、E方向上的RMS都保持在15mm之内,MAX值保持在25mm之内[3]。U方向上的RMS值保持在25mm之内,MAX值保持在35mm之内。从以上数据可以看出,利用双频精密单点定位能够在全世界区域内使用1day观测实现20-35mm之间的静态定位。

4 结束语

精密单点定位能够使用单频或者双频接收器对观测值进行接收。使用双频接收机能够较单频接收机更为优质的接收数据。通过试验结果可以明确,目前所推广实行的参数估计方法可以被当做一种递推估计法,协方差矩阵所得出的参数估值往往存在一定误差,可能会高于世纪参数精度。并且,GPS-PPP软件能够实现cm等级的静态定位。

摘要:随着我国社会经济不断发展, 人民群众的生活水平不断提高, 科学技术的发展也逐渐应用到各行各业的各领域中。企业在激烈的市场竞争中也迎来了新的挑战与发展机遇。其中, 在我国的GPS领域中, 精密单点的定位是一个受到广泛关注的热点。本文从双频精密单点定位数学模型入手, 研究其一系列的解算策略, 具体对定位结果与精度进行分析。通过对静态精度定位分析, 总结出科学的结论, 为工程实际应用提供准确的资料与参考。

关键词:GPS,精密单点定位,精度分析

参考文献

[1]叶世榕.GPS非差相位精密单点定位理论与实现[D][博士论文].武汉:武汉大学, 2011:2-6.

[2]楼益栋, 刘万科, 张小红.GPS卫星星历的精度分析[J].测绘信息与工程, 2008, 28 (6) :4-6.

GPS精密单点定位 篇2

GPS定位技术有传统GPS单点定位、差分GPS定位和GPS精密单点定位三种。

传统GPS定位在任一时刻只需用1台单频GPS接收机通过接收伪距观测值来解算测点的三维坐标。传统GPS单点定位的精度受到诸如卫星钟差、轨道误差、接收机钟差、大气层延迟以及多路径效应等多种误差的限制[1],其定位精度较低,一般只能达到分米级,所以,只能应用于精度要求不高的领域。

为了消除或削弱这些误差的影响,曾经普遍采用了差分GPS。差分GPS使用用户站和基准站上两个接收机组成双差观测值,以消除这两个接收机之间的公共误差而提高定位精度。所以,在作业时必须有一个接收机处于基准站上,且用户站的接收机不能离基准站的接收机太远,否则,定位精度将显著下降。这既造成差分GPS成本上的提高,也限制了差分GPS的使用范围。

近年来,研究利用IGS的精密卫星轨道和精密卫星钟差改正信息,使用双频接收机,同时接收L1载波和L2载波上的伪距观测值和相位观测。建立相应的观测方程,并对观测方程进行线性组合,实现了GPS精密单点定位。

在GPS精密单点定位的研究中,如何提高其定位精度,并解决定位的实时性一直是该领域的研究重点。

1 精密单点定位数学模型

GPS精密单点定位(Precise Point Position,简称为PPP)通常采用双频接收机,同时获得f1和、f2两个载波上的伪距观测值P1、P2和相位观测值L1、L2,将这四个观测值按式(1)和式(2)进行线性组合,可得组合方程为:

LΙFij(t)=f12f12-f22L1ij(t)-f22f12-f22L2ij(t)=ρij-cδtj+cδti+δρΖΤDΜ(θij)+λΙFijΝΙFij+δLΙF(1)

ΡΙFij(t)=f12f12-f22Ρ1ij(t)-f22f12-f22Ρ2ij(t)=ρij-cδtj+cδti+δρΖΤDΜ(θij)+δΡΙF(2)

式(1)和式(2)中,c为真空中的光速,f1和f2为载波的频率,f1=154×10.23 MHz,f2=120×10.23 MHz,L1ij(t),L2ij(t)为t历元两个载波的相位观测值,P1ij(t),P2ij(t)为t历元两个载波的P码伪距观测值,LIFij(t)为组合相位观测值,PIFij(t)是组合伪距观测值。在式(1)和式(2)的组合方程中,消除了电离层对观测值的影响,所以,称为无电离层组合模型[2,3,4,5]。IF是Iono-Free的缩写,意为无电离层。ρijt历元接收机至卫星j的几何距离和与频率无关的偏差项之和,δtiδtj分别为t时刻的接收机钟差和卫星j的钟差;δρZTDt历元接收机的天顶方向的对流层延迟,M(θij)为相应的投影函数,利用它可以将天顶方向的对流层延迟换算为卫星信号传播方向的对流层延迟,λIFNIF分别为无电离层组合观测值的波长及模糊度;∑δLIF和∑δPIF分别为t历元无电离层相位组合观测值和伪距组合观测值中地球固体潮改正,大洋负荷改正和相对论效应改正等其它必须估计的改正量。

在无电离层组合模型中,进一步利用IGS精密星历和精密卫星钟差,消除观测方程中的卫星钟差项。卫星钟差项消除后,无电离层线性组合观测值方程式(1)和式(2)可以改写为误差方程的形式:

VP ij(t) =ρij(t) + cδti(t) + δρZTDM(θij)-PIFij(t) + εP (3)

Vφij(t) =ρij(t) + cδti(t) + δρZTDM(θij)+λIFNIFji(t) - λIF×φIFji(t) + εφ (4)

式中εΦεP为观测噪声、多路径效应等无法模型化的误差。

2 观测方程的线性化

将误差方程式(3)和式(4)线性化后得:

V(t)=AX(t)-L(t)(5)

式(5)中:

X(t)=[xyzδρΖΤDΝij(j=1,n)]

L(t)=ρΙF~(t)-(xi-x0)2+(yi-y0)2+(zi-z0)2+δti(t)+δρΖΤDΜ(θij)(t),A=[f(p)xf(p)yf(p)zf(p)δtif(p)δρΖΤDf(p)Νij(j=1,n)f(φ)xf(φ)yf(φ)zf(φ)δtif(φ)δρΖΤDf(p)Νij(j=1,n)]

其中:

fx=x-XSρ,fy=y-YSρ,fz=z-ΖSρ,fδt=c,fδρΖΤD=Μ(θ),f(p)Νij(j=1,n)=0或1。

式中A为相应设计矩阵,L(t)为相应的观测值与概略理论值之差,X(t)为待估参数,其中(x,y,z)为接收机位置参数,Nij(j=1,n)为各观测卫星的模糊度参数。其它参数的含义同公式(1)和公式(2)。

3 参数估计方法

在周跳修复以后,可以认为精密单点定位中观测数据是逐历元获取的,因此可以采用递推最小二乘平差的方法进行参数估算。

设第t个历元的待估参数初始值为xt0,第t-1个历元的待估参数解算值为xt-1,则:

xt0=xt-1

设协因数阵为Qxt-1,则Qxt-1必须随列元改变而更新,以反映各历元之间的过程噪声QεΔt,并将各历元之间待估参数的协方差信息传递下去。这样,第t个历元的待估参数先验权阵Px0t可表示为:

Ρxt0=Qxt0-1=[Qxt-1+QεΔt]-1

其中:

接收机的运动特性和时钟差以及对流层的不同活动均可引起上式中过程噪声的改变。

在用户位置保持不变时,通常认为接收机钟的噪声Qε(δti)Δt为高斯噪声。对流层天顶延迟噪声Qε(ZPD)Δt与卫星的模糊度参数Qε(Nj(j=1,n)i)Δt在未发生周跳时,均可认为是零,如发生周跳,则需重新解算。静态时Qε(x)Δt=Qε(y)Δt=Qε(z)Δt=0。

l=L-AX0=L-L0

其中L0=AX0为观测值的近似值,则l为观测值与其近似值之差。则

xt=xt0+Jl¯tJ=Qxt0AtΤ(Ρt-1+AtQxt0AtΤ)-1l¯t=lt-Atxt0Qxt=(Ρxt0+AtΤΡtAt)-1

由以上公式可发现,递推最小二乘中,利用第t-1历元的估计值得到t历元的估计值。计算机只需存储t历元的观测值和t-1历元的估计值,无需存储之前所有的观测值,降低了对计算机存储能力和计算能力的要求,提高导航定位的实时性。

4 相位平滑伪距处理

如果仅用P码伪距观测值进行定位计算,其精度约为0.3 m,不满足高精度定位的实际需求。而f1和f2的波长分别约为19 cm和24 cm,载波相位观测值的精度约为波长的1%[6],约0.002 m。所以,可以用载波相位观测值修正P码伪距观测值,以提高系统精度。该过程称之为相位平滑伪距处理。

在无周跳的观测时段内,对n个历元的式(1)和式(2)之差取平均,有:

λΙFΝΙF=1nt=1n(LΙF(t)-ΡΙF(t))

则平滑后的伪距:

ΡΙF(t)=LΙF(t)-λΙFΝΙF

σΦ为相位观测中误差,σP为伪距观测中误差,则伪距观测值中误差经平滑后为:

σΡ=σΦ2+1n(σΡ2+σΦ2)1nσΡ2(5)

从式(5)可知,采用递推最小二乘法进行相位平滑伪距处理时,随观测历元数目的增加,相位观测值中误差将进一步减小,定位精度进一步提高。

5 算法验证

这里将2009年4月19日IGS发布的BJFS站IGS05框架坐标作为真实值[1],观测数据为BJFS站的数据。采用递推最小二乘法进行相位平滑伪距处理后,再进行接收机坐标位置解算,可得N(北)方向、E(东)方向、H(高度)方向偏差随着观测时间的变化,分别如图1、图2、图3所示。

分析图1至图3的结果可知,经递推最小二乘伪距平滑处理后,精密单点定位的误差在北方向,东方向,高度方向上均明显减小,且随时间增加变化更加平缓。

6 结论

由以上结果可以看出,使用精密星历和相位平滑伪距处理后能够提高GPS的定位精度。使用递推最小二乘平差的参数估算方法能够提高GPS的数据处理速度,提高了GPS定位的实时性。

摘要:对传统GPS单点定位、差分GPS定位和GPS精密单点定位进行了比较。建立了GPS精密单点定位无电离层组合的数学模型。建立了递推最小二乘平差进行参数估算的数学模型,并利用该方法进行相位平滑伪距处理。分析了该方法对伪距观测误差的影响。利用bernese软件和据此编制的程序,并利用IGS跟踪站的观测数据进行了接收机三维坐标的解算。将IGS观测值坐标作为真值,解算值和真值之间的偏差作为定位误差。仿真结果表明,经过递推最小二乘伪距平滑处理后,精密单点定位的误差在北方向、东方向、高度方向上都小于0.02 m。

GPS精密单点定位 篇3

利用霍普费尔德(Hopfield)改正模型加上Davis映射函数以及萨斯塔莫宁(Sasstamoinen)改正模型加上大部分区域的NMF映射函数两者之间的精度对比,得出在大部分连续历元中萨斯塔莫宁(Sasstamoinen)改正模型要优于霍普费尔德(Hopfield)改正模型,运用克罗布歇模型(Klobuchar)和无电离层延迟组合两种方法,通过实测数据进行比较,得出无电离层延迟的改正要优于克罗布歇模型(Klobuchar)的改正。

关键词:精密单点定位(PPP);对流层改正;电离层改正

1. 引言

GPS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。

许多学者对精密单点定位技术的理论和方法进行了深入研究,尤其是在卫星钟差估计和误差模型改正方面,取得了大量的科研成果,但对静态精密单点定位能够达到的精度以及一定精度下的收敛时间并没有准确数据。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PPP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。

2. 精密单点定位与传统单点定位对比分析

传统GPS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,又称伪距单点定位。伪距单点定位的数据采集和数据处理简单,定位速度快,用户在任一时刻只需使用一台GPS接收机就能获得测点在WGS-84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3m),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,GPS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GPS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。差分GPS无需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。其不足之处在于:(1)需要在参考站和移动站之间进行同步观测(2)需要在参考站附近工作(3)参考框架间的矛盾。

GPS精密单点定位 篇4

在GPS精密单点定位数据处理中,通常采用基于非差观测值的.处理方法.然而精密单点定位也可通过观测值不同差分组合以减少某些未知参数,且在理论上与非差模型等价.文中介绍基于非差和差分模型的精密单点定位的几种数据处理方法,并对各种模型进行比较.

作 者:郝明 丁希杰 HAO Ming DING Xi-jie 作者单位:郝明,HAO Ming(中国地震局第二监测中心,陕西,西安,710054)

丁希杰,DING Xi-jie(西安科技大学测量工程系,陕西,西安,710054)

GPS精密单点定位 篇5

1 GPS测量技术的主要构成

GPS用户设备是由终端设备、数据的处理软件以及GPS接收机等组成, 其中的终端设备分为计算机等。GPS空间卫星星座主要是由24颗卫星组成, 分别包含在轨备用的3颗卫星以及21颗工作卫星组成。GPS空间卫星星座所包含的所有卫星, 平均的分配在相应轨道的平面内, 并且是6个轨道, llh58min为轨道的运行周期、20200km为轨道内卫星相应的平均高度、轨道所对应平面的倾角为55。GPS地面的监控站, 主要是由5个监测站、3个注入站以及1个主控站所组成的。

2 GPS定位技术的缺点

GPS定位技术在工程测量中的应用算是新兴技术, 是对测量技术的一次创新, 所以在技术层面会更加优越。但是新事物的发展在创新的同时, 也会因为不够成熟而存在诸多的问题, 在实际应用的过程中, 会逐渐的暴露出来。这是因为将理论应用于实践的过程需要不断的完善, 所以对缺点进行分析是为了对GPS定位技术的完善, 推动测量技术的进一步发展, 主要缺点表现在如下几个方面。

2.1由于GPS定位技术在我国的起步较晚, 尤其是在工程测量中的应用技术还不够成熟, 所以在应用规范上海不够统一, 没有标准的管理制度。在市场上出售的导航产品没有统一的标准, 所以电子地图的更新有快有慢, 在实际应用中, 可能会不兼容, 影响到测量工作的开展。所以说为了规范市场秩序, 提高测量技术的水平, 应该制定统一的管理标准, 对产品进行规范性管理, 有利于GPS技术更加完善。

2.2 GPS测量系统的优势就是获取的数据具有较高的精准度, 在此过程中定位是非常关键的步骤, 这就取决于接收机与卫星之间的距离。时间与速度的乘积是距离, 时间是可以确定的, 主要是速度的确定具有一定的困难。速度是通过电磁波的传播来获取的, 而理想状态下的电磁波传输速度是在真空状态, 但是在实际操作中, 需要在大气环境下进行, 而大气环境的复杂性对于电磁波的传输速度造成了很大的影响。在这种情况下, 一般都会采用平均计算的方式, 所以很难避免出现误差。

2.3 GPS定位技术的应用会受到环境的限制, 因为需要通过接收卫星信号来完成操作, 所以在野外或者是建筑物较少的地区, 能够充分的发挥GPS定位技术的优越性。但是如果在古老的建筑物中, 就可能无法接收到信号, 或者即使接收到信号, 也会处于浮动的状态, 极大的影响到测量结果的精度和效率。

2.4 GPS定位技术在测量的过程中, 其控制点的选择和观测电位的具体精度有着直接联系。并且GPS定位技术的测量是在卫星发出信号的过程中, 通过数据的处理才能够形成的电位坐标, 在一定程度上包含高程。存在干扰因素时, 电位坐标在测定阶段一定会存在误差。

2.5 GPS定位技术在进行高程测量的过程中, 一般情况下都能够达到所要求的精度, 可是采用GPS定位技术对市政工程进行测量控制点时, 为确保精确度, 一定要采用常规的仪器对其测量, 要将市政工程建设所提出的要求作为基本点, 保障其高程的精度。

3 GPS定位技术的优点

工程测量在行进的过程中, 可以具体的认识到GPS定位技术在测量中具备较强的优越性, 让这一新兴的卫星定位技术拥有高效益以及高精度。

3.1建筑方格网在测量过程中, 可以选择两种方式, 分别为常规的测量方法以及GPS RTK的测量方式, 这两种方式相比较而言, GPS RTK可以将效率提升一倍, 甚至趋近于两倍, 可以显著降低作业人员的相应劳动强度。虽在参考站中可能会设置许多的流动站作业, 可是其中的流动站是不需要基准站进行指挥的, 由一个人就能够开展作业的流程。

3.2方格网的测量在传统的方法中, 不能够合理的进行。相比之下, GPS技术具备着超强的适应性, 让网形在构造方面更简单, 可以随意的选择边的长短以及点的疏密度, 不论与控制点相差多远, 都可以与之连接, 同时控制网的定向和定位也可以顺利进行。此外, GPS测量技术将外业的施测避开天气的影响, 并且选点方面极为灵活, 让点与位之间不能够通视的困难得以解决。在现实测量的阶段中, 还是要采用水准仪、经纬仪以及全站仪等以往经常用到的, 又投资极少的测量仪器。

3.3大地控制网在一定程度上应该采用GPS测量技术, 其网形在优化过程中较便利, 点位的趋近速度也可以有效的提升。

3.4点位中误差的方式与相对中误差方式是存在差异性的, 对于方格网进行测量精度的指标, 所提倡的方式为点位中误差的方式。

3.5 GPS方格网在一定程度上, 拥有的精度储备相对较大, 并且规范要求也可以完全满足, 具备着均匀的误差分布, 以及精度很高的点位。

结束语

GPS定位技术在工程测量中得到了广泛的应用, 为测量工作创造了新的局面, 是工程测量中一项创新性改革, 具有重要的意义。相对于传统的测量技术而言, 在测量的精准度以及适应性方面具有较强的优势, 有效的提高了工程测量的质量和效率。由于GPS定位技术在工程测量中的应用还比较晚, 所以在技术和管理方面还不够成熟, 缺乏统一的规范, 这需要相关部门以及专业人员不断的改进, 完善管理体系的建立, 加强人才培养, 充分发挥GPS定位技术的优势, 为我国工程测量的发展创造有利的条件。

摘要:随着测量技术的发展, GPS定位技术在精密工程测量中得到了广泛的应用, 并且取代了测距仪和经纬仪的使用, 在技术上更加先进。GPS定位技术利用空间卫星, 在精密测量方面取得了很大的进步, 测量的数据更加精准, 对于工程测量技术的发展有重要的推动作用。针对GPS定位技术在工程测量中的优缺点进行了详细的分析, 对于GPS定位技术的进一步发展具有重要的意义。

关键词:GPS定位技术,精密工程测量,优缺点

参考文献

[1]张国强.GPS定位技术在精密工程测量中的应用研究[J].测绘与空间地理信息, 2006 (4) .

[2]柳光魁, 杜明成, 王进, 李凤斌.GPS定位技术在核电站精密工程水平控制网测量中的应用、研究[J].现代测绘, 2008 (1) .

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