标准单点定位原理与实践

标准单点定位原理与实践

摘要：本文对标准单点定位的理论和算法进行了较为深入的学习和研究，对其中的关键技术进行了多方面的探讨，编制了用双频伪距观测量组合进行标准单点定位的程序，借助自行编制的程序模块进行了一些研究，并对标准单点定位的误差进行了分析，如对流层延迟、多路径效应、卫星钟差、卫星星历误差等，尽量使定位精度达到最高。

关键词：标准单点定位；数据处理；精密星历；钟差

中图分类号： n37 文献标识码： a 文章编号：

gps自投入使用以来，正向着实时、高精度、高可靠性的方向发展。在gps应用中，通常采用相对定位的作业模式， gps技术的不断发展，相对定位作业模式被发现存在一些不足，随着各种研究的不断深入，产生了一种解决这些不足的方法，即gps精密单点定位技术，它可以利用单台接收机在全球范围内进行高精度的独立的静态或者动态定位，利用卫星星历及卫星钟差，以单台双频接收机采集的非差相位和伪距数据作为主要观测值来进行单点定位，可以直接得到分米级甚至厘米级的高精度的itrf框架标。

一、gps标准单点定位的基本原理

伪距单点定位是利用测码伪距观测值以及由广播星历提供的卫星轨道参数和卫星钟改正数来独立确定单测站的绝对位置的定位方法，它具有速度快，数据处理简单等优点，其精度也足以满足部分用户的需要，是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。本文

以伪距单点定位为基础研究了电离层与对流层误差模型。

利用单点定位方法进行动态定位时，由于每个载体位置只能进行一次观测，故精度较低，但可以通过平滑或滤波等方法来消弱噪声，提高定位精度。利用单点定位方法进行静态定位时，由于点位可反复测定，当观测时间较长时可提高定位精度。

二、gps标准单点定位的主要误差源及改正模型

1．电离层延迟

电离层延迟是gps点定位中的一种重要误差源，也是致使差分gps 系统的定位精度随流动站和基准站间距增加而迅速下降的主要原

因之一。地球高层大气的分子和原子在太阳的紫外线，x射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和和正负离子，形成从宏观上说仍然是中性的等离子体区域，称为电离层（刘经南，1999）。由于存在大量的自由电子和正负离子，当卫星信号穿过电离层时，如同其他电磁波一样，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使得测量所得到的距离就会不等于卫星至接收机间的几何距离，这种偏差叫电离层折射误差。

2.对流层延迟

对流层一般泛指非电离大气对电磁波的折射。非电离大气包括对流层和平流层，是高度为50km以下的大气层部分。对流层靠近地表面，容易从地面获得辐射能量，使其温度随高度的上升而降低，当gps或glonass卫星信号通过对流层时，传播的路径会发生弯曲，从而使测量的距离产生偏差，这种偏差叫对流层折射误差。对流层

的折射率在很大程度上受到大气压力、温度和湿度的影响。在大气正常状态下，天顶方向干分量延迟约占整个对流层延迟的90%。湿分量的影响比干分量的影响要小得多，约占整个流层误差的10%。由于对流层折射对gps和glonass信号传播的影响情况比较复杂，一般采用对流层误差改正模型来进行减弱。对流层改正模型通常是对天顶方向的对流层干湿分量分别进行建模，然后使用一个投影函数将其投影到卫星与测站连线的方向上。

3.多路径

在gps或glonass测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号（反射波）进入接收机天线，这将和直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值，这种由于反射信号所引起的观测值误差叫多路径误差。理论上，对测码伪距而言多路径误差最大为近似码长的一半，也就是对gps c/a码的多路径误差最大可达150m，对p(y)码的多路径误差最大可达15m。削弱多路径的方法有很多，大致可分为以下几种：

1) 选择合适的站址。在选择测站时，应远离大面积平静的水面，远离高层建筑物，测站也不宜选择在山坡、山谷和盆地中。灌木丛、草、其它地面植被、翻耕后的土地以及其他粗糙不平的地面能较好的吸收微波信号的能量，是较为理想的设站地址。

2) 选择合适的天线。选择能抑制多路径的高质量的天线。为了减弱多路径误差，天线下应配置抑径板或者选择扼流圈

(choke-ring)天线。

3) 选择合适的接收机。选择能抑制多路径效应影响的接收机，例如选择采用窄相关技术的接收机。

4) 通过估计方法减轻多路径误差。在计算时，过滤掉低高度角卫星的观测数据，因为低高度角的卫星信号更容易产生多路径效应。在利用测码伪距观测值进行定位时，使用长时间的观测数据，对定位结果进行平滑处理，也可以有效的减弱多路径效应的影响。另外通过一些估计方法像半参数法等也可以减弱多路径误差的影响。

4.卫星轨道和钟误差

卫星轨道误差是指卫星星历所表示的卫星轨道和真正的卫星轨

道之间的偏差值。轨道误差主要受到跟踪网的规模、跟踪方法、跟踪站的分布、以及轨道计算的数学模型等因素影响。卫星星历用来提供卫星运动轨道的信息。它可以分为预报星历和后处理星历。预报星历又叫广播星历，它是由地面监控站根据对卫星跟踪测得的轨道外推计算得到的。由于受到诸如跟踪站站址坐标误差，观测误差，计算模型误差，预报误差等各种误差的影响，广播星历也不可避免存在误差。卫星钟的钟差包括由钟差、频偏和频漂等产生的误差，也包含了钟的随机误差。在gps测量中，无论是码相位观测或载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持严格同步。尽管gps卫星上安装有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但与gps系统时间之间还是存在着偏差和漂移。这些偏差的总量在1ms以内，由此引起的等效距离误差约为300km。

5.接收机钟差

gps接收机一般采用高精度的石英钟，其稳定度约为10-9。若接收机与卫星钟间同步差为1μs，其等效距离约为300m。接收机钟差可用下面的方法进行处理：利用单点定位的方式，把每个观测历元接收机钟差当作一个独立的未知参数，估计参数有接收机钟差和测站坐标，在数据处理中一并求解；认为各观测时刻的接收机钟差之间是相关的，将接收机钟差表示为时间多项式，并在观测量的平差计算中求解多项式的系数。同时，也可以作为白噪声处理，白噪声比多项式更为逼真地描写钟差行为；通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差。即在每一个历元，选一颗卫星为参考星，其它卫星与参考星进行卫星间观测值相减作一次差分。

总之，标准单点定位是目前gps界的一个研究热点，本文围绕标准单点定位的数据处理这一中心，对标准单点定位的主要误差源和改正模型进行了一定的研究。计算结果表明，标准单点定位精度为米级，气解算可满足对导航定位精度要求不高的一般用户需要，若对一些其他误差加以考虑，则可以进一步提高定位精度。

参考文献：

[1] 乔仰文,赵长胜,夏春林等.gps卫星定位原理及其在测绘中的应用[m].教育科学出版社,2003.

[2] 张星炜,查勇.gps单点定位误差分析[j].南京师大学报(自然科学版),2006,29(3).

[3] 李征航,黄劲松.gps测量与数据处理[m].武汉大学出版