不同星历误差对静态单点定位精度的影响与分析

第19卷第3期测绘工程

Vol.19l .32010年6月

ENGINEERING OF SU RVEYING AND MA PPING

Jun.,2010

不同星历误差对静态单点定位精度的影响与分析

李勇军,丁士俊

(武汉大学测绘学院,湖北武汉430079)

摘

要:在单点定位中,卫星星历误差对解算结果影响较大。文中介绍普通单点定位及精密单点定位的数学模型,

通过广播星历及精密星历数据的解算,分析星历精度对单点定位的影响。计算结果表明,使用超快星历代替最终精密进行精密单点定位是可行的。

关键词:GPS;卫星星历;单点定位;精度分析中图分类号:P 228.4

文献标志码:A

文章编号:100627949(2010)0320017203

Accuracy analysis of the effect of GPS satellite

ephemeris to static point positioning

LI Yong 2jun,DING Shi 2jun

(School of Geodesy and Geomatics ,Wuhan Univer sity,Wuhan 430079,China)

Abstr act:Ephemeris of GPS satellite is one of the main factors that affects on the accuracy of single point positioning.T his paper intr oduces the mathematical models of common single 2point positioning and pr ecise point positioning.T he accuracy of the point positioning and the precise positioning with the broadcast e 2phemer is and the precise ephemeris ar e analyzed by using actual data.T he results show the feasibility of u 2sing ultra 2precision ephemeris instead of the final ephemeris to achieve the requir ements of precise point position is obtained.

Key words:GPS;ephemer is;point positioning;precision analysis

收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目(6)作者简介李勇军(),男,硕士研究生单点定位,也称为绝对定位,是根据卫星星历以及1台GPS 接收机的观测值来独立确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法。优点是只需1台接收机即可独立定位,外业观测的组织和实施较为方便自由,数据处理也比较简单。但单点定位的结果受卫星的星历误差、卫星的钟差以及卫星信号传播过程中的大气延迟误差的影响较为显著,故在传统中伪距单点定位精度一般较差。近年来出现的精密单点定位技术(Precise Point Position,简称PPP)在卫星定轨、高精度测量和动态高精度导航与定位等领域有很好的应用前景[1]。

本文将采用广播星历进行普通的单点定位,然后再采用超快星历、快速星历以及最终星历进行精密单点定位并分析各种星历误差对定位精度的影响。

1

单点定位理论

1.1

用测距码伪距观测值进行单点定位

传统的GPS 单点定位是利用测距码伪距观测值

以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟改正进行的。伪距观测的观测方程的使用形式如下:

Q

~i =(X i -X )2+(Y i -Y )2+(Z i -Z)2

-cV t R +cV t S i

-(V i on )i -(V tr o p )i .(1)式中:Q

~

i 为第i 颗卫星到测站的距离,(X i

,Y i

,Z i

)为在t 时刻第i 颗卫星的坐标,(X,Y,Z)为测站的坐

标,V t R 为t 时刻接收机的钟差,V t S i 为t 时刻第i 颗卫星的钟差,V i on 为由于电离层所引起的距离延迟,V t ro p 为由于对流层所引起的距离延迟,c 为光在真空中的传播速度。

若测站的近似坐标为(X 0

,Y 0

,Z 0

),将式(1)在(X ,Y ,Z )处用泰勒级数展开后可得线性化的观

:2009208218

:4004001:1984-.

000

测方程如下:

Q~i=Q0i-X i-X0

Q0i

V X-Y

i-Y0

Q0i

V Y-Z

i-Z0

Q0i

V Z-

cV t

R +cV t S

i

-(V i on)i-(V trop)i.(2)

式中:Q0i为测站的近似位置至第i颗卫星间的距离。当卫星星历有误差就会影响Q0i的值。

1.2精密单点定位

精密单点定位指的是利用载波相位观测值以及IGS等组织提供的高精度的卫星星历及钟差,使用单台GPS双频双码接收机的观测数据在全球范围内的任意位置都可以实现实时的或事后的高精度定位的方法[1]。通常采用双频无电离层组合观测值组成的观测方程[225]

l P=Q+c(dt-dT)+M#zp d+E P,(3) l5=Q+c(dt-dT)+amb+M#zpd+E P.

(4)式中:l P为P1和P2的无电离层伪距组合观测值, l5为L1和L2无电离层相位组合观测值,dt为地面GPS接收机钟差,dT为GPS卫星钟差,c为真空中的光速,a mb为无电离层组合相位观测值的模糊度, M为投影函数,z pd为天定方向对流层延迟改正参数,E P和E5分别为两种组合观测值的观测噪声和多路径差,Q为测站(X r,Y r,Z r)和GPS卫星(X S,Y S, Z S)间的几何距离

Q=(X S-X r)2+(Y S-Y r)2+(Z S-Z r)2.

(5)将式(5)线性化后可得到观测误差方程

V=AD X+W.(6)式中:A为设计矩阵,D X为待估参数,包括钟差、无电离层组合模糊度及对流层天顶延迟改正。

由上面的模型可知,精密单点定位是利用高精度的GPS卫星星历和卫星钟差,以及双频载波相位观测值,采用非差模型进行高精度单点定位的方法。因此,高精度的后处理星历以及钟差对提高精密单点的精度有重要的影响。但是为了达到分米级甚至厘米级的定位精度,精密单点定位有如下关键之处[1,7]:在定位过程中需要同时采用相位和伪距观测值;需要有更高精度的卫星星历及钟差信息;整周跳变的探测与修复,粗差观测值的检验与剔除,整周模糊度的确定;准确地施加各种必要的改正,如卫星天线相位中心偏差改正、地球固体潮改正、海潮负荷改正、引力改正等。

2星历误差

GPS卫星星历分为广播星历和精密星历。广播星历是由全球定位系统的地面控制部分所确定提供的,经GPS卫星向全球所有用户公开播发的一种预报星历,精度较低。精密星历是用卫星跟踪站所获得的对GPS卫星的精密观测资料计算的卫星星历。目前,国际GPS服务组织IGS(International GNSS Ser vice)网站上可免费下载精密星历文件。表1为IGS发布的卫星星历产品及其精度。

表1IGS提供GP S卫星星历和卫星钟差产品及其精度

产品名称精度时延更新率数据的时间间隔广播星历

轨道~160cm

卫星钟差~7ns

实时-1d

超快速星历(外推部分)

轨道~10cm

卫星钟差~5ns

实时4次/d15m in

超快速星历(实测部分)

轨道<5cm

卫星钟差~0.5ns

3h4次/d15m in

快速星历

轨道<5cm

卫星钟差0.1ns 17h1次/d

15m in

5min

最终星历

轨道<5cm

卫星钟差<0.1ns ~13d1次/星期

15m in

5min

从表1可以看出,广播星历轨道误差是最大的,但是它没有时延,现在被广泛应用于各个领域中;最终星历虽然轨道精度最高,但是它要3后才能得到,主要是为大地测量和地球动力学研究服务;快速星历以及超快星历精度低于最终星历,获取时间也大大缩短,为精密单点定位的应用带来了广阔的应用前景。随着国际IGS组织提供的实时精密星历的轨道精度及钟差精度的不断提高,精密单点定位将会成为实时定位(RTK)的一种方法[5]。

对于广播星历中卫星位置的确定,采用文献

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