洪　澤,王國(guó)舉

(92493部隊(duì) 22分隊(duì),遼寧 葫蘆島 125000)

基于精密單點(diǎn)定位的島礁控制測(cè)量研究

洪澤,王國(guó)舉

(92493部隊(duì) 22分隊(duì),遼寧 葫蘆島 125000)

摘要：本文利用靜態(tài)精密單點(diǎn)定位技術(shù)解算海島礁控制點(diǎn)的位置坐標(biāo),并利用高精度長(zhǎng)基線解算軟件GAMIT/GLOBK的結(jié)果作對(duì)比,結(jié)果顯示其精度可達(dá)到厘米級(jí)別。在數(shù)據(jù)解算過程中分析影響誤差的主要來(lái)源,并重點(diǎn)討論了多路徑效應(yīng)對(duì)精度的影響,提出相關(guān)的處理手段,最終達(dá)到提高精度的目的。

關(guān)鍵詞：精密單點(diǎn)定位;島礁測(cè)量;GrafNav;TEQC;GAMIT

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.012

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼： A

文章編號(hào)：號(hào)： 1008-9268(2015)03-0051-04

收稿日期：2015-02-10

作者簡(jiǎn)介

Abstract:This article uses static precise point positioning technology to compute coordinate of the control point in seacoast,and compares the results with GAMIT/GLOBK which is a high-precision long baseline computing software.The result displays that its precision can reach centimeter level.The article analyzes the source of main error during solving data,especially discusses with multipath effect which affects the precision seriously,and finds some relational process measures to improve the precision finally.

0引言

近年來(lái),海道測(cè)量中特別是海島礁的控制點(diǎn)測(cè)量由于地理?xiàng)l件限制,在利用GPS定位時(shí),若用靜態(tài)相對(duì)定位需要長(zhǎng)基線解算,但是隨著基線的加長(zhǎng),定位的精度也隨之降低。雖然可以利用國(guó)外高精度長(zhǎng)基線解算軟件進(jìn)行解算,如MIT研發(fā)的GAMIT軟件與瑞士伯爾尼大學(xué)天文研究所研發(fā)的Bernese軟件,但是這兩款軟件在解算時(shí)需要大量的人工干預(yù),較難掌握,不便于實(shí)際操作。而利用非差相位精密單點(diǎn)定位(PPP)恰好可以解決這一困境,非差相位精密單點(diǎn)定位不受基線長(zhǎng)度的限制,利用獨(dú)立觀測(cè)站的數(shù)據(jù)就可以得到較好精度的解算結(jié)果。文中使用加拿大Waypoint公司開發(fā)的GPS/GLONASS事后處理軟件包GrafNav/GrafNet對(duì)海島礁控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算分析。正常情況下,精密單點(diǎn)定位精度在水平方向和高程方向均可達(dá)到厘米級(jí)[1],由于在島礁上進(jìn)行觀測(cè)會(huì)受到海水面、礁石等光面反射的多路徑效應(yīng),將直接影響解算精度,本文著重對(duì)此進(jìn)行相關(guān)探究。

1精密單點(diǎn)定位原理及軟件實(shí)現(xiàn)

1.1　精密單點(diǎn)定位原理

精密單點(diǎn)定位是利用全球若干地面跟蹤站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的精密衛(wèi)星軌道和鐘差,對(duì)單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)所采集的相位和偽距觀測(cè)值進(jìn)行定位解算,獲得高精度的待定點(diǎn)的坐標(biāo)的一種定位方法稱為精密單點(diǎn)定位(PPP)。

其碼偽距方程[2]為

cδti-cδtj+δφtrop+δφiono+δφrel+δφtidy+εp,

(1)

式中: i、j分別表示測(cè)站、衛(wèi)星號(hào); xi、yi、zi是根據(jù)衛(wèi)星星歷所得的衛(wèi)星在空間的位置; x、y、z為接收機(jī)觀測(cè)瞬間在空間的位置; δti、δtj分別表示接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差; δφtrop、δφiono表示對(duì)流層、電離層延遲; δφrel為相對(duì)論效應(yīng); δφtidy為潮汐影響; εp為偽距的觀測(cè)噪聲。

載波相位偽距方程為

cδti-cδtj+δφtrop+δφiono+δφrel+

δφtidy+λN+εL,

(2)

式中: λ為載波波長(zhǎng); N為整周模糊度; εL為載波相位的觀測(cè)噪聲;其它符號(hào)意義與碼偽距測(cè)量公式中相同。

利用碼偽距和載波相位觀測(cè)量,由事后精密星歷和精密鐘差提供衛(wèi)星位置和鐘差,利用精密單點(diǎn)定位觀測(cè)模型[3]。組成觀測(cè)方程,用合適的參數(shù)估計(jì)方法[4]即可得到所求參數(shù)(包括接收機(jī)位置、鐘差及一些模型參數(shù))的最優(yōu)估值。其具體解算過程可查看有關(guān)文獻(xiàn)[5]～[7]。

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聯(lián)系人： 洪 澤 E-mail: 705369516@qq.com

1.2　精密單點(diǎn)定位的軟件實(shí)現(xiàn)

GrafNav/GrafNet是加拿大Waypoint公司開發(fā)的GPS/GLONASS事后處理軟件包,該軟件包功能強(qiáng)大,可以較好地處理GPS單頻、雙頻和GLONASS系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù),它采用了先進(jìn)的算法,解算的速度和定位的精度都得到了很大的提高。它可以處理大多數(shù)單頻和雙頻GPS接收機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù),同時(shí)也可以處理GPS/GLONASS雙系統(tǒng)接收機(jī)的數(shù)據(jù),其精密單點(diǎn)定位處理流程如圖1所示。該軟件有良好的圖形界面,用戶可以非常方便地選擇組合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并且很快速地得到厘米級(jí)的定位精度。

圖1　GrafNav軟件PPP解算處理流程圖[8]

2精密單點(diǎn)定位實(shí)例及精度分析

本文使用東海某一島礁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)于三面環(huán)海的島礁上利用雙頻NovAtel接收機(jī)測(cè)得,GPS采樣率為1 s,觀測(cè)時(shí)間為24 h.控制點(diǎn)大致位置如圖2所示.

圖2　控制點(diǎn)概略位置

2.1　GAMIT軟件解算結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)利用高精度長(zhǎng)基線相對(duì)定位軟件GAMIT/GLOBK解算結(jié)果作為該點(diǎn)位置坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn),檢核精密單點(diǎn)定位方法解算精度。由于GAMIT基線解的精度和可靠性是公認(rèn)的,有相對(duì)完善的周跳處理模塊,在長(zhǎng)基線相對(duì)定位上精度達(dá)到厘米甚至亞厘米級(jí)[9]。本文實(shí)驗(yàn)中采用IGS的6個(gè)站點(diǎn),分別為SHAO、WUHN、CHAN、XIAN、BJFS、SUWN作為已知坐標(biāo)的框架基站來(lái)解算此島礁觀測(cè)站控制點(diǎn)坐標(biāo)。所得精度在X方向中誤差為6.6 mm,Y方向?yàn)? mm,Z方向7.3 mm,滿足作為對(duì)照檢核的標(biāo)準(zhǔn)(本文所用坐標(biāo)系均為ITRF05框架下的直角坐標(biāo)系)。

2.2　GrafNav軟件解算

利用GrafNav軟件對(duì)此控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算,解算結(jié)果每個(gè)觀測(cè)歷元都給出了一個(gè)坐標(biāo),而最后一個(gè)歷元的坐標(biāo)就是該點(diǎn)靜態(tài)解算的最優(yōu)坐標(biāo)。如圖3所示,最密集的區(qū)域?yàn)榻馑阗|(zhì)量好的結(jié)果,其它零散的點(diǎn)是質(zhì)量差的。該控制點(diǎn)的解算坐標(biāo)在不同時(shí)刻之間的偏移量很大,部分點(diǎn)甚至與該點(diǎn)的概略位置相距甚遠(yuǎn),這說(shuō)明原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量不是很好。

圖3　PPP解算后點(diǎn)坐標(biāo)分布圖

圖4示出了此次解算的誤差分布圖的一部分,如圖所示,有些時(shí)段點(diǎn)位誤差跳躍幅度很大,然后又重新收斂,這樣的波動(dòng)肯定會(huì)影響最終的精度。結(jié)果顯示,與GAMIT/GLOBK解算后的位置坐標(biāo)比較在X方向上差距為18 mm,Y方向63 mm,Z方向12 mm.誤差雖不大,但根據(jù)以上兩幅圖都說(shuō)明原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不好,需要對(duì)其進(jìn)行誤差分析,進(jìn)一步提高精密單點(diǎn)定位的解算精度。

圖4　各歷元在x、y、z方向上的誤差分布

2.3　原觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)

先對(duì)原始的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn),所用軟件為TEQC軟件。該軟件是功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的GPS/GLONASS數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件,由UNAVCO Facility研制的為地學(xué)研究GPS監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開免費(fèi)軟件,主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核等。

利用TEQC對(duì)原始觀測(cè)文件進(jìn)行檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效率為83%,說(shuō)明該觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量比較差。在TEQC生成結(jié)果文件中MP2值(L2載波的多路徑效應(yīng)值)為0.46>0.4,說(shuō)明在接收L2載波時(shí)存在較多的多路徑效應(yīng),影響了數(shù)據(jù)最終解算結(jié)果。利用TEQC中的QCVIEW32模塊功能可查看MP2文件中每個(gè)衛(wèi)星L2載波受多路徑的影響情況。經(jīng)分析可發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星PRN7、PRN18、PRN21、PRN22、PRN28的誤差比較大,有的甚至達(dá)到了幾十米之多,可斷定這這幾顆衛(wèi)星在使用時(shí)受多路徑效應(yīng)影響很大。查看衛(wèi)星幾何分布和各種精度因子時(shí)發(fā)現(xiàn),在一些時(shí)段中,各種精度因子值都偏大。所以可以推論,此次影響解算精度的主要原因與多路徑效應(yīng)影響或衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)。

3提高島礁精密單點(diǎn)定位精度的方法

為了提高本實(shí)驗(yàn)的解算精度,根據(jù)上文分析,可以從以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。

3.1　刪星

查看MP2文件的圖形表示可知,PRN7、PRN18 、PRN21、PRN 22 、PRN28產(chǎn)生的多路徑誤差較大,故考慮將其刪除,但是刪除過多衛(wèi)星數(shù)會(huì)影響衛(wèi)星的幾何分布,反而降低精度,所以選擇誤差最大的PRN18、PRN21、PRN22.利用TEQC將這幾顆星刪除后,把重新生成的觀測(cè)文件和導(dǎo)航文件再利用TEQC進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè),發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效率為84%,有所提高;MP2值為0.24<0.4,有所降低,并且滿足精度要求。

把刪星后的觀測(cè)文件利用GrafNav進(jìn)行PPP解算,解算后的各歷元的誤差分布情況有所改善,但是還是有較大的粗差出現(xiàn),解算過程不能正常收斂,甚至還有個(gè)別時(shí)段沒有數(shù)據(jù)參與解算。但是,最終的解算結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的相比,沒有發(fā)生變化。說(shuō)明GrafNav軟件有較好的誤差處理模塊,對(duì)接收不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)處理很好,無(wú)需手工刪除。

3.2　提高接收觀測(cè)角

將原來(lái)的觀測(cè)角由7.5°,提高到15°.經(jīng)解算,PDOP、HDOP、VDOP的值沒有什么變化,依然有個(gè)別時(shí)間超限。而且最終解算精度也沒有提高,反而在查看各時(shí)段的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn),個(gè)別時(shí)段的觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)小于4個(gè),不構(gòu)成解算條件。故提高接收觀測(cè)角也不能起到提高精度作用。

3.3　刪時(shí)段

當(dāng)在查看由GrafNav解算軟件解算刪星后的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn),在個(gè)別時(shí)段仍有較大的誤差,且通過其它途徑無(wú)法消除。故考慮刪除有誤差較大的時(shí)段,保留數(shù)據(jù)較純凈的時(shí)段。經(jīng)分析可以得出,時(shí)間在7:32:00—16:40:00內(nèi)數(shù)據(jù)較為純凈。

利用TEQC將去星后的觀測(cè)文件提取出這段時(shí)間的數(shù)據(jù),生成新的觀測(cè)文件和導(dǎo)航文件。再利用TEQC檢測(cè)新生成的文件,發(fā)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)為86%,較之前又有所提高。MP2值為0.2,也有所提高,說(shuō)明L2載波多路徑效應(yīng)也有所減弱。利用GrafNav對(duì)其進(jìn)行重新解算,可以發(fā)現(xiàn)精度同樣有所提高。與GAMIT解算結(jié)果比較,X方向差距2 mm,Y方向差距20 mm,Z方向差距5 mm.誤差分布圖也趨于正常,如圖5所示。

圖5　刪星去時(shí)后的誤差分布

4結(jié)束語(yǔ)

在海島礁控制測(cè)量中,利用單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行單天不間斷觀測(cè),通過采用兩種不同方法(精密單點(diǎn)定位方法和長(zhǎng)基線相對(duì)定位方法)對(duì)其進(jìn)行的計(jì)算表明,解算出的位置坐標(biāo)非常接近,在原始數(shù)據(jù)解算情況下兩結(jié)果差距在厘米級(jí)。其中由于海島礁地理原因,三面環(huán)海,會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的多路徑效應(yīng)影響。但經(jīng)本文實(shí)驗(yàn)得出,多路徑效應(yīng)對(duì)最終精度的影響不大。原觀測(cè)數(shù)據(jù)在不進(jìn)行處理的情況下,利用GrafNav軟件對(duì)其進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算,最終精度也能達(dá)到厘米級(jí)別。若想提高精度,可利用TEQC與GrafNav對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并刪除觀測(cè)條件不好的時(shí)段即可,最終精度甚至可以達(dá)到毫米級(jí)別。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜向鋒,蔣利龍,李霞.GPS靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度實(shí)驗(yàn)分析[J] 全球定位系統(tǒng), 2008，33(1):35-38.

[2] KAPLAN E D.Understanding GPS rinciples and applications[M].London: Artech House Inc,2006.

[3]葉世榕.GPS非差相位精密度單點(diǎn)定位理論與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢大學(xué),2002.

[4]李征航,張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M] 武漢:武漢大學(xué)出版社,2009

[5]阮仁桂.GPS雙頻精密單點(diǎn)定位研究[D].鄭州:信息工程大學(xué),2009: 62-8.

[6]陳義.利用精密星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位的數(shù)學(xué)模型和初步分析[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2002,31(S0):31-33.

[7]HEROUX P,KOUBA J.GPS precise point positioning using IGS orbit products[J].Phys Chem Earth,2001,26(6-8):378-573.

[8]NovAtel.GrafNav Reference Manual[R].2009.

[9]鄂棟臣,詹必偉,姜衛(wèi)平,等.應(yīng)用GAMIT/GLOBK軟件進(jìn)行高精度GPS數(shù)據(jù)處理[J].極地研究,2005,17(3):173-182.

洪澤(1976-),男,江蘇蘇州人,主要研究方向?yàn)楹５罍y(cè)量與GPS海上定位。

王國(guó)舉(1987-),男,遼寧營(yíng)口人,主要研究方向?yàn)榇蟮販y(cè)量與GPS定位。

Reseach in Seacoast Control Survey Base on

Precise Point Positioning

HONG Ze,WANG Guoju

(22Unit,92493Army,Huludao125000,China)

Key words: Precise Point Positioning (PPP); seacoast control survey; GrafNav; TEQC; GAMIT