基于精密单点定位的岛礁控制测量研究

洪　泽,王国举

(92493部队 22分队,辽宁 葫芦岛 125000)

基于精密单点定位的岛礁控制测量研究

洪泽,王国举

(92493部队 22分队,辽宁 葫芦岛 125000)

摘要：本文利用静态精密单点定位技术解算海岛礁控制点的位置坐标,并利用高精度长基线解算软件GAMIT/GLOBK的结果作对比,结果显示其精度可达到厘米级别。在数据解算过程中分析影响误差的主要来源,并重点讨论了多路径效应对精度的影响,提出相关的处理手段,最终达到提高精度的目的。

关键词：精密单点定位;岛礁测量;GrafNav;TEQC;GAMIT

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.012

中图分类号：P228.4

文献标志码：码： A

文章编号：号： 1008-9268(2015)03-0051-04

收稿日期：2015-02-10

作者简介

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

近年来,海道测量中特别是海岛礁的控制点测量由于地理条件限制,在利用GPS定位时,若用静态相对定位需要长基线解算,但是随着基线的加长,定位的精度也随之降低。虽然可以利用国外高精度长基线解算软件进行解算,如MIT研发的GAMIT软件与瑞士伯尔尼大学天文研究所研发的Bernese软件,但是这两款软件在解算时需要大量的人工干预,较难掌握,不便于实际操作。而利用非差相位精密单点定位(PPP)恰好可以解决这一困境,非差相位精密单点定位不受基线长度的限制,利用独立观测站的数据就可以得到较好精度的解算结果。文中使用加拿大Waypoint公司开发的GPS/GLONASS事后处理软件包GrafNav/GrafNet对海岛礁控制点坐标进行精密单点定位解算分析。正常情况下,精密单点定位精度在水平方向和高程方向均可达到厘米级[1],由于在岛礁上进行观测会受到海水面、礁石等光面反射的多路径效应,将直接影响解算精度,本文着重对此进行相关探究。

1精密单点定位原理及软件实现

1.1　精密单点定位原理

精密单点定位是利用全球若干地面跟踪站的GPS观测数据计算出的精密卫星轨道和钟差,对单台双频GPS接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算,获得高精度的待定点的坐标的一种定位方法称为精密单点定位(PPP)。

其码伪距方程[2]为

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

(1)

式中: i、j分别表示测站、卫星号; xi、yi、zi是根据卫星星历所得的卫星在空间的位置; x、y、z为接收机观测瞬间在空间的位置; δti、δtj分别表示接收机钟差、卫星钟差; δφtrop、δφiono表示对流层、电离层延迟; δφrel为相对论效应; δφtidy为潮汐影响; εp为伪距的观测噪声。

载波相位伪距方程为

cδti-cδtj+δφtrop+δφiono+δφrel+

δφtidy+λN+εL,

(2)

式中: λ为载波波长; N为整周模糊度; εL为载波相位的观测噪声;其它符号意义与码伪距测量公式中相同。

利用码伪距和载波相位观测量,由事后精密星历和精密钟差提供卫星位置和钟差,利用精密单点定位观测模型[3]。组成观测方程,用合适的参数估计方法[4]即可得到所求参数(包括接收机位置、钟差及一些模型参数)的最优估值。其具体解算过程可查看有关文献[5]～[7]。

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联系人： 洪 泽 E-mail: 705369516@qq.com

1.2　精密单点定位的软件实现

GrafNav/GrafNet是加拿大Waypoint公司开发的GPS/GLONASS事后处理软件包,该软件包功能强大,可以较好地处理GPS单频、双频和GLONASS系统的测量数据,它采用了先进的算法,解算的速度和定位的精度都得到了很大的提高。它可以处理大多数单频和双频GPS接收机的测量数据,同时也可以处理GPS/GLONASS双系统接收机的数据,其精密单点定位处理流程如图1所示。该软件有良好的图形界面,用户可以非常方便地选择组合方式进行数据处理,并且很快速地得到厘米级的定位精度。

图1　GrafNav软件PPP解算处理流程图[8]

2精密单点定位实例及精度分析

本文使用东海某一岛礁的实测数据。该数据于三面环海的岛礁上利用双频NovAtel接收机测得,GPS采样率为1 s,观测时间为24 h.控制点大致位置如图2所示.

图2　控制点概略位置

2.1　GAMIT软件解算结果

本实验利用高精度长基线相对定位软件GAMIT/GLOBK解算结果作为该点位置坐标的标准,检核精密单点定位方法解算精度。由于GAMIT基线解的精度和可靠性是公认的,有相对完善的周跳处理模块,在长基线相对定位上精度达到厘米甚至亚厘米级[9]。本文实验中采用IGS的6个站点,分别为SHAO、WUHN、CHAN、XIAN、BJFS、SUWN作为已知坐标的框架基站来解算此岛礁观测站控制点坐标。所得精度在X方向中误差为6.6 mm,Y方向为9 mm,Z方向7.3 mm,满足作为对照检核的标准(本文所用坐标系均为ITRF05框架下的直角坐标系)。

2.2　GrafNav软件解算

利用GrafNav软件对此控制点数据进行精密单点定位解算,解算结果每个观测历元都给出了一个坐标,而最后一个历元的坐标就是该点静态解算的最优坐标。如图3所示,最密集的区域为解算质量好的结果,其它零散的点是质量差的。该控制点的解算坐标在不同时刻之间的偏移量很大,部分点甚至与该点的概略位置相距甚远,这说明原始观测数据的质量不是很好。

图3　PPP解算后点坐标分布图

图4示出了此次解算的误差分布图的一部分,如图所示,有些时段点位误差跳跃幅度很大,然后又重新收敛,这样的波动肯定会影响最终的精度。结果显示,与GAMIT/GLOBK解算后的位置坐标比较在X方向上差距为18 mm,Y方向63 mm,Z方向12 mm.误差虽不大,但根据以上两幅图都说明原始观测数据质量不好,需要对其进行误差分析,进一步提高精密单点定位的解算精度。

图4　各历元在x、y、z方向上的误差分布

2.3　原观测数据的检验

先对原始的观测数据进行质量检验,所用软件为TEQC软件。该软件是功能强大且简单易用的GPS/GLONASS数据预处理软件,由UNAVCO Facility研制的为地学研究GPS监测站数据管理服务的公开免费软件,主要功能有格式转换、编辑和质量检核等。

利用TEQC对原始观测文件进行检验后发现数据有效率为83%,说明该观测数据质量比较差。在TEQC生成结果文件中MP2值(L2载波的多路径效应值)为0.46>0.4,说明在接收L2载波时存在较多的多路径效应,影响了数据最终解算结果。利用TEQC中的QCVIEW32模块功能可查看MP2文件中每个卫星L2载波受多路径的影响情况。经分析可发现卫星PRN7、PRN18、PRN21、PRN22、PRN28的误差比较大,有的甚至达到了几十米之多,可断定这这几颗卫星在使用时受多路径效应影响很大。查看卫星几何分布和各种精度因子时发现,在一些时段中,各种精度因子值都偏大。所以可以推论,此次影响解算精度的主要原因与多路径效应影响或卫星的几何分布有关。

3提高岛礁精密单点定位精度的方法

为了提高本实验的解算精度,根据上文分析,可以从以下几个方面来进行。

3.1　删星

查看MP2文件的图形表示可知,PRN7、PRN18 、PRN21、PRN 22 、PRN28产生的多路径误差较大,故考虑将其删除,但是删除过多卫星数会影响卫星的几何分布,反而降低精度,所以选择误差最大的PRN18、PRN21、PRN22.利用TEQC将这几颗星删除后,把重新生成的观测文件和导航文件再利用TEQC进行质量检测,发现数据有效率为84%,有所提高;MP2值为0.24<0.4,有所降低,并且满足精度要求。

把删星后的观测文件利用GrafNav进行PPP解算,解算后的各历元的误差分布情况有所改善,但是还是有较大的粗差出现,解算过程不能正常收敛,甚至还有个别时段没有数据参与解算。但是,最终的解算结果与原始数据的相比,没有发生变化。说明GrafNav软件有较好的误差处理模块,对接收不同卫星数据所产生的多路径效应处理很好,无需手工删除。

3.2　提高接收观测角

将原来的观测角由7.5°,提高到15°.经解算,PDOP、HDOP、VDOP的值没有什么变化,依然有个别时间超限。而且最终解算精度也没有提高,反而在查看各时段的观测卫星数时发现,个别时段的观测卫星数小于4个,不构成解算条件。故提高接收观测角也不能起到提高精度作用。

3.3　删时段

当在查看由GrafNav解算软件解算删星后的数据时发现,在个别时段仍有较大的误差,且通过其它途径无法消除。故考虑删除有误差较大的时段,保留数据较纯净的时段。经分析可以得出,时间在7:32:00—16:40:00内数据较为纯净。

利用TEQC将去星后的观测文件提取出这段时间的数据,生成新的观测文件和导航文件。再利用TEQC检测新生成的文件,发现有效数据为86%,较之前又有所提高。MP2值为0.2,也有所提高,说明L2载波多路径效应也有所减弱。利用GrafNav对其进行重新解算,可以发现精度同样有所提高。与GAMIT解算结果比较,X方向差距2 mm,Y方向差距20 mm,Z方向差距5 mm.误差分布图也趋于正常,如图5所示。

图5　删星去时后的误差分布

4结束语

在海岛礁控制测量中,利用单台双频GPS接收机进行单天不间断观测,通过采用两种不同方法(精密单点定位方法和长基线相对定位方法)对其进行的计算表明,解算出的位置坐标非常接近,在原始数据解算情况下两结果差距在厘米级。其中由于海岛礁地理原因,三面环海,会对观测数据产生一定的多路径效应影响。但经本文实验得出,多路径效应对最终精度的影响不大。原观测数据在不进行处理的情况下,利用GrafNav软件对其进行精密单点定位解算,最终精度也能达到厘米级别。若想提高精度,可利用TEQC与GrafNav对原数据进行分析,并删除观测条件不好的时段即可,最终精度甚至可以达到毫米级别。

参考文献

[1] 杜向锋,蒋利龙,李霞.GPS静态精密单点定位精度实验分析[J] 全球定位系统, 2008，33(1):35-38.

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

[3]叶世榕.GPS非差相位精密度单点定位理论与实现[D].武汉:武汉大学,2002.

[4]李征航,张小红.卫星导航定位新技术及高精度数据处理方法[M] 武汉:武汉大学出版社,2009

[5]阮仁桂.GPS双频精密单点定位研究[D].郑州:信息工程大学,2009: 62-8.

[6]陈义.利用精密星历进行单点定位的数学模型和初步分析[J].测绘学报,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]鄂栋臣,詹必伟,姜卫平,等.应用GAMIT/GLOBK软件进行高精度GPS数据处理[J].极地研究,2005,17(3):173-182.

洪泽(1976-),男,江苏苏州人,主要研究方向为海道测量与GPS海上定位。

王国举(1987-),男,辽宁营口人,主要研究方向为大地测量与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