GPS精密单点定位软件实现及精度分析

文章编号:100723817(2007)0320041203

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中图分类号:P228.4 文献标志码:B

GPS精密单点定位软件实现及精度分析

邹 璇

(武汉大学卫星导航定位技术研究中心,武汉市珞喻路129号,430079)

摘 要 介绍了应用VisualC++实现GPS单点定位软件,提出了一种较优的依高度角定权公式,分析了利用本软件基于相位平滑伪距的方法所能达到的单点定位精度指标。关键词 全球定位系统;周跳;精密单点定位;相位平滑伪距 较GPS相对定位而言,单点定位模式具有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用一台GPS接收机就能获得测站在WGS284坐标系中的三维坐标等优点。在实施SA技术的情况下,传统的GPS伪距单点定位,平面位置只能够达到?100m(95%的置信度)的精度,在2000年5月2日中止SA技术之后,平面位置精度提高到了?12m(95%的置信度)[1]。采用了现今公认最优的一些误差改正模型,利用VisiualC+

+

息,在参照葛茂荣老师重新编写的TurboEdit非差数据预处理模块的基础上,对算法进行了部分改进,实现了对存在周跳及粗差数据的探测与修复。在数据预处理后,可以生成一个新的rinex标准格式观测文件,文件中标注了各历元每颗卫星的状态信息,即相对于测站处的卫星高度角是否大于指定域值,该卫星的数据是否可靠,该历元的相位观测值是否需要增加一个新的模糊度参数等信息。从而为进行载波相位平滑伪距单点定位时,选取参与平滑伪距观测值的载波相位数据其历元段提供了依据。

2)精密单点定位模块。包括误差模型改正、伪距单点定位和相位平滑伪距单点定位。

误差模型改正。因为是用GPS非差观测值进行处理,无法如普通的相对定位模式那样通过组成差分观测值来消除各种误差项的影响,所以需要考虑GPS定位中的各项误差改正。在软件研制过程中,考虑了对流层折射、相对论效应、地球旋转改正、卫星及接收机天线相位中心改正、地球固体潮、大洋潮改正及接收机dcb(differentialcodebias)改正等误差项的影响。首先考虑通过双频观测数据的组合消除电离层延迟一阶项的影响,若是单频接收机,则采用Klobuchar模型对观测数据进行电离层模型改正。关于GPS精密单点定位中各项误差改正模型的建立方法参见文献[3,4]。

伪距单点定位。软件Survey可以读取精密星历及广播星历两种类型的GPS星历文件,允许通过加载30s或5min间隔的精密钟差文件,来更新精密星历或者广播星历中所提供的各历元卫星钟差信息。通过伪距单点定位,可以得到一组测站于各观测历元时刻的地心空间直角坐标,并解算得到各历元每颗卫星相对于测站处的高度角,从而为数据预处理做准备。

相位平滑伪距单点定位。其建立方法与伪距单点定位

6.0的编程平台,完成了

集数据预处理、广播星历、精密星历伪距单点定位、相位平滑伪距单点定位等功能于一身的软件系统)))Survey,并对IGS跟踪站及葫芦岛CORS系统检测的一段海上动态数据进行了解算,从内符合精度和外符合精度两个层面,给出了相位平滑伪距单点定位的结果和精度指标。

1 精密单点定位及软件实现

利用由IGS提供或自己计算的GPS精密星历和精密钟差,用户采用单台GPS双频双码接收机的观测数据,在数千平方公里乃至全球范围内的任意位置,都可以实现实时或事后的高精度定位,被称为精密单点定位PPP(PrecisePointPositioning)[2]。

1)数据预处理模块。在非差定位中,数据预处理质量的好坏直接决定了定位精度的高低。由于其关键是准确可靠地探测相位观测值中出现的周跳,所以周跳的探测与修复是利用GPS相位观测资料进行数据处理的重要内容。目前,周跳探测和修复的常用方法有:差分法、宽带和伪距组合法、电离层组合法、多项式拟合法、线性拟合法、动态模型法、星间差分或站间差分法、GAMIT中的AUTCLN所体现的方法、GIPSY中Blewitt的TurboEdit所体现的方法等。由于基于非差观测值的Blewitt方法可以保留更多的观测信

SOMEMETHODSFORNONLINEARKALMANFILTERINGPSNAVIGATION

HAOWeifeng CHENZhengyang TIANXiaozhen

(SchoolofInfo2physicsandGeomaticsEngineering,CentralSouthUniversity,256SouthLushanRoad,Changsha410083,China)

ABSTRACT ThreemethodsareintroducedaboutnonlinearKalmanfilter,includingextend

Kalmanfilter,unscentedKalmanfilterandtwo2stagefilterbasedonBancroftalgorithm.Inaddi2tion,theiradvantagesanddisadvantagesareanalyzedbyusingsurveyingdata.

KEYWORDS navigation;nonlinearsystems;Kalmanfilter;analysesofsomemethods

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心空间直角坐标在各方向的误差进行了比较,解算结果各方向的误差如图2所示。

时类似,只是存在一个根据参与平滑伪距的相位观测历元数定权的问题。在构造法方程时,应根据载波相位平滑伪距所采用的相位观测值历元数n及卫星的高度角E,确定权矩阵P。为此进行了大量试验,通过采用多种根据高度角定权方案的试算分析,认为依照sin2(E)的原则定权时,更能真实反映出GPS观测信号精度随卫星高度角的实际变化状况,其单点定位结果的精度最优。因此,在利用各历元每颗卫星相位平滑伪距后的观测值构造法方程时,其定权原则为:

P=nsin2(E)

3)数据处理流程。在数据处理时,用户可以选择观测类型为静态观测数据或动态观测数据两种测量模式,其误差图2 解算结果各方向的误差

从图2中可以看出,在利用单点定位软件Survey进行双频载波相位平滑伪距单点定位时,其外符合精度在绝大多数情况下可以保持在半米以内,各方向的均方根误差,X方改正手段及测量精度指标的统计方式存在些许不同。在实际应用过程中,考虑到可能并不需要每次都预处理或者单点定位解算观测文件中全部历元段的测量结果,因此,在软件Survey的界面下方,设置了一个对参与处理历元段的选取对话框。在调入观测文件后,系统首先默认对全部观测历元的数据进行处理,并在对话框中显示了观测历元总数,用户可以根据需要设定进行处理的历元段。当用户需要处理某一段观测数据时,首先应下载对应的精密星历及精密钟差文件,然后依次进行伪距单点定位、数据预处理、相位平滑伪距单点定位,最后得到最终的单点定位结果。

系统操作界面如图1所示。系统操作界面的右半部分

图1 系统操作界面

是一些用于精度统计的辅助功能,在此不予以详细介绍。

2 精密单点定位实例及精度分析

由于动态观测数据相对于静态数据要难以获取,并且一般无法获得动态数据各历元的真实坐标值,目前只能通过已经得到测量界普遍认可的相对定位手段得到。在评判非差单点定位精度时,也引入了一部分因为双差相对定位测量误差所造成的影响。为了客观评价利用本文作者开发的软件Survey所能达到的相位平滑伪距单点定位精度,下载了数天的IGS跟踪站静态观测数据,并用其模拟动态数据进行了非差相位平滑伪距单点定位,根据已知的IGS跟踪站WGS284地心空间直角坐标,分析了其单点定位外符合精度。并又选取了葫芦岛CORS系统检测的一段海上动态数据进行解算,从内符合精度和外符合精度两方面,比较了Survey的解算结果与利用现有相对定位手段的动态解算结果,进一步验证了进行相位平滑伪距单点定位的精度及可靠性。

1)IGS跟踪站静态数据模拟动态数据相位平滑伪距单点定位精度分析。仅以bjfs站2006年237天(8月25日)的观测数据为例,采用JPL提供的精密星历及30s间隔精密钟差,利用单点定位软件Survey进行了相位平滑伪距单点定位,以其各历元的定位结果与ITRF2000提供的bjfs站地

向为0.346m,Y方向为0.420m,Z方向为0.419m。在观测历元段中间的一部分数据测量精度较差。在进一步分析后,发现这主要是由在该段观测时间内,测站处可视的有效卫星数过少(仅为5颗),而且卫星的几何分布不佳(较大的PDOP值)所造成的。

2)实测动态数据相位平滑伪距单点定位精度分析。利用现有的相对定位软件进行事后精密动态定位,其精度可以达到亚分米级。考虑到目前采用这套软件进行载波相位平滑伪距单点定位其精度只能达到亚米级,因此首先采用了由武汉大学测绘学院自主开发的GPS高精度动态定位软件KinPos进行解算,并将其相对定位的解算结果作为真值。本次测试采用了葫芦岛CORS系统检测的一段近100min的海上动态数据,该数据是由3台GPS双频接收机按照1s间隔的采样率测量得到的,在数据采集时,将此三台GPS接收机分别置于船头、船左和船右。为保证卫星几何图形较好以及必要的多余观测数据,软件默认设置为必须满足可视的有效卫星数大于5颗这一条件时,该历元的数据才予以解算,因此存在部分历元的数据没有被本软件进行处理。

内符合精度分析。安置在船头、船左和船右的这三台GPS双频双码接收机其相对位置,可以在观测前或观测后精确量测得到,因此将这一条件作为检验单点定位测量精度的一个重要手段。根据这三台接收机的观测数据进行相位平滑伪距单点定位,统计了三组数据在同一历元的定位结果,并依此计算得到了三个测站间的相对距离,将其与在船上实测得到的真值进行比较,三个测站间距离误差如图3所示。

图3 三个测站间的距离误差

从图3中可以看出,利用Survey软件进行事后双频相位平滑伪距单点定位的内符合误差小于1m,大部分历元观测数据的解算结果可以保证在0.5m以下。其中的均方根误差,船头与船左为0.346m,船头与船右为0.420m,船左与船右为0.419m,精度指标与利用Survey软件处理的bjfs站2006年237日静态观测数据所得到的结论相一致。

外符合精度分析。利用船头、船左和船右处三台双频GPS接收机获取的数据,进行了相位平滑伪距单点定位,得到其解算结果与利用动态相对定位软件KinPos得到的点位

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坐标在各方向的误差。各方向的误差如图4所示,其中图4(a)~图4(c)分别为船头、船左、船右解算结果各方向的误差。

及单点定位时的解算策略,提出了更高的要求。

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利用单点定位软件Survey对实测动态数据的处理结果表明,其相位平滑伪距单点定位的绝对误差不超过1m,大部分可以保证在0.5m以内,证明了在利用其处理bjfs站数据时所得到结论的真实有效性。

3 结束语

给出了单点定位利用卫星高度角定权时一个较优的定权公式,利用VisualC++6.0编程平台,完成了单点定位数据处理全部算法的程序实现,以IGS站观测数据及葫芦岛CORS系统检测的一段海上动态数据,检验了由单点定位软件Survey进行相位平滑伪距单点定位所能达到的精度水平,实现了现今利用相位平滑伪距进行单点定位所能达到的精度水平,具有一定的理论研究与实际应用价值。从对真实动态数据的处理结果发现,因数据预处理时未能全部探测出来存在粗差的数据,其定位精度存在一定的系统性误差,但这表明如能改进现有数据预处理手段,有效探测出这部分存在粗差的数据,其相位平滑伪距单点定位的精度还存在较大提升空间,这将是下一步需要研究的问题。

图4 各方向的误差

在这三段数据的处理结果中,发现存在某些系统性误差,从而造成解算结果的整体偏移,在船头Z方向的定位误差分量中显得尤为明显,这表明利用相位平滑伪距进行单点定位的精度水平还存在较大的提升空间。并且从图4中可以清楚看到,船头、船左和船右的数据处理结果在1300历元、3400历元处的定位误差出现较大的变化,整个数据段的处理精度水平被明显地分为了三个部分。经分析发现,这种情况主要还是换星所造成的影响。首先是由于卫星在天空的图形发生了较大变化,造成其PDOP值突变;其次是由于Survey的预处理模块尚不完善,无法有效探测出观测数据中所有周跳,使得部分存在粗差的数据参与到法方程的建立中,从而引起解算结果偏差。

外符合精度较内符合精度及利用IGS跟踪站静态数据模拟动态数据的解算结果要稍差,其主要原因为,一是动态相对定位的解算结果本身就存在一定的测量误差,将其作为真值来评判利用软件Survey进行单点定位的解算结果时,得到的误差项中也包含了动态相对定位误差的影响。二是静态数据的质量往往比动态数据的质量好,动态数据中出现换星、周跳、多路径效应等问题更加频繁,对于数据预处理以

收稿日期:2007201219。

作者简介:邹璇,博士研究生,现主要研究长距离网络RTK。E2mail:supermanzx1982@sina.com

ù

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REALIZATIONANDPRECISIONANALYSISOFGPSPRECISE

POINTPOSITIONINGSOFTWARE

ZOUXuan

(GNSSResearchCenter,WuhanUniversity,129LuoyuRoad,Wuhan430079,China)

ABSTRACT HowtousetheVisualC++todevelopaGPSprecisepointpositioningsoftwaresystematicallyisintroduced,aneffectivewaytodeterminetheweightbythealtitudeangleisproduced.Theprecisionofthissoftwareisdiscussedbythewayofcarrierphasesmoothedpseudorangeindetail.

KEYWORDS GPS;cycle2slip;precisepointpositioning;carrierphasesmoothedpseudorange