GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)及其應(yīng)用

1、GPS 精密單點(diǎn)定位技術(shù)及其應(yīng)用*王曉賓, 劉 琨, 林樂(lè)科, 趙振維(中國(guó)電波傳播研究所, 山東青島266107摘 要:介紹了精密單點(diǎn)定位的基本原理, 利用IGS 數(shù)據(jù)和產(chǎn)品驗(yàn)證了對(duì)流層天頂延遲和電離層總電子含量的解算正確性, 給出了青島地區(qū)對(duì)流層折射率和電離層電子密度剖面的探測(cè)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:精密單點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于空間環(huán)境探測(cè)是可行的。 關(guān)鍵詞:GPS; 精密單點(diǎn)定位; 環(huán)境探測(cè)中圖分類號(hào):T P79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1008 9268(2008 06 0017 04引言空間環(huán)境影響通信、導(dǎo)航定位、雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)、航天器的飛行與測(cè)控等, 與人類的生存和活動(dòng)密切相關(guān), 而空間環(huán)境

2、的探測(cè)是了解空間物理現(xiàn)象, 進(jìn)行空間科學(xué)技術(shù)研究應(yīng)用的基礎(chǔ), 研究開(kāi)發(fā)全天候、高精度、高分辨率和低成本的探測(cè)技術(shù)是滿足各種應(yīng)用要求的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。近年來(lái), GPS 技術(shù)作為一種新型的探測(cè)手段越來(lái)越多地應(yīng)用于空間環(huán)境的探測(cè)中, 如對(duì)流層的可降水量PWV, 電離層的總電子含量T EC 。為了更加準(zhǔn)確、快速、方便地獲得空間環(huán)境的參數(shù), 精密單點(diǎn)定位技術(shù)(Precise Po int Positioning, PPP 逐漸成為GPS 中繼雙差分技術(shù)之后又一個(gè)技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。精密單點(diǎn)定位技術(shù)是美國(guó)JPL(噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 的Zumbeg er 等人于1997年提出的1, 并在GIP SY 軟件中實(shí)現(xiàn)

3、, 定位的精度可以得到厘米至毫米級(jí), 與雙差分技術(shù)相當(dāng)。其與雙差分相比, 其優(yōu)點(diǎn)是不需要設(shè)立參考站, 減少了通信等系統(tǒng)成本, 不再受作業(yè)距離的限制, 并且處理速度更快, 工作效率大大提高。另外, 精密單點(diǎn)定位技術(shù)在解算測(cè)站的三維坐標(biāo)之外, 還可以得到對(duì)流層延遲等參數(shù), 因此非常適合應(yīng)用于空間環(huán)境的探測(cè)。GPS 除了可以探測(cè)空間環(huán)境的積分量, 還可以進(jìn)行剖面的探測(cè)。目前基于GPS 的大氣剖面反演一般利用掩星技術(shù)或地基網(wǎng)絡(luò)層析技術(shù), Low ry 等基于精密單點(diǎn)定位方法, 利用仰角5 以下的斜路徑延遲進(jìn)行了6km 以下對(duì)流層折射率剖面的反演探測(cè)2, 林樂(lè)科等則基于天頂濕延遲進(jìn)行了相關(guān)研究3。本文介

4、紹了精密單點(diǎn)定位的基本原理, 利用IGS 數(shù)據(jù)和產(chǎn)品驗(yàn)證了對(duì)流層天頂延遲和電離層總電子含量的解算正確性, 并給出了青島地區(qū)對(duì)流層折射率和電離層電子密度剖面的探測(cè)結(jié)果。1 精密單點(diǎn)定位原理現(xiàn)代的測(cè)量型GPS 接收機(jī)同時(shí)記錄雙頻偽距和載波相位觀測(cè)值, 其中, P 碼的精度約為0. 3m, 相位的精度約為2m m, 觀測(cè)方程為:P i = +c(d t -dT +T ion, i +T trop +P (1i = +c(dt -dT -T ion, i +T trop +N i ! i +(2其中, P i 和 i 為偽距和載波相位觀測(cè)值, 單位均為米, 下標(biāo)i =1, 2表示兩個(gè)頻率f 1, f

5、2, c 為真空中的光速, dt 為接收機(jī)鐘差, dT 為衛(wèi)星鐘差, T ion, i 為電離層延遲, T trop 為對(duì)流層延遲, N i 為整周模糊度, ! i 為波長(zhǎng), P 和為 觀測(cè)噪聲, 為接收機(jī)和衛(wèi)星之間的真實(shí)直線距離, 設(shè)衛(wèi)星坐標(biāo)為(X S , Y S , Z S , 接收機(jī)坐標(biāo)為(x , y , z , 則 =S +(Y S -y +(Z S -z (3電離層延遲具有色散效應(yīng), 與頻率有關(guān), 只考慮其一階項(xiàng), 利用兩個(gè)頻率觀測(cè)值的線性組合消除電離層延遲的影響:l P =211222f 21-f 22(4 l =211222f 1-f 2(5并假定對(duì)流層各方向的斜延遲與天頂方向的

6、延遲存在映射關(guān)系, 則觀測(cè)方程可以寫(xiě)為: l p = +c(dt -dT +zpd M + P(6. 6/*收稿日期:2008 09 04l = +c(dt -dT +zpd M +N ! +(7 其中, zpd 為對(duì)流層天頂方向的延遲, M 為映射函數(shù), N 為模糊度組合值, 不再保持整數(shù)特性, ! 為波長(zhǎng)組合值。如果已知衛(wèi)星的坐標(biāo)和鐘差, 將觀測(cè)方程線性化, 利用最小二乘法或卡爾曼濾波進(jìn)行解算, 可以同時(shí)得到接收機(jī)坐標(biāo), 接收機(jī)鐘差, 組合模糊度和對(duì)流層天頂延遲。 精密單點(diǎn)定位為達(dá)到厘米甚至毫米級(jí)的定位精度需要注意以下幾個(gè)方面:(1 衛(wèi)星軌道精度達(dá)到cm 級(jí); (2 衛(wèi)星鐘差精度達(dá)到亞ns

7、 級(jí); (3 正確剔除粗差, 修復(fù)周跳; (4 考慮精確的誤差修正模型, 包括固體地球潮、海洋潮汐、地球自轉(zhuǎn)、相對(duì)論、天線相位中心偏差、衛(wèi)星天線相位纏繞等。精密單點(diǎn)定位解算的參數(shù)多, 并且受誤差殘差的影響, 非差分單點(diǎn)定位的模糊度確定比雙差分定位更加復(fù)雜和困難, 因此, 必須選取合適的參數(shù)估計(jì)模型和精確的誤差修正模型。2 空間環(huán)境參數(shù)1 對(duì)流層大氣折射率對(duì)流層天頂延遲zpd 與大氣折射率N 的關(guān)系為:zpd =10-6!N (h d h(8其中, h 為高度。2 電離層電子密度單個(gè)頻率電離層延遲T ion, i 與電子密度N e 的關(guān)系為: T ion, i =f i TEC =f i!Ne(

8、s d s (9 其中, TEC 為總電子含量, s 為信號(hào)傳播路徑。電離層延遲與頻率有關(guān), 計(jì)算TEC 必須對(duì)GPS 系統(tǒng)的硬件延遲B 進(jìn)行修正: TEC=9. 52437(P 2-P 1+B(10對(duì)流層延遲和電離層TEC 均為積分總量, 基于模型或歷史觀測(cè)數(shù)據(jù), 采用合適的反演方法即可得到各高度上的剖面值。3 實(shí)驗(yàn)與分析利用自主研發(fā)的精密單點(diǎn)定位軟件對(duì)IGS 武漢站2008年3月28日(年積日088 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)處理, 采樣間隔為30s, 衛(wèi)星星歷和鐘差使用IGS 提供的最終精密產(chǎn)品, 星歷的精度優(yōu)于5cm, 數(shù)據(jù)間隔為15m in, 鐘差精度優(yōu)于0. 1ns, 數(shù)據(jù)間隔為30s,

9、因此, 經(jīng)拉格朗日插值以后滿足厘米級(jí)精度的定位要求。在初始階段, 載波相位的模糊度很難準(zhǔn)確確定, 采用相位平滑偽距觀測(cè)值則可以提高精度, 減少初始化時(shí)間。初始化時(shí)間約15m in, 3h 后得到厘米級(jí)精度, 6h 后則隨觀測(cè)時(shí)間增加提高很小4。對(duì)流層中水汽分布隨時(shí)間不規(guī)則變化, 數(shù)據(jù)處理過(guò)程中, 對(duì)流層延遲殘差采用隨機(jī)游走過(guò)程模擬。圖1 IGS 武漢站對(duì)流層天頂延遲圖1給出了GPS 時(shí)間8:0016:00(當(dāng)?shù)貢r(shí)間約16:0024:00 武漢站的對(duì)流層天頂延遲的解算結(jié)果(PPP , 并同時(shí)給出了基于地面氣象數(shù)據(jù)采用saastamo inen 模型計(jì)算的met 、IGS 以及氣球探空(Sonde

10、 的結(jié)果?；诘孛鏆庀髷?shù)據(jù)采用模型計(jì)算的對(duì)流層延遲大約為2. 31m , 與其它結(jié)果差別較大, 無(wú)法滿足精密定位的要求。本文和IGS 處理的結(jié)果與實(shí)際的氣球探空比較吻合, 相差在23cm, 原因是受空氣密度和風(fēng)速影響, 探空氣球?qū)嶋H測(cè)量的是一段時(shí)間內(nèi)(約1h 左右 一條不規(guī)則路徑上的積分總量, 而GPS 則是某個(gè)時(shí)刻各個(gè)方向路徑延遲在天頂方向的映射平均。并且, 探空氣球一般只能達(dá)到2030km 高度, 而GPS 系統(tǒng)測(cè)量的是中性大氣的延遲, 因此氣球探空比GPS 探測(cè)結(jié)果要小。解算的結(jié)果與IGS 提供的對(duì)流層延遲結(jié)果相比, 雖然在絕對(duì)值上差別不大, 但其相對(duì)的變化趨勢(shì)卻不盡相同, IGS 的結(jié)

11、果變化較為平穩(wěn), 而本文的結(jié)果則變化較大, 其原因可能有以下幾個(gè)方面:(1 參數(shù)估計(jì)模型的選取不同, 且IGS 給出的是各分析中心的綜合結(jié)果; (2 誤差修正不同:實(shí)驗(yàn)解算中修正了大部分的誤差, 但對(duì)于影響較小的誤差,18GNSS World of 2008. 6如海洋潮汐, 天線相位中心隨天頂角和方位角的變化等沒(méi)有修正; (3 模糊度的確定不夠準(zhǔn)確:非差分載波相位模糊度不再為整數(shù), 且受誤差殘差影響,要準(zhǔn)確確定比較困難。 圖2 IGS 武漢站電離層垂直TEC圖2給出了相同時(shí)間武漢站電離層總電子含量TEC 的處理結(jié)果, 同時(shí)也給出了IGS 網(wǎng)格TEC 經(jīng)插值后的結(jié)果。從圖中可以看出, 除了GP

12、S 時(shí)8:00之外, 兩者基本一致, 反映了電離層TEC 白天較大, 晚上較小的日變化趨勢(shì)。IGS 利用全球5個(gè)電離層分析中心提供數(shù)據(jù), 對(duì)其處理, 取其相對(duì)平均結(jié)果, 而本文利用仰角30 以上可視衛(wèi)星與接收機(jī)間不同路徑斜向總電子含量, 通過(guò)投影函數(shù)和Kriging 插值, 獲取接收機(jī)上空總電子含量, 該方法更能反映局部電離層效應(yīng); 再者, 當(dāng)選擇不同的高度截止角和單層電離層模型高度時(shí), 投影函數(shù)將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的一定差異5。圖3為青島地區(qū)(36. 24 N, 120. 41 E 2008年7月12日(年積日194 對(duì)流層天頂延遲的觀測(cè)結(jié)果, 接收機(jī)為徠卡雙頻測(cè)量型接收機(jī), 數(shù)據(jù)處理中衛(wèi)星截止仰

13、角為15 , 星歷仍使用最終精密星歷。夏季對(duì)流層天氣變化頻繁, 對(duì)流層天頂延遲在一天內(nèi)隨時(shí)間變化劇烈, 該天的特點(diǎn)是白天小, 晚上大, 相差約5cm 。圖4給出了白天和晚上(當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00和24:00 的對(duì)流層折射率剖面反演結(jié)果, 折射率隨高度呈指數(shù)變化, 2km 以上, 白天折射率較小, 2km 以下, 白天折射率則較大。圖5和圖6給出了2008年4月2日(年積日093 的電離層T EC 觀測(cè)結(jié)果及當(dāng)?shù)貢r(shí)間12:00和24:00的電離層電子密度剖面反演結(jié)果。電離層電子密度變化受太陽(yáng)光照影響, 一般在中午達(dá)到最大值, 隨后由于太陽(yáng)光強(qiáng)度的減弱, TEC 逐漸減小, 夜晚達(dá)到最小。從圖6的電

14、子密度剖面結(jié)果可以看出, 在250km 左右的高度處, 峰值相差約1倍,日夜變化非常大。4 結(jié)論介紹了精密單點(diǎn)定位技術(shù)在空間環(huán)境探測(cè)中的應(yīng)用, 與其它觀測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比, 結(jié)果表明, 該技術(shù)能夠滿足空間環(huán)境如對(duì)流層折射率和電離層電子密度的探測(cè)精度需要, 是一種可靠的新型探測(cè). 6/ 圖6 電離層電子密度剖面技術(shù)?；趩蝹€(gè)GPS 接收機(jī)的精密單點(diǎn)定位技術(shù), 因其簡(jiǎn)單、快速、高效的特點(diǎn), 是目前和未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)GPS 研究的熱點(diǎn)。對(duì)于空間環(huán)境的探測(cè)而言, 精度要求較高, 無(wú)法使用廣播星歷, 而必須使用精密星歷, 因此, 下一步的研究重點(diǎn)將是利用精密預(yù)報(bào)星歷實(shí)現(xiàn)對(duì)空間環(huán)境的實(shí)時(shí)或者近實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。參考文

15、獻(xiàn)1 J. F. Zumberg e, M. B. Heflin, D. C. Jefferso n, M.M. W atkins, and F. H. Webb. Pr ecise point po sitio ning for the efficient and robust analysis of GP S data fro m lar ge netw or ksJ.Jour nal o f Geo phy sical Re sear ch, 1997, 102(B3 :5005-5017.2 L ow ry, A. R. , C. Rocken, S. V. Sokolovskiy ,

16、 etal. V ertical prof iling o f atmospheric refractivity fr om gr ound-based G PS J. R adio Sci. , 2002, 37(3 :do i10. 1029/2000RS002565.3 林樂(lè)科, 張業(yè)榮, 趙振維, 等, 基于天頂濕延遲的G PS大氣折射率剖面反演研究J 全球定位系統(tǒng), 2007, 32(3 :1-4.4 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 :35-38.5 王小亞, 朱文耀. G PS 檢測(cè)電離層活動(dòng)的方法和最新

17、進(jìn)展J. 天文學(xué)進(jìn)展, 2003, 21(1 :33-39.Technique of Precise Point Positioning of GPS and its ApplicationW ANG Xiao bin, LIU Kun, LIN Le ke, ZHAO Zhen wei(China Resear ch I nstitute of R adio w ave Pr op agation , Qing dao, 266107, ChinaAbstract:The principle of Precise Point Positioning (PPP is introduced, a

18、nd the estimating of tro p o spheric zenith path delay and iono spheric total electron content is valided using IGS data and pro duct. Finally, the tropospheric refr activ ity and ionospheric electron density sounding results in Qingdao ar e presented. Ex periments show that applicatio n of pr ecise point positioning in spatial environment so und ing is feasible.Key words:GPS; precise p