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标题: GPS精密单点定位原理及应用 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2014-10-1 06:14
标题: GPS精密单点定位原理及应用
产业与科技论坛2012 年第 11 卷第 2 期
GPS 精密单点定位原理及应用
□肖帅龙陈西杨汝芬
【摘要】精密单点定位采用精密星历和卫星钟差产品利用双频观测值组合方法以及对流层延迟模型改正等方法消除非差模
型中的主要误差，为无基站单台双频GPS 接收机作业提供了可能，将颠覆GPS 测量的传统作业模式。
【关键词】精密单点定位; 精密星历; 钟差改正; 对流层延迟模型
【作者简介】肖帅龙，男，中国石油工程设计西南分公司工程师; 研究方向: 油气田及管道测量
陈西、杨汝芬，中国石油工程设计西南分公司
对于传统的伪距单点定位而言，大气层延迟、轨道误差
和钟差等误差都大大降低了定位精度，只能适用于普通的导
航定位以及一些低精度作业。而近年来随着载波相位静态
定位、常规实时动态差分定位( Real Time Kinematic，RTK) 以
及网络RTK 的逐步实现，相对定位的技术有了长足的发展。
但是相对定位技术也有着显著的缺点，需要架设基站、作业
半径有限、野外无网络RTK 信号覆盖，这都给油气田及管道
工程的测量工作加大难度。在油气田及管道测量工作中，根
据不同需求往往要求达到十几厘米甚至几厘米的定位精度。
伪距单点定位的定位精度已经无法满足要求，而相对定位又
有着难以忽视的局限性。随着GPS 精密单点定位的发展，简
单可靠的单点定位测量模式应运而生。
一、精密单点定位的原理及数学模型
精密单点定位技术( Precise Point Positioning，PPP) 最早
由美国喷气推进实验室( JPL) 的Zum berge 年提出，当时这一
非差定位技术采用JPL 自行研发的GIPSY 软件可达到亚米
级精度。随着精密星历和钟差成果精度的提高以及对流层
延迟和电离层延迟改正模型的完善，单点定位的精度也有了
显著提高。其观测方程如下:
PIF = ρ － cdT + dtrop + dino，i + εPIF
IF = ρ － cdT + dtrop + cf1N1 － cf2N2
f1
2 － f2
2 + dino，i + εIF
其中PIF、IF
为伪距和载波相位观测值; ρ 为几何距离;
dT 为卫星钟差; dtrop
为对流层延迟误差; f1、f2
为载波频率;
N1、N2
为整周模糊度; dino，i
为电离层延迟误差; 有εPIF、εIF
为
观测噪声。
除了常规的探测和修复周跳外，要实现分米级甚至厘米
级的精密单点定位，高精度的卫星星历和钟差成果以及完善
的大气延迟改正模型都是不可或缺的。
二、精密星历和钟差改正
近来年随着各国对卫星导航定位研究的投入以及卫星
轨道计算数学模型的逐步完善，国际GPS 服务组织IGS 将遍
布全球的GPS 跟踪站的卫星观测数据综合并分析，向全球免
费提供不同精度、间隔的精密星历和钟差成果。精密星历和
钟差成果精度都有了显著的提高，具体见表1。
其中快速星历及钟差成果和最终星历及钟差成果是精
密单点定位数据处理中最常使用的两种成果，其精度达到了
厘米级和亚纳秒级，有效地消除了因为轨道误差和卫星钟差
对精密单点定位的影响。
三、对流层延迟改正
利用双频观测值组合法可以较好得消除电离层延迟产
生的误差，而对于对流层延迟误差只能依靠对流层改正模型
和参数估计法来消除。目前国际上常用的改正模型分为:
宝山露天煤矿东帮边坡，由于顺倾弱层的存在，使得边坡稳
定性较差，边坡易沿弱层发生滑移; 边坡滑移主要受不同层
位弱层控制，其最危险的潜在滑坡模式为以4#弱层为底界面
的切层—顺层滑动。由于弱层的含水率状态对自身强度指
标影响较大，进而影响到边坡稳定性及滑坡模式，因此，弱层
及其含水率是边坡稳定性的敏感因素，合理的疏干排水措施
是提高边坡稳定性的有效手段。
【参考文献】
1．陈祖煜．岩质边坡稳定分析—原理、方法、程序［M］．北京:
中国水利水电出版社，2005
2． Fellenius W． Erdstatisch Berechnungen［M］． Berlin W． Ernst
and Sohn revised edition，1927: 1939． ( in German)
3． Bishop A． W． The use of the slip circle in the stability analysis
of slopes［J］． Geotevhnique， 1954
4． Janbu N． Earth pressure and bearing capcity calculations by
generalized procedure of slice［J］． Proc． 4th Conf． soil mechanics
and foundation engineering，London，Vol 2， 1957
5． Morgenstern N R，PriceV． The analysis of the stability of general
slip surface［J］． Geotechnique， 1965
6． Sarma S K． Stability analysis of embankments and slopes［J］．
Geotechnique，1973
产业与科技论坛2012 年第11 卷第2 期
Saastamoinen、Hopfield 以及Black 改正模型，其中Saastamoinen
被公认效果最好的模型，由于篇幅限制，在此就不做详细
介绍。对流程延迟改正分为干延迟改正和湿延迟改正，包括
了天顶延迟改正模型和映射函数两部分，如下:
dtrop = dz，dry#Mdry
( E) + dz，wet#Mwet
( E)
dtrop
为对流层延迟，dz，dry
为天顶方向干分量延迟，Mdry
( E)
为相应的干分量投影函数，dz，wet
为天顶方向湿分量延迟，Mwet
( E) 为相应的湿分量投影函数。
表1 星历和钟差成果精度
星历/钟差精度( cm / ns) 滞后时间更新率采样间隔
广播
星历160
钟差7
实时— 1 天
超快速
( 预测)
星历10
钟差5
实时4 次/天15 分钟
超快速
( 观测)
星历＜ 5
钟差0． 2
3 小时4 次/天15 分钟
快速
星历＜ 5
钟差0． 1
17 小时1 次/天5 分钟
最终
星历＜ 5
钟差＜ 0． 1
13 天1 次/周5 分钟
图1
而在参数估计法中，利用模型改正后，湿延迟改正部分
的残余影响还比较大。精密单点定位解算时，通常利用参数
估计的方法将对流层湿分量的残余影响当作一个参数进行
估计。两种改正方法能够达到的精度相当，但是在收敛速度
上有所差异。
四、工程实例
本文采用的实例位于北方植被稀少地势平缓地区，收集
2009 年某工程GPS 静态定位数据5 个，观测时间都在3 个小
时以上，采用GAMIT 软件进行精密单点定位解算。其中
SS26 号单点定位收敛情况见图1。
由图1 可见，定位结果在1 小时左右收敛，并且收敛后
N、E、H 分量的误差都在2 分米以内。将5 个GPS 静态定位
数据进行静态差分定位解算，并将单点定位成果通过七参数
转换到地方网格坐标，将两者进行较差，结果见表2。
由表2 可见，各个点位的静态差分成果和单点定位成果
的差值大多数都在2 分米以内。但是SS28 号点除外，X 方向
较差达到4 分米。
表2
差值
点号X( m) Y( m) H( m)
SS26 0． 11 0． 13 0． 18
SS27 0． 09 0． 08 0． 12
SS28 0． 43 0． 23 0． 38
SS29 0． 16 0． 09 0． 17
SS30 0． 14 0． 12 0． 16
五、结语
根据实例计算结果以及GPS 数据观测的情况得出以下
结论:
第一，精密单点定位成果的收敛情况决定精密单点定位
无法替代快速静态定位，并且在目前无法实现高精度的GPS
定位。
第二，精密单点定位基本能够满足1: 2000 比例尺地形图
控制的精度要求，适用于长输管道等线路的控制测量。但对
于大比例尺地形图的控制测量，该精度还无法满足。
第三，SS28 号点位附近有部分树木遮挡，导致能跟踪的
卫星颗数相对较少，卫星图形较差并且容易发生周跳现象。
因此精密单点定位卫星观测必须选择附近基本无遮挡的位
置。
第四，在遮挡较多地区定位精度的不理想造成了精密单
点定位应用的局限性。但随着北斗和伽利略卫星定位系统
的形成，精密单点定位将会在工程应用中占有一席之地。
【参考文献】
1． J． F． Zumberge，M． B． Heflin，D． C． Jefferson，M． M．
Watkins，and F． H． Webb． Precise point positio2ning for the efficient
and robust analysis of GPS data from large networks［J］．
Journal of Geophysical Research， 1997
2．李征航，黄劲松． GPS 测量与数据处理［M］．武汉: 武汉大
学出版社， 2005
3．叶世榕． GPS 非差相位精密单点定位理论与实现［D］．武汉
大学， 2002】

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