洪　澤,王國舉

(92493部隊 22分隊,遼寧 葫蘆島 125000)

基于精密單點定位的島礁控制測量研究

洪澤,王國舉

(92493部隊 22分隊,遼寧 葫蘆島 125000)

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

關(guān)鍵詞：精密單點定位;島礁測量;GrafNav;TEQC;GAMIT

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2015.03.012

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：碼： A

文章編號：號： 1008-9268(2015)03-0051-04

收稿日期：2015-02-10

作者簡介

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,海道測量中特別是海島礁的控制點測量由于地理條件限制,在利用GPS定位時,若用靜態(tài)相對定位需要長基線解算,但是隨著基線的加長,定位的精度也隨之降低。雖然可以利用國外高精度長基線解算軟件進行解算,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需要大量的人工干預(yù),較難掌握,不便于實際操作。而利用非差相位精密單點定位(PPP)恰好可以解決這一困境,非差相位精密單點定位不受基線長度的限制,利用獨立觀測站的數(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對海島礁控制點坐標進行精密單點定位解算分析。正常情況下,精密單點定位精度在水平方向和高程方向均可達到厘米級[1],由于在島礁上進行觀測會受到海水面、礁石等光面反射的多路徑效應(yīng),將直接影響解算精度,本文著重對此進行相關(guān)探究。

1精密單點定位原理及軟件實現(xiàn)

1.1　精密單點定位原理

精密單點定位是利用全球若干地面跟蹤站的GPS觀測數(shù)據(jù)計算出的精密衛(wèi)星軌道和鐘差,對單臺雙頻GPS接收機所采集的相位和偽距觀測值進行定位解算,獲得高精度的待定點的坐標的一種定位方法稱為精密單點定位(PPP)。

其碼偽距方程[2]為

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

(1)

式中: i、j分別表示測站、衛(wèi)星號; 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為接收機觀測瞬間在空間的位置; δti、δtj分別表示接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差; δφtrop、δφiono表示對流層、電離層延遲; δφrel為相對論效應(yīng); δφtidy為潮汐影響; εp為偽距的觀測噪聲。

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; N為整周模糊度; εL為載波相位的觀測噪聲;其它符號意義與碼偽距測量公式中相同。

利用碼偽距和載波相位觀測量,由事后精密星歷和精密鐘差提供衛(wèi)星位置和鐘差,利用精密單點定位觀測模型[3]。組成觀測方程,用合適的參數(shù)估計方法[4]即可得到所求參數(shù)(包括接收機位置、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[5]～[7]。

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

1.2　精密單點定位的軟件實現(xiàn)

GrafNav/GrafNet是加拿大Waypoint公司開發(fā)的GPS/GLONASS事后處理軟件包,該軟件包功能強大,可以較好地處理GPS單頻、雙頻和GLONASS系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù),它采用了先進的算法,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接收機的測量數(shù)據(jù),同時也可以處理GPS/GLONASS雙系統(tǒng)接收機的數(shù)據(jù),其精密單點定位處理流程如圖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行數(shù)據(jù)處理,并且很快速地得到厘米級的定位精度。

圖1　GrafNav軟件PPP解算處理流程圖[8]

2精密單點定位實例及精度分析

本文使用東海某一島礁的實測數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)于三面環(huán)海的島礁上利用雙頻NovAtel接收機測得,GPS采樣率為1 s,觀測時間為24 h.控制點大致位置如圖2所示.

圖2　控制點概略位置

2.1　GAMIT軟件解算結(jié)果

本實驗利用高精度長基線相對定位軟件GAMIT/GLOBK解算結(jié)果作為該點位置坐標的標準,檢核精密單點定位方法解算精度。由于GAMIT基線解的精度和可靠性是公認的,有相對完善的周跳處理模塊,在長基線相對定位上精度達到厘米甚至亞厘米級[9]。本文實驗中采用IGS的6個站點,分別為SHAO、WUHN、CHAN、XIAN、BJFS、SUWN作為已知坐標的框架基站來解算此島礁觀測站控制點坐標。所得精度在X方向中誤差為6.6 mm,Y方向為9 mm,Z方向7.3 mm,滿足作為對照檢核的標準(本文所用坐標系均為ITRF05框架下的直角坐標系)。

2.2　GrafNav軟件解算

利用GrafNav軟件對此控制點數(shù)據(jù)進行精密單點定位解算,解算結(jié)果每個觀測歷元都給出了一個坐標,而最后一個歷元的坐標就是該點靜態(tài)解算的最優(yōu)坐標。如圖3所示,最密集的區(qū)域為解算質(zhì)量好的結(jié)果,其它零散的點是質(zhì)量差的。該控制點的解算坐標在不同時刻之間的偏移量很大,部分點甚至與該點的概略位置相距甚遠,這說明原始觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量不是很好。

圖3　PPP解算后點坐標分布圖

圖4示出了此次解算的誤差分布圖的一部分,如圖所示,有些時段點位誤差跳躍幅度很大,然后又重新收斂,這樣的波動肯定會影響最終的精度。結(jié)果顯示,與GAMIT/GLOBK解算后的位置坐標比較在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)以上兩幅圖都說明原始觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不好,需要對其進行誤差分析,進一步提高精密單點定位的解算精度。

圖4　各歷元在x、y、z方向上的誤差分布

2.3　原觀測數(shù)據(jù)的檢驗

先對原始的觀測數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢驗,所用軟件為TEQC軟件。該軟件是功能強大且簡單易用的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)測站數(shù)據(jù)管理服務(wù)的公開免費軟件,主要功能有格式轉(zhuǎn)換、編輯和質(zhì)量檢核等。

利用TEQC對原始觀測文件進行檢驗后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效率為83%,說明該觀測數(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,說明在接收L2載波時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,有的甚至達到了幾十米之多,可斷定這這幾顆衛(wèi)星在使用時受多路徑效應(yīng)影響很大。查看衛(wèi)星幾何分布和各種精度因子時發(fā)現(xiàn),在一些時段中,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提高島礁精密單點定位精度的方法

為了提高本實驗的解算精度,根據(jù)上文分析,可以從以下幾個方面來進行。

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,把重新生成的觀測文件和導(dǎo)航文件再利用TEQC進行質(zhì)量檢測,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。

把刪星后的觀測文件利用GrafNav進行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,甚至還有個別時段沒有數(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。說明GrafNav軟件有較好的誤差處理模塊,對接收不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)處理很好,無需手工刪除。

3.2　提高接收觀測角

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

3.3　刪時段

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

利用TEQC將去星后的觀測文件提取出這段時間的數(shù)據(jù),生成新的觀測文件和導(dǎo)航文件。再利用TEQC檢測新生成的文件,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,說明L2載波多路徑效應(yīng)也有所減弱。利用GrafNav對其進行重新解算,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　刪星去時后的誤差分布

4結(jié)束語

在海島礁控制測量中,利用單臺雙頻GPS接收機進行單天不間斷觀測,通過采用兩種不同方法(精密單點定位方法和長基線相對定位方法)對其進行的計算表明,解算出的位置坐標非常接近,在原始數(shù)據(jù)解算情況下兩結(jié)果差距在厘米級。其中由于海島礁地理原因,三面環(huán)海,會對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的多路徑效應(yīng)影響。但經(jīng)本文實驗得出,多路徑效應(yīng)對最終精度的影響不大。原觀測數(shù)據(jù)在不進行處理的情況下,利用GrafNav軟件對其進行精密單點定位解算,最終精度也能達到厘米級別。若想提高精度,可利用TEQC與GrafNav對原數(shù)據(jù)進行分析,并刪除觀測條件不好的時段即可,最終精度甚至可以達到毫米級別。

參考文獻

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洪澤(1976-),男,江蘇蘇州人,主要研究方向為海道測量與GPS海上定位。

王國舉(1987-),男,遼寧營口人,主要研究方向為大地測量與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