精密单点定位的误差改正模型分析

精密单点定位的误差改正模型分析

作者：曹金莲 杨燕

来源：《数字化用户》2013年第25期

【摘 要】GPS的发展是从相对定位方式向绝对定位方式，测量精度不断提高。精度单点定位是一种绝对定位方式，其基本思路是消除各类误差对测量精度的影响。本文首先分析了精度单点定位的原理，在此基础上，分析了影响精度单点定位的主要误差，论文最后分析了这些误差形成的原因以及改正方法。

【关键词】定位 改正模型 精密单点定位 误差 一、引言

GPS技术的快速发展，使其在测量领域得到广泛的应用，GPS最初的定位方式主要采用相对定位，从码相对定位到RTK，GPS定位的精度在不断提高。相对定位是采用多台接收机联测，根据多台接收机测量的双差，来消除接收机公共误差，这些误差包括钟差何卫星钟差等，也包含消除其他方面的误差。这种方式的解算模型比较简单，并且定位精度也比较高，这主要是由于不需要考虑复杂的误差模型。但相对定位的方式中，至少有一台接收机置于已知站上连续观测，使其作业效率降低，另外，在一些测量地区由于条件限制，同步测量条件很难满足，当基准站与用户站的距离增加时，由于流层延迟、电离层延迟的影响，要达到预期的测量精度，就必须延长观测时间。绝对定位也称单点定位，单点定位方式早期也称为传统的单点定位方式，这种单点定位方式与精密定位不同，传统单点定位是利用码伪距观测值和卫星轨道参数误差以及卫星钟改正数误差，数据采集比较简单，用户只需在任意时刻用一台GPS接收机获得WGS284 坐标系中的三维坐标。精密单点定位（ Precise Point Positioning，PPP）技术是由美国喷气推进实验室的Zumberge 等人在1997年首先提出的。其基本思路是通过消除电离层延时的影响和观测方程中的地球自转参数，再根据给定卫星的轨道和精密钟差（可以由International GNSS Service，IGS组织提供），采用采用精密的观测模型，解算出精确坐标。 二、精密单点定位的主要误差

影响精密单点定位的精确度的提高主要由于其有效地消除或者减弱了误差，它消除误差的方法不同于传统的方式，由于精密单点定位是采用非差观测值，因此不能通过组成分观测值的方式消弱或者消除。所以精密单点定位需要采取另外的消除或者减弱误差的方法。影响精密单点定位的误差可以分为三类：（一）观察误差；（二）卫星误差；（三）传播误差。 三、误差改正模型 （一）观察误差的改正

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观察误差主要是接收机钟差及接收机天线相位误差。接收机钟差是接收机的钟面时与GPS标准时间的差值。接收机钟差主要通过影响卫星位置和站星几何距离的计算来影响定位。由于接收机的钟差引起的卫星误差不同，只要估计好接收机的钟差就能消除卫星坐标计算的影响。 天线相位中心是指发射或者接收信号点，接收机天线相位误差是指天线相位中心与天线参考点之间的差值。天线相位中心的影响可以通过模型改正方法来消除。

地球自转改正。坐标参照系是随着地球自转而变化，如WGS-84属于地心地固坐标系，ITRF属于地固坐标系。卫星信号发射时刻和信号接收时刻所对应的地固系是不同的，所以在地固坐标系中计算卫星到接收机的几何距离时，就需要考虑地球自转的影响。地球自转引起的距离改正为：

其中分别表示观测站位置的三维坐标，分别表示卫星位置的三维坐标，是地球自转角速度，C是真空中光速。

该距离改正量对卫星坐标的改正采用IERS 标准中提出的改正方法。

地球固体潮改正。由于地球不是刚性物体，它在其他星球的引力作用下，地球表面在星球万有引力的作用下，使地球自转和公转时的周期与地心不一致，这就形成一种周期性的变形，这种现象称为地球固体潮。可在地球固体潮的作用下，观测站的坐标将会周期性地变化，在垂直方向上的最大位移可以达到80厘米。地球固体潮改正是为了消除这种影响，在相对定位中一般采用差分方式来消除，但在精密单点定位中不能采用差分方式，一般采用IERS 标准模型来改正。

（二）卫星误差的改正

卫星的误差主要包括卫星钟差和卫星轨道误差等。卫星钟差是指卫星钟的频率漂移引起的卫星钟时间与标准GPS时间的差值。卫星的钟差会影响卫星坐标与站星几何距离的计算，一般要保证该值不大于一微秒。其改正方法一般是事先估计其大小，再用观测方程来消除其影响。卫星轨道误差是指卫星星历中给出的或者报据卫星星历计算出的卫星位罝与真实的卫星位置之间的差值。目前对该误差的改正也采用内插法。卫星质量中心的坐标是精密星历给出的卫星坐标，但是卫星天线相位中心是指卫星发射信号的位置，这样就形成了误差，即卫星质心和卫星天线相位中心之间的偏差，这个变差就是卫星天线相位中心偏差。这个误差的改正方法类似接收机天线相位中心改正方法。 （三）传播误差的改正

在传播过程中，对流层延迟和电离层延迟等会引起传播误差。由于电磁波在电离层中传播的速度和路径会发生变化，因此利用信号传播时间和光速得到的距离观测值与信号源到接收机之间的真实几何距离就存在差异，这就引起了电离层延迟。目前用的比较的多的改正方法是采

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用国际电离层模型和Klobuchar模型。对于对流层延迟的改正模型主要有Hopfield模型、Saastanioinen模型和Black模型等。

在信号传播有关的误差中还有一类误差，那就是处于测站附近的反射物所反射的卫星信号进入接收机天线和直接来自卫星的信号产生干涉，从而引起误差，这个误差称为多路径效应误差。多路径效应误差改正方法一般要选择合适的地址测量，让天线地点尽量远离反射体，另外也可以通过小波分析等方法来消除这个误差。 四、结束语

精密单点定位技术的基本思路是从消除误差出发来提高测量精度，在GPS测量中，误差来自三个方面，与卫星相关的误差、与观察相关的误差和与传播相关误差。本文在分析精密单点定位原理的基础上，阐述了改正这些误差的思路和方法。 参考文献：

1. 邱中军，陈景平. 精密单点定位及其精度分析. 测绘工程， 2011（6）

2. 陈俊勇.全球导航系统进展及其对导航定位的改善[J].大地测与地球动力学，2009（2） 3. 于合理，郝金明. 卫星钟系统偏差对精密单点定位精度的影响. 测绘科学技术学报， 2013（2）