GPS单点定位误差分析
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GPS单点定位误差分析
刘恩盛
【摘 要】The paper used PPP and PPP algorithms, to research the relation
of observation time and precision, in order to improve the data accuracy to
help the practice work. The paper introduced its math model and data-processing scheme, descri.%采用GPS单点定位技术与PPP解算软件，研究在静态GPS单点定位实践过程中，如何处理观测时间与观测误差的关系，以更好地提高数据采集准确度，为实际工作提供帮助。
【期刊名称】《上海计量测试》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】3页(P28-30)
【关键词】GPS;精密单点定位;误差分析;误差
【作 者】刘恩盛
【作者单位】井冈山大学建筑工程学院
【正文语种】中 文
GPS经历了传统单点定位、差分GPS定位、RTK技术，发展到了精密单点定位（PPP）。GPS精密单点定位（PPP），就是采用一台接受机进行定位的模式（图1），接受机天线在WGS-84世界大地坐标系统中的绝对位置，解决了以往GPS定位观测的距离限制，用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据可以在全球范围内任何卫星进行分米级的动态准确度定位或厘米级的快速静态定位。这是GPS定位方面的前沿研究方向。
1.1 精密单点定位原理
精密单点定位是利用高精度GPS精密卫星星历和卫星钟差，以及单台双拼GPS接收机采集的载波相位观测值，采用非差模型进行精密单点定位（Kouba &
Heroux, 2001）。不同测站的观测值不相关，误差也不相关。采用GPS接收机便可进行作业，大大提高了作业效率。
精密单点定位的基础是精密卫星星历与钟差，使用最多的是国际GNSS服务组织IGS提供的数据。PPP观测方程为[1]
式中：L—L1和L2的无电离层相对组合观测值；
Q— 测站与卫星间的几何距离；
c— 真空的光速；
Dt— 地面GPS接收机钟差；
DT— GPS卫星钟差；
KN— 无电离层组合相位观测值的模糊值；
M— 投影函数；
z— 天顶方向对流层延迟改正参数；
N— 组合相位观测值的观测噪声和多路径误差。
由于精密单点定位采用了更为复杂的非差定位模型，除了考虑参数结算的数学模型外，还需用到模型估计的方法来消除观测钟的误差。在消除误差的过程中，不仅需要估计坐标位置、接收机钟差和整周模糊度参数，还需估计卫星钟差和对流层参数等，可以说，卫星位置与卫星钟差是影响精密单点定位准确度的重要因素[2]。
1.2 精密单点定位解算软件
随着IGS精密轨道与精密钟差的准确度提高，许多针对单点定位的解算软件业随之产生。如世界两大优秀软件GNSS软件Bernese和JPL的GIPSY，均已实现精密单点定位技术，其他软件如瑞士的BERNESE软件、德国的EPOS软件等，都包括了精密单点定位技术处理功能。国内研究也取得丰硕成果，张小红教授推出的TRIP商业软件，可以达到国际水平。武汉大学GPS工程研究中心也进行了精密单点定位技术的研究工作。随着精密单点定位技术的深入研究，数学模型进一步精化、实时钟差的计算准确度进一步提高，快速静态和动态的定位准确度也在不断提高。
本文涉及的GPS数据处理使用的是加拿大Waypoint公司的GrafNav软件。
1.3 PPP在线定位服务
PPP在线定位服务系统将网络技术和精密单点定位技术相结合，为用户提供高精度单点定位服务。用户可以将观测数据上传到服务器，系统便可自动下载相应的精密星历和精密钟差，并进行自动解算，是一种重要的数据处理手段。目前全球主要四大在线PPP服务系统如表1所示。
1.4 GPS误差消除方法
误差主要分为系统误差和随机误差。在GPS精密定位中，系统误差主要来自卫星星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射等因素，随机误差主要是信号的多路径效应[3]。一般认为多路径误差是GPS定位的主要误差源，对GPS的误差分析主要针对的也是多路径误差。
消除误差的主要方法有两种，即差分GPS技术和误差估计参数模型[4]。可以精确模型化的误差能使用模型改正。不可以使用精确模型化的误差，则需要加入参数估计或者组合观测值。如双频观测值组合,消除电离层延迟;不同类型观测值的组合,不但消除电离层延迟,也消除了卫星钟差、接收机钟差;不同类型的单频观测值之间的线性组合消除了伪距测量的噪声,当然观测时间要足够的长,才能保证准确度[5]。
本次实验主要针对GPS静态定位，研究其观测时间与观测误差的关系，研究重点是数据采集与处理方式。实验主要利用手持GPS对观测点进行固定时段内的连续观测，获得GPS精密定位规律，从而为GPS测量工作提供定位时间指导，降低测量误差，具有一定的实践意义。
2.1 数据采集
本次试验为尝试性研究，研究地点位于贵州某勘测院内，测量工具为手持GPS接收机。试验选取院内一座高层建筑天台，高程相对较高，易于GPS信号接收以及对多路径误差影响的削弱。
试验选取时间为连续5 d测量，8月12日至16日，时间段为上午10～11时，晴天，少云，以最大限度减少天气误差，提高GPS定位准确度。
将GPS坐标系统转换成公里网坐标系统，便于数据处理。在10～11时1 h内，将GPS接收机放置在固定观测点处，待EPE值≤5时，开始定位，每1 min记录一次坐标值，至10:59可获得60个坐标记录。在整个过程中保持GPS接收机不移动。观测5 d内共获得300个观测值。
2.2 数据处理
对于观测数据的处理可以采用在线PPP服务系统与PPP解算软件，本次研究采用PPP解算软件——加拿大Waypoint公司的GrafNav软件，对数据进行单点定位解算。主要运算流程及软件界面如图2所示。
通过GrafNav软件，可以得到GPS的PPP解算。
2.3 观测时间与误差
本次试验主要针对观测时间与观测误差之间进行相关性研究，根据不同的观测时间间隔、观测平均值、软件结算的单点坐标，可以获得观测数据的观测时长与误差之间的关系，如表2所示。
2.4 误差分析
根据数据分析，可以得到X、Y、Z坐标误差分析与观测时间之间的相关性，如图3所示。
根据分析可以看出： 1）随着观测时间的增加，X、Y、Z坐标误差逐渐减少。因此可以得出，在一定程度上，观测时长的增加可以减少观测值的误差，提高观测准确度。
2）观测时长并非越长越好。根据观察，在观测时长为40 min时，X、Y、Z坐标误差均达到比较理想的状态，40 min后，误差减小不明显，且有误差波动情况。因此，在观测钟，40 min是一个临界值，在本次试验中，40 min可以作为观测最佳精度与最短时长的最优配比方案。
3）X、Y、Z坐标的精度与观测时长的最优配比不同。X坐标明显在观测时间为40 min时达到最优水平；Y坐标则在60 min时达到最优水平；Z坐标情况与Y坐标类似，有波动，在60 min时达到最优水平。但是由于受时间限制，无法验证Y与Z坐标的精度是否会随着观测时长的增加呈现逐步增加的趋势。
4）在精密单点定位结果分析中可以明显看出，X、Y坐标精度相对较好，Y坐标精度在观测时长较小的情况下误差极大。
PPP技术是GPS定位技术的一次革命，本文通过对GPS精密单点定位时长与误差分析，可以得到一定条件下的观测时长与观测准确度的最优配比：
1）观测时长并非越长越好，需要进行实地验证。根据本次试验结果分析，发现40 min观测时间与准确度是最优配比，时间短，误差大；时间长，则浪费成本降低工作效率。
2）相对平面定位信息，高程信息定位误差更大，需要进行多次验证。
3）本次试验本身存在较大的改良，如测试仪器的改良、PPP解算软件以及解算模型的改良、试验的科学性等。尤其是观测时长信息，单因子的精度改良效果并不显著，除了观测时间，可引入多因子模型。
4）在体现到生产实践中时，如何在最短时间内利用现有的测量工具提高观测准确度才是改良GPS的核心问题。本次试验仅限于研究工作，精确的解算模型与误差分析将是未来GPS定位技术发展的方向。
【相关文献】
[1] 李征航, 黄劲松. GPS测量与数据处理[M]. 武汉: 武汉大学出版社,2010.
[2] 张志清, 陈智梁, 刘宇平. GPS测量误差分析[J]. 沉积与特提斯地质，2012, 2(3): 100-106.
[3] 兰贵亭. GPS测量多路径误差的分析[J]. 太原大学学报, 2012, 3（3）: 54-56.
[4] 张小红. 动态精密单点定位的精度分析[J]. 全球定位系统，2010（1）:7-13.
[5] 胡国荣, 欧吉坤. 改进的高动态GPS定位自适应科尔曼滤波方法[J]. 测绘学报, 2011(6): 45-46.
