（大地测量学与测量工程专业论文）gps对流层延迟改正模型的研究与分析.pdf

th er e s m a j o r ： d i r e c t i o n g r a d u a t e ， s u p e r v i s o 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对论文的 完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者( 签字) ：垄芝 签字同期： ! ：笪：1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解( 学校) 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权( 学 校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论 文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。( 保密的 学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：a 尝 签字日期：1 口年6 月，1e t 新嫁奢孙匕导师签字：介才1 i j l 二 签字日期： 。，- 年6 月q 日 桂林理。r 入学硕十学位论文 捅璺 g p s 定位技术近几年取得了飞速发展，它已被广泛应用于导航、受时、军事以及工程 测量等各个领域。自从2 0 0 0 年5 月美国丌始取消s a 政策以后，g p s 定位精度基本上 都能满足上述几个方面的要求，但如果我们想在某一特定地区进行高精度的监测研究就 需要更适合该地区的改正模型。而对流层延迟误差是目前制约6 p s 高精度定位的最主要 影响因素之一，也是目前研究的热点与难点，所以建立适合于某一特定地区的对流层改 正模型是非常必要的。本文从天顶延迟模型、天项延迟参数估计方法、不同映射函数组 合研究以及对模型的改进几个方面进行探讨。并利用g a m i t 软件，对某个地区进行了大 量的实验分析，主要研究内容如下： ( 1 ) 对流层天顶延迟参数的估计是非常重要的，它不仅能模拟电磁波在对流层中的 传播而且还可用于反衍对流层大气。通过实验可知，一般2 4 小时取一个比较合适，取过 多参数能有效模拟对流层折射过程，但解的强度和稳定性都有所降低，甚至会出现病态 方程。如果参数取得过少则很难有效模拟对流层，以致不能取得高精度的对流层改正数。 ( 2 ) 对g a m i t g l o b kg p s 数据处理软件进行详细的介绍，对其工作环境和作业流 程以及相关的注意事项进行细致的阐述。 ( 3 ) 实验分析了三种对流层参数估计方法，得出了多参数法和分段线性随即过程法 能极大的提高解的精度，尤其是在垂直方向的重复性。 ( 4 ) 在中纬度地区进行对流层延迟改正时选用d r y ：g m f + w e t ：g m f 投影函数解算的 天顶延迟中误差明显比其他模型小这说明该模型更适合该地区，改正精度更高，效果更 好。 ( 5 ) 通过对欧洲地区6 个i g s 站点进行组网分析。得到s a a s 模型的n r m s 均值为 0 2 0 3 0 ，而我们通过修改参数的模型w y - o z 的n r m s 均值为0 2 0 0 2 ，所以，当我们对某个 特定地区进行对流层延迟改j 下时，进行相应的参数改正会取得更理想的结果。 关键词：g a m i t 、对流层延迟、天项延迟、映射函数、参数改正 柞林理t = 人学硕 ：学位论文 a b s t r a c t g p s p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yh a sm a d eaq u i c kd e v e l o p m e n ta n dh a da l r e a d yb e e na p p l i e d b yn a v i g a t i o n ，t i m i n g ，m i l i t a r y , a n de n g i n e e r i n gg e o d e s ya n ds oo n s i n c em a y2 0 0 5t h es a p o l i c yh a db e e na b o r t e d ，t h ep r e c i s i o no fg p sp o s i t i o n i n gc a nm e e tt h ed e m a n do ft h e a p p l i c a t i o na b o v e ap r o p e rt e r r i t o r i a lc o r r e c t i o nm o d e lw i l lb en e c e s s a r yi ft h e r ei sah i g h p r e c i s i o no b s e r v a t i o ni nas p e c i f i ca r e a t h et r o p o s p h e r et i m e - d e l a yi so n eo fm a i ne f f e c t i v e f a c t o r s ，w h i c hw i l lm a k eac a n y o nf r o mt h eh i g h p r e c i s i o np o s i t i o n i n ga n db e c a m et h ef o c u s a n dd i f f i c u l t i e so fp r e s e n ts t u d y ，s ot h ee s t a b l i s h m e n to ft e r r i t o r i a lt r o p o s p h e r i cc o r r e c t i o n m o d e li s e x t r e m e l yn e c e s s a r y t h i sp a p e rd i s c u s s e ds e v e r a l a s p e c t s o fz e n i t h d e l a y m o d e l ，p a r a m e t e re s t i m a t i o no fz e n i t hd e l a y , t h es t u d yo fc o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t m a p p i n gf u n c t i o na n dm o d e li m p r o v e m e n t am o u n to fe x p r e m e n t sa n a l y s i sa r ed o n eb y t a k i n gu s eo fg a m i t i na s p e c i f i ca r e a , t h es t u d y 嬲f o l l o w e d ： ， ( 1 ) t h ep a r a m e t e re s t i m a t i o no ft r o p o s p h e r i cz e n i t hd e l a yi sv e r yi m p o r t a n t ，i tc o n s i m u l a t et h et r a n s m i s s i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v et h r o u g ht r o p o s p h e r ea n di n v e r s et ot h e t r o p o s p h e r e ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，t a k i n gap a r a m e t e ra ta ni n t e r v a lo f2 - 4h o u r sw i l lb e f i n e g e n e r a l l y t h em o r ep a r a m e t e r st o o k , t h em o r ee f f e c t i v e n e s so ft h es i m u l a t i o no f t r o p o s p h e r i c r e f r a c t i o n ，b u t t h e r e l i a b l i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h es o l u t i o nw i l lb e d e g r a d e d ，e v e nm a k i n gt h ea p p e r e n c eo fi l l p o s e de q u a t i o n t h el e s sp a r a m e t e r st o o k ，t h el e s s p o s s i b i l i t yo fs i m u l a t i n gt r o p o s p h e r ee f f e c t i v e l y , e v e nn o th a v eac h a n c et og e tt h e h i g h - p r e c i s o nt r o p o s p h e r i cc o r r e c t i o n ( 2 ) m a k ed e t a i l e di n t r o d u c t i o no fg p sd a t e p r o c e s s i n gs o f t w a r e ( g a m i t g l o b k ) ： d e l i c a t e l ye x p a t i a t ei t sw o r k i n ga t m o s p h e r e ，o p e r a t i o nf l o w , a n dr e l a t e dn o t e s ( 3 ) t h ee x p e r i m e n ta n a l y z et h r e et r o p o s p h e r i c - p a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o n d s ，a n dh a s m o r ea c c u r a t es o l u t i o n t h r o u g hm u l t i p a r a m e t e rm e t h o n da n ds e g m e n t a ll i n e a rr a n d o m m e t h o d ，e s p e c i a l l yt h er e p e a t a b i l i t yi nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ( 4 ) w h e nt a k i n gt h ec h o i c eo fd r y ：g m f + w e t ：g m ff r o m t r o p o s p h e r et i m e d e l a y c o r r e c t i o ni nm i d d l el a t i t u d e s ，t h em e a ns q u a r ee r r o ro ft h i si ss m a l l e rt h a no t h e r sc o r r e c t i o n m o d e l s ，s ot h i si st h ep r o p e ro n ei nt h i sa r e aw i t hh i g h e rp r e c i s i o na n db e t t e ra c h i e v e m e n t ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h en e t w o r k i n gd a t aa n a l y s e sf r o ms i xe u r o p e a ni g ss t a t i o n s t h e m r m sv a l u eo fs a a sm o d e li s0 2 0 3 0 a v e r a g e ，t h en r m sv a l u eo fm o d i f i e ds a a s m o d e l ( w y _ o z ，b yc h a n g i n gp a r e m e t e r sf r o ms a a s ) i s0 2 0 0 2 ，s ot h er e s u l tw i l lb em o r e i i c o r r e c t i o n t 柞林理1 ：人学硕十学何论文 目录 、 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 课题研究的背景和意义1 1 3 国内外发展现状3 1 3 1 国内发展现状3 1 4 本文研究的内容、结构6 1 4 1 研究内容6 1 4 2 论文结构6 第2 章g p s 定位原理及误差分析一7 2 1 概述7 2 2 伪距测量8 2 3 载波相位测量。9 2 3 1 载波相位测量原理9 2 3 2 载波相位观测方程9 2 3 3 整周未知数的确定l o 2 4 整周跳变的修复1 2 2 4 1 用高次差或多项式拟合法1 2 2 4 2 用双频观测值修复周跳1 3 2 4 3 根据平差后的残差发现和修复整周跳变1 3 2 5g p s 绝对定位与相对定位1 3 2 5 1 静态绝对定位1 4 2 5 2 相对定位原理1 6 第3 章大气模型的研究2 2 3 1 地球大气简介2 2 3 1 1 大气分层方式2 2 3 1 2 对流层延迟模型算法研究2 4 3 1 3 电离层延迟模型算法研究一3 l 第4 章各种投影函数的分析与数据处理软件的介绍3 3 4 1 投影函数3 3 i v 棒林理一i ：大学硕十学位论文 4 1 1 h o p f i e l d 投影函数3 3 4 1 2s a a s t a m o i n e n 投影函数3 3 4 1 3b l a c k 投影函数3 4 4 1 4m a r i n i 连分投影函数3 4 4 1 5m a r i n i & m u r r a y 投影函数3 5 4 1 6c h a o 投影函数3 5 4 1 7c f a 2 2 投影函数3 5 。4 1 8i f a d i s 投影函数3 6 4 1 9m t t 投影函数3 7 4 1 1 0m f ( n i e l l ) 投影函数3 7 4 1 1 1g m f 模型3 9 4 2g p s 数据处理软件介绍和使用4 0 4 2 1 数据处理软件简介4 0 4 2 2g i p s y 软件4 0 4 2 3b e r n e s e 软件4 l 4 2 4g a m i t g l o b k 软件4 2 第5 章对流层改正模型的算法与研究4 6 5 1 概述4 6 5 2 实验分析4 6 第6 章结论与展望5 9 致谢6 l 参考文献6 2 个人简介6 5 v 棒林理1 ：大! 学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着空间技术的研发与应用，g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位技术也在 不断的发展，它从最初的静态发展到目前的实时动态，而载波相位差分定位技术也经历 了一个由静态到动态，从后数据处理到实时数据处理的飞跃过程。基于传统r t k 技术 作业距离短的问题，网络r t k ( n e t w o r kr e a lt i m ek i n e m a t i c ，n r t k ) 技术应运而生。 目前的网络r t k 技术主要是利用多个基准站的观测值，构建区域模型以减弱甚至消除 电离层、对流层、多路径效应等系统误差的影响。于是网络r t k 也具有了更高的可靠 性和精确度。极大的提高了生产效率并节约了成本，其用途也更为广泛。尽管如此人们 在某些特定区域进行一些特殊的监测还需要更可靠更高的定位精度，于是建立一些特定 区域的模型来消除电离层、对流层误差对提高精度具有非常重要的意义。在上个世纪7 0 年代随着电子科学技术的飞速发展，有许多科学技术都与无线电波有关，而无线电波的 传播都要经过地球的大气层。因此当g p s 卫星信号在经过地球外部的大气层传播至地 面上的g p s 接收机时，无线电信号必定要受到电离层和对流层大气折射的影响。而随 着高度的降低，大气密度的不断增加，其对流层延迟就会逐渐增大。一般在中纬度地区， 天顶方向上9 0 的无线电信号的中性延迟是由干大气成分折射影响而引起的，剩余的 1 0 则是由水汽而引起的。水汽随着季节、地区的多变性，制约了大气折射改正的精度。 在通常情况下对流层延迟在天顶方向约为2 3 米，而当信号传播路径的高度角下降到1 0 度时，对流层延迟将猛增至2 0 , - 一2 5 m 。在g p s 外业测量中，通常都截止高度角低于1 5 度的卫星信号。对流层延迟是由中性大气折射引起的传播延迟误差，与信号频率无关， 不能通过双频来改正，通常都是采用模型来修正。目前用的比较多的模型为：h o p f i e l d 模 型、s a a s t a m o i n e n 模型等，通过这些模型的改正后，g p s 定位精度可在较大程度上得到 改善。由于高精度的g p s 数据处理所用的对流层模型都是基于s a a s t m a o i n e n 模型的，但 该模型作为全球模型，并不是完全适用于每一个区域的对流层延迟，在某些区域甚至会 出现非常大的波动，因此在建立区域g p s 网络时，如何比较好的修证对流层延迟模型， 引入最适合某个区域的对流层延迟模型参数，削弱对流层延迟对区域g p s 网络的影响， 从而提高g p s 的点位精度。 1 2 课题研究的背景和意义 全球定位系统g p s 可在全球范围内向用户提供精密的定位服务( p r e c i s e p o s i t i o n i n gs e r v i c e ，p p s ，特许用户) 和全天候不问断的标准定位服务( s t a n d a r d 梓林理r 人学硕十学位论文 p o s i t i o n i n gs e r v i e e ，s p s ，一般用户) 。这两者都是基于码伪距测量的定位服务，受码伪 距观测噪声的影响，其精度只能达到米级或1 0 米级的定位精度。其中，s p s 精度大约 为1 0 米，在s a 政策实施的情况下，精度就会更低，主要用于粗略导航 6 j 。 而随后出现的差分g p s 技术，特别是载波相位的差分技术的出现将g p s 由1 0 米 级精度提升到厘米级精度，早期的载波相位差分技术由于需要长时间的观测才能获取 多余的观测值进行平差，与标准定位服务( s p s ) 的动态定位相悖，严重影响了该方法的 应用。理论研究表明，在相对定位的过程中，一旦模糊度得到了确定，伪距观测值的 定位精度就会大大提高。1 9 8 5 年瑞莫迪( r e m o n d i ) 开发出了一种快速的差分定位技术， 这种技术极大的改进了载波相位差分技术的静态观测的缺点，它采取了一静一动的双 向观测模式，提高了g p s 的移动性，此种方法也被称为准动态差分定位，但由于束缚 于原始的初始化与卫星锁定的要求，应用起来还是不够便捷。1 9 9 4 年，e d w a r d s 开发 出了实时动态( r e a l t i m e k i n e m a t i c ，r t k ) 定位技术，革新了方法，他提出了流动站和参 考站的概念，因为参考站的固化作用，流动站就可以实时获取参考站的差分信息，从 而进行近于实时的高精度差分定位( 其延迟误差在数秒乃至秒级) 【5 1 。c h e i ld 在1 9 9 5 年提出了模糊度在线解算技术( o nt h ef l y ，o t f ) ，很好的解决了r t k 的一些关键技 术问题，从而保证了g p s 模糊度的实时动态获取，于是达到了真正的实时动态的高精 度定位( 达到厘米级) 。虽然如此，此方法也存在着比较明显的缺陷，因为在设计最初是 为了解决静态转动态的蜕变，主要的技术考虑都在实时性上，而在稳定性及覆盖面上 都没有做更深入的研究，所以只适用于小范围的实时动态的g p s 系统，且由于没有足 够多的多余观测量，该方法存在着一定的粗差，甚至受天气等气象因素的影响也比较 大。 近几年来，随着网络定位技术r t k ( n e t w o r kr t k ) 的发展【3 】，直接采用了该技术 的连续运行参考站( c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n gr e f e r e n c es t a t i o n ，c o r s ) 系统渐渐在国内外 迅速发展，已经成为城市g p s 应用的发展热点之一。c o r s 系统是计算机网络技术、 数字通讯技术、卫星定位技术等高新科技多方位、全天候的结合。该系统主要是基于 空间分布的网络r t k ，并将各个参考站均匀的分布在所需要的城市空间架构上，将整 个城市连结成一个有机整体的网络，通过c o r s 之间的各个组成部分进行相互联动作 业。该技术的产生彻底的改变了g p s 定位技术的应用，也给g p s 的应用带来了前所未 有的巨大革新。因为是网格布设，极大的提高了多余观测量，与此同时也为实时动态 的解算模糊度提供了切实可靠的保障。在较大范围的布网下提供了高精度、长距离、 实时动态、稳定的定位服务。 自从2 0 0 0 年5 月美国开始取消s a 政策以后，大气折射误差和轨道误差成为制 约g p s 精度提高的最主要因素。在利用i g s 提供的精密星历与网络r t k 解算方法可 将轨道误差大大减弱，完全能够满足g p s 精密定位的要求。而利用双频观测值的线性 2 桂林理r 人学硕士学位论文 组合一般可将电离层延迟误差削弱9 5 以上，并且第三民用频道l 5 的开通也必将迸 一步削弱其影响。但对流层延迟误差，虽然通过网络r t k 算法能将其削弱，可是仍然 存在着不可忽略的不确定性：比如水蒸气含量在空间时间上的高度变化性、信号传播 路径上气象条件难以实时获得、大气水平梯度的影响，因时因地的差异大等，因而使 得各种对流层误差模型精度不稳定，难以做到精确化。于是对流层延迟误差是目前制 约g p s 高精度定位的最主要影响因素之，也是目前研究的热点与难点。因此研究对 流层折射误差是十分必要的，这对提高网络r t k 的精度也具有至关重要意义。 另外，空间测量技术不仅对对流层折射提出了新的要求，而且对其他相关领域如 大气探测、卫星技术、地基和空基g p s 气象学等，也都必须需要高精度的对流层折射 的理论和方法1 4 j 。尤其是g p s 气象学，它是通过测量穿过大气层的g p s 信号折射( 减 速或弯曲) 的方法遥测对流层和平流层的变化。它最基本的物理依据是湿度、温度、 气压与电磁波在对流层折射的关系，通过对流层延迟量的反算，能比较准确的估计该 地区上空的温度和可降水量变化等。因此，如何提高对流层延迟误差的解算精度有着 深远而重要的意义。 1 3 国内外发展现状 1 3 1 国内发展现状 对流层是分布在大气的最底层。对流层延迟误差则泛指电磁波信号通过高度在 5 0 k m 以下的中性大气层时所产生的信号延迟误差，属于非弥散性误差也就是与频率无 关的误差。一般情况下使用对流层延迟改正模型可以消除9 5 的对流层延迟误差的影 响。对流层改j 下模型一般情况下由两部分组成即投影函数模型和天顶延迟模型两部分。 普遍采用的天顶延迟模型有b l a c k 模型、s a a s t a m o i n e n 模型和h o p f i e l d 模型等。 s a a s t a m o i n e n 模型的特点主要是将大气分成三个层，第层是将从地面到1 0 k m 左右的 大气估计为对流层，将该层的温度变化确定为线性模型，即6 5 。c k m ；第二层是从对 流层的顶部到7 0 k m 左右的平流层，该层的大气变化很小，所以模型将平流层温度变化 忽略，设定为一个常数；第三层是指7 0 k m 以外的部分。通过大量实验发现，s a a s t a m o i n e n 模型精度要高于h o p f i e l d 模型精度。h o p f i l e d 大气延迟模型的经验参数是建立在1 8 个 i g s 台站的一年不问断观测数据上的，因为数掘的全面性不足，所以在建立模型的时候 经验参数的准确程度出现了相应偏差，于是后面有人建立了改进型的h o p f i l e d 大气延迟 模型对各种经验参数进行了修j 下，使得该模型得到了优化和修正。我们通常讲的b l a c k 模型就可以看作是h o p f i e l d 模型的改化形式【2 】【8 1 。 在无线电探测仪测量大量数据和标准大气模型的基础上，很多学者提出了一系列映 射函数模型：1 9 7 2 年m a r i n i 提出了一种连分式映射函数模型，此模型利用误差函数连 棒林理t 人学硕十学位论文 分式的展开式得出了与高度角有关的经验映射函数，没有明显的物理意义是该模型的主 要局限，并且不能随意的改变来适应不同的季节和地区。在此基础上很多学者做了些改 进，得出了不同的形式，例如c f a 2 2 映射函数、i f a d i s 映射函数、m 撕n i m u r r a y 映 射函数、c h a o 映射函数、n m f 映射函数和m t t 映射函数等等，但都没有在物理概念 和数学理论上进行发展和改善。m t t 、i f a d i s 和n m f 模型精度相对最高，但是需要气 象数据，而n m f 模型则不需要气象数据就能达到很好的精度；c h a o 模型精度虽然不 如前面三种模型，但它不需要任何气象数据，可广泛应用在动态导航定位中。c f a 2 2 映射函数也是比较常用的，它在高度角很低时符合程度较好。e i s n e r 和b l a c k 是1 9 8 4 年 提出的f & k 和b & e 映射函数模型，现在已经被广域增强系统和其他供应商采用【4 1 。 高星伟博士针对大气对g p s 定位影响的分析研究，推荐使用w a a s 投影函数，该模 型的特点是简单、有效、高精度等， 并被欧洲e g n o s ( e u r o p e a ng e o s t a t i o n a r y n a v i g a t i o no v e r l a ys e r v i c e ) 和美国w a a s ( w i d ea r e aa u g m e n t a t i o ns y s t e m ) 推 荐使用。我国的专家也对这方面有比较深入的研究，如杨力介绍了投影函数模型和多 种对流层天项延迟的计算方法，并且通过比较分析得出了一些有益的结论【7 1 。国家天文 台的韩文媛研究员依据折射s n e l l 定律的推导形式，已经把计算折射误差中的转换函数 系统的描述总折射率 t ) 常数或地面折射率( n 0 ) 常数和通过归一化仰角函数，从而给出 了以n t 为先验值或以n o 为先验值的预报公式，比常规积分公式更加简便且精度较 高，可用于i n s a r 或g p s 【l l j 。而殷海涛在假设大气为一致均匀的中性大气和地球为 一规则球体的基础上，用几何割线的方法，提出了一种干延迟映射函数模型。这种模型 形式简洁，仅仅依赖于大气有效高度的变化，不含任何气象元素。经试验表明精度较高， 计算速度较快，可应用于动态导航及定位【2 】。2 0 0 8 年测量与地球物理协会( i g g ) 在维也 纳大学提出了一种基于实时气象元素的对流层映射函数模型v m f l ( t h ev i e n n am a p p i n g f u n c t i o n s ) ，可用于实时导航定位和生成快速i g s 产品【1 5 】。 这些模型或是以地区性的气象模式为基准，或是以地表的气象参数为参照量，涵盖 了大量的观测资料，是经验的总结，并在长期的大地测量的具体实践中达到了令人满意 的结果，而且能消除偶然事件的影响。但是在几个小时到几天的测量中，特定的大气条 件的变化，将引起路径延迟非常大的变化，这些经验模型就不能取得令人满意的结果。 因为这些模型都仅考虑了测站的湿气压、大气压、测站高程、温度以及测站经纬度等因 素，而且测站气象元素并不能非常准确的表征传播路径上的气象条件，因此改正模型也 不能很好的模拟出实际对流层的折射影响，尤其是湿分量的影响。因此为了精确的计算 出湿分量的大小，出现了外部修j 下法和参数估计的方法。 参数估计方法一般包括单参数法、多参数法、分段线性方法、随机过程法和半参数 估计方法。1 9 9 8 年，邵占英对利用分段线性法估算对流层折射偏差的影响进行了研究 j 。中科院研究员葛茂荣等讨论了单参数法、多参数法、分段线性法和随机过程方法， 4 桂林理 i 人学硕十学位论文 并论证了各种方法的实质都是阶高斯马尔可夫过程的特殊情况，并通过大量的实验得 出：单参数估计方法不能反映出对流层折射随时问的变化，具有非常明显的缺陷；而多 参数法、分段线性方法与随机过程法可以显著的提高垂直方向的重复性；分段线性法和 多参数法的结果与参数个数有关，一般情况下取2 至4 小时附加一个参数不仅能保证 解的强度的同时，还能提高天顶方向对流层折射模拟精度【l9 1 。把半参数回归模型引入 到对流层延迟估计是一种新的思想，目前包括国外只有很少数学者对此做了一些初步的 探索，距离成熟应用还需要大量的理论研究和实践探索，比如模型中平滑因子a 的选取 就是一个需要深入探讨的问题。 外部修正法以目前来看较好的方法就是利用水汽辐射计( w v r s )。水汽辐射计 应用两种不同的方法实现湿路径延迟的修正：一种是水汽辐射计指向g p s 卫星方向， 以利于湿路径延迟修正，也减小了内插法误差。另一种是在天空预定的方向上做水汽辐 射计测量，从而实现连续波动曲线的校准，湿路径延迟值则用映射函数沿卫星方向用内 插法求得；外部修正法虽然能达到很高的精度在天顶方向上优于l c m ，但价格很昂贵， 仪器又比较笨重，使用不方便，而且不能全天候观测，因此寻求更好、更新、更节省的 水汽观测方法依然是迫切需要的。 不论是参数估计的方法改j 下还是模型改正对流层延迟都是针对长期固定不变的基 准站而言的。2 0 0 7 年罗海滨提出了加入高程影响因子改进的反距离加权内插法【2 。这 种方法是在常规的反距离加权内插法的基础上，针对拟合模型传给流动站或流动站主要 由基准站观测值生成区域内插进行误差改正。熊永良等提出了若干个含有高程影响因子 的区域拟合模型，并通过s c i g n 实验网分析表明，拟合精度较高，可用于网络r t k 中 流动站对流层的改正( 2 2 】。李成钢博士也提出了一种能自主修正高程偏差的距离相关对 流层网络内插模型( 简称m h d i m ) 2 5 】。张成军等通过分析网络r t k 中流动站和基 准站间基线长度、气象元素、模型差异和高程差异等因素对对流层延迟误差的影响，得 出了气象元素的大小和基线长度等对单差对流层延迟之间存在的线性关系。由流动站和 基准站的对流层模型差异造成的差值与高差之间也存在一定的线性关系，并且利用网络 r t k 内插法只可消除其中大部分误差。这对于利用网络r t k 算法生成流动站的误差改 正数具有重要的参考价值l n 。 这些改j 下模型各有利弊，精度也有差异，一些模型在局部地区符合较好，但距离普 及与推广仍有一定差距，需要大量的实践检验，其理论精度也有待于进一步的提高和改 进。除此之外，在卫星高度角较低的情况下，对流层延迟表现出各自的差异性，即映射 函数随着方位角的变化而不同，这时就需要估计对流层水平梯度的影响，但是到目前为 止，还没有对地区性水平梯度进行定量分析的结果和较成熟的区域性梯度模型。 5 棒林理i ：火学硕 学位论文 1 4 本文研究的内容、结构 1 4 1 研究内容 本文研究的主要内容为对当前各种消除对流层延迟改正的模型进行分析。因为提高 g p s 系统定位精度、准确获得流动站三维坐标的关键是对影响g p s 定位的误差源进行 削弱和准确建模。所以对流层延迟误差，作为影响g p s 系统定位精度提高的主要因素 之一，在高精度定位中必须予以改正。所以本文利用某一地区的i g s 数据进行组网研究， 在l i n x u 系统环境下运行高精度g p s 数据处理软件g a m i t , 分别对不同地区，不同参数 设置，不同映射函数与模型的匹配最后通过比较天定延迟量与n r m s 值得出在某个特 定区域利用模型的修改能使精度进一步提高，并得出一些有益的结论。 1 4 2 论文结构 第一章：绪论，阐明了本文的研究意义，着重分析了对流层延迟误差的特性及国内外 的研究现状及发展趋势，描述了本文的研究目的、内容、及结构安排。 第二章：详细介绍了g p s 定位原理。并着重分析了各种误差来源及其对精确定位 的影响，从而引出了对流层改正的必要性。 第三章：针对各种大气延迟模型( 电离层延迟模型、对流层延迟模型) 从两方面进 行分析比较，得出一些有益于小地区模型建立的结论。 第四章：简单介绍了g p s 数据处理软件，并着重介绍了g a m i t 软件的安装以及应用。 第五章：通过从i g s 站点获得相应的g p s 数掘，组成区域网，分别对已有模型和改进 的模型运用g a m i t 软件进行实验解算，得出一些有益的结论。 第六章：结论与展望。 6 梓林理一i j 火学硕十学位论文 2 1 概述 第2 章g p s 定位原理及误差分析 在大地测量中常用的确定点位的方法是后方交会法。与其类似，卫星激光测距定位 系统、无线电导航定位系统，其定位的原理也是利用测距交会的原理来确定点位。 当前我们所用到的卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位 原理的方法。尽管用于激光测距的卫星是在不停的运动的，但总可以利用固定在地面上 的已知三个点上的卫星激光测距仪来同时测定某一时刻到卫星的空间距离d ，d ，d ，应 用测距交会的原理就能准确的确定该时刻卫星的空间位置。如此一来，就可以确定三颗 以上卫星的空间位置。假如在第四个地面点上( 其坐标是未知的) 还有一台卫星激光测 距仪也同时参与了测定该点至三颗卫星点的空间距离，于是利用所测定的三个空间距离 可以交会出该地面点的坐标。现在如果我们将无线电信号发射台搬到卫星上，就组成了 卫星导航定位系统，应用无线电测距交会原理，便可由三个以上的地面已知点交会出卫 星的位置，反之如果想交会出地面未知点的位置就利用三颗以上卫星的已知空间位置， 这就是g p s 卫星定位的最基本原理【3 0 1 。 测距信号和导航电文是g p s 卫星发射的，导航电文中包含有卫星的位置信息。用 户一般用g p s 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的g p s 卫星信号，解算出测站点p 至三颗以上g p s 卫星的距离并能一向解算出该时刻g p s 卫星的空间坐标。由于g p s 卫 星的运行轨道是分布在2 0 0 0 0 多公里的高空，所以只能在同时间同时测定三个距离才 能精确定位。如果假设在时刻t ，在测站点p 用g p s 接受机同时测出p 点至三颗g p s 卫 星s 。，s2 ，s ，的距离p ，p 2 ，p 3 ，通过g p s 电文得出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标 分别为( x ，y ，z j ) ，j = l ，2 ，3 。用距离交会的方法求解p 点的三维坐标( x ，y z ) 的 观测方程为 3 0 j ： p ；= ( x x 1 ) 2 + ( y y2 ) 2 + ( z z 1 ) 2 p ；= ( x x 2 ) 2 + ( y y 2 ) 2 + ( z z2 ) 2( 2 1 ) p 。2 = ( x x 3 ) 2 + ( 】，一y 3 ) 2 + ( z z 3 ) 2 一般在g p s 定位中，g p s 卫星都是高速运动的卫星，其坐标随时问在快速的变化。 这就需要实时地由g p s 卫星信号测量出测站到卫星之l 日j 的距离，实时地由卫星的导航 电文解算出卫星的坐标值，并对测站点进行精确的定位。根据测距的主要原理，其定位 原理与方法主要有载波相位的测量定位，伪距法定位以及差分g p s 定位等。对于待定 点来i 兑，根据其运动状态可以将g p s 定位分为动态定位和静态定位。静态定位主要是 指针对固定不动的待定点，将g p s 接收机固定在上面，观测数分钟或者更长时间，以 桴林理t 人学硕士学位论文 确定该点的坐标，又称为绝对定位。假如用两台接收机分别安置于两个待定点上，观测 一段时问，就可以确定两个待定点之间的相对位置，称之为相对定位。而通常所指的动 态定位则是指至少有一台接收机处于不断的运动状态，测定的是各观测时刻运动中的接 收机的点位。 利用接收机的载波相位或卫星信号也就是测距码，都可进行静态定位。实际应用中， 为了减弱卫星的卫星钟差、轨道误差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影 响，经常采用载波相位观测值的各种线性组合作为观测值，从而获得两点之间高精度的 g p s 基线向量。 下面我们会详细介绍用测距码进行伪距测量定位的原理，然后研究载波相位测量观 测值的数学模型，重点研究静态相对定位的原理与方法，最后对g p s 差分定位技术和 g p s 动态定位原理进行简单介绍 2 2 伪距测量 伪距法定位是指由g p s 接收机在某一时刻测出的接收机天线所在点到至少4 颗以 上g p s 卫星的伪距以及已知的卫星位置，一般会采用距离交会的方法求定测站点的三 维坐标。伪距就是光速乘以由卫星发射的测距码信息到达g p s 接收机的传播时间所得 出的距离。由于接收机钟、卫星钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层时的时延， 实际测出的距离芦与卫星接收机的几何距离p 有一定的差值，于是一般称测量出的距离 为伪距。而用p 码测量出的伪距称为p 码伪距，同理用c a 码进行测量的伪距称为c a 码伪距。伪距法通常是在一次定位时精度不高，但其优点也比较明显如定位速度快且无 多值性问题等，所以它是g p s 定位系统进行导航的最基本的方法。同时，它所测定的 伪距又可以作为载波相位测量中解决整周数不确定问题的辅助资料。 测距码测定卫星与地面间伪距的基本原理的步骤如