PPP技术及其进展PPT课件

.,1,GPS精密单点定位（PPP）技术及其进展,武汉大学GPS工程研究中心叶世榕,.,2,主要内容,技术发展背景精密单点定位（PPP）概念及原理PPP关键技术PPP应用及其未来发展,.,3,技术发展背景,GPS、GLONASS、GALILEO、北斗卫星定位系统,定位系统发展,GPS24颗工作卫星，三颗备用卫星，分布在六个轨道面上,GLONASS是由俄罗斯开发的全球定位系统，采用频分多值技术,.,4,定位系统发展,GALILEO是由欧盟主持开发的定位系统,GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道高度为23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗工作星和1颗备份星，某颗工作星失效后，备份星将迅速进入工作位置，替代其工作，而失效星将被转移到高于正常轨道300千米的轨道上。,.,5,定位系统发展,北斗卫星定位系统是有中国自主开发的卫星定位系统，目前建成的第一代导航星座由静止卫星组成，第二代卫星导航系统处于研制阶段，设计由9颗中轨卫星、12颗高轨卫星和4颗静止卫星组成，具有全球定位导航能力。,北斗卫星定位系统由北斗定位导航卫星、地面控制中心、北斗用户终端组成,具有快速定位、短报文通信、精密授时功能,优势：同时具备定位与通讯功能，无须其他通讯系统支持,.,6,技术发展背景,定位技术发展,码定位,单点定位,局域差分GPS,.,7,技术发展背景,定位技术发展,广域差分GPS,广域差分GPS技术的基本思想是对GPS的卫星轨道误差、卫星钟差及电离层延迟等主要误差源加以区分，并对每一个误差源分别加以“模型化”，计算其误差修正值，通过数据通讯链传输给用户，对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到削弱这些误差源的影响，改善用户的定位精度的目的（刘经南等，1999）。,误差改正：1）卫星星历误差;2）卫星钟差；3）电离层对GPS信号传播产生的时间延迟。,.,8,技术发展背景,定位技术发展,广域差分GPS,WADGPS系统一般由一个主控站、若干个GPS卫星跟踪站（又称基准站或参考站）、一个差分信号播发站、若干个监控站、相应的数据通信网络和若干个用户站组成。,系统的工作流程:,GPS卫星跟踪站,主控站,数据通讯网络,卫星轨道误差改正、卫星钟差改正及电离层时间延迟改正,用户站,.,9,技术发展背景,定位技术发展,动态相位差分（RTK）,网络RTK定位技术,相位定位方面,静态相对定位,RTK就是实时动态定位的意思，利用GPS载波相位观测值实现厘米级的实时动态定位的就是所谓的GPSRTK技术。,网络RTK就是在一定区域内建立多个（一般为三个或三个以上）坐标为已知的GPS基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息，对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式，又称为多基准站RTK。,.,10,IGS发展概述,GPS一直在地学研究领域尤其是在大地测量领域扮演着一个举足轻重的角色。为了加强国际间GPS地学研究合作应用，IAG于1993年成立了IGS组织，于1994年1月正式运作。,IGS组织主要由全球跟踪站网、数据中心、分析中心和协作分析中心、协调分析中心、中心局及发布中心等几部分组成,分析中心包括NRCan、GFZ、JPL、CODE、ESA、SIO和NGS等七个,.,11,IGS发展概述,.,12,IGS发展概述,.,13,IGS发展概述,.,14,IGS发展概述,.,15,IGS发展概述,.,16,IGS发展概述,c(tr-ts)=+c(tr-ts)+i+t用于定位、定轨和确定地球动力学参数.c(tr-ts)用于时间同步和确定卫星钟差,i,电离层延迟t,对流层延迟.,.,17,IGS发展概述,.,18,IGS发展概述,.,19,IGS发展概述,.,20,IGS发展概述,空基GPS大气探测,.,21,精密单点定位概念及原理,精密单点定位发展,精密单点定位是早在20世纪70年代美国子午卫星时代针对Doppler精密单点定位提出的概念。,利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以分米级的精度进行实时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一导航定位方法称为精密单点定位（PrecisePointPositioning），简称为（PPP）。,.,22,精密单点定位概念及原理,精密单点定位发展,.,23,精密单点定位概念及原理,非差精密定位数学模型,非差观测值方程,是接收机记录的采样时刻；是时刻测站i本机振荡相位；是时刻测站i接收到卫星j的载波相位；是时刻测站i卫星j的整周模糊度；是时刻测站i卫星j的观测噪声。,GPS接收机量测的相位观测值是接收到的卫星信号相位与接收机本机振荡相位之差。,.,24,精密单点定位概念及原理,非差精密定位数学模型,假定卫星和接收机振荡器时刻的相位分别为和，那么根据频率与相位之间的积分关系，即频率的时间积分值为相位变化值，任意时刻的卫星信号和接收机信号的相位可以表示为：,.,25,精密单点定位概念及原理,非差精密定位数学模型,假设为的基准频率，为t时刻的频率抖动，则根据相位、频率和时间的相互关系：,由相位、钟差与频率积分的关系，相位偏差为频率抖动的时间积分，而相位偏差又等同于钟差与基准频率的乘积,非差观测方程：,.,26,精密单点定位概念及原理,非差精密定位数学模型,由于卫星和接收机信号的初始相位及由初始钟差引起的误差与模糊度不可分离，将它们并入模糊度参数：,最终的GPS非差相位观测值方程：,类似的，伪距观测方程：,.,27,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（1）和接收机、测站有关误差,接收机钟差,一项是其对计算卫星坐标的影响，假设卫星运动速度为4km，此项影响如表所示,另一项是其导致计算卫星与测站之间几何距离产生误差,.,28,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（1）和接收机、测站有关误差,接收机天线相位偏差,在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心为准的。理论上，天线的相位中心与其几何中心应保持一致。而实际上，天线的相位中心随着卫星信号输入的强度与方向的不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置与理论上的相位中心有所不同，两者的偏差值可达数毫米到数厘米。,.,29,精密单点定位中的误差处理,固体潮改正,摄动天体（月球、太阳）对弹性地球的引力作用，使地球表面产生周期性的涨落，称为固体潮现象。它使地球在地心与摄动天体的连线方向上拉长，与连线垂直方向上趋于扁平。,长期偏移、日周期、半日周期项。,日平滑后残余影响在径向仍可达12cm，在水平方向可达5cm（Heroux，2001）,.,30,精密单点定位中的误差处理,大洋负荷改正,大洋负荷潮产生的原因是由于潮汐的周期性涨落。大洋负荷潮影响与固体潮影响类似，也主要由日周期和半日周期项组成，但是它的影响比固体潮的小一量级。对于单历元定位，其影响约为5cm。对于24小时的静态定位结果其影响为mm级（Heroux，2001）。如果测站离海岸很远（1000km），其影响可忽略不计。,.,31,精密单点定位中的误差处理,地球自转改正,由于地固系是非惯性坐标系，它随地球的自转而旋转变化，卫星信号发射时刻和接收机信号接收时刻所对应的地固系是不同的。因此，在地固系中计算卫星到接收机的几何距离时，必须考虑此影响。假设测站坐标为（、），卫星坐标为（、），为地球自转角速度，C为真空中光速，则由地球旋转引起距离改正为：,对卫星坐标的改正公式为：,.,32,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（2）和卫星有关误差,卫星钟差,一是由卫星钟差引起的卫星坐标计算误差，与接收机钟差相同，只要保证卫星钟差不大于1s，这项影响就可以不考虑,另一项是由卫星钟差引起的几何距离计算误差，由于不同卫星的钟差均不一致，在非差定位中不能象接收机钟差那样当作未知数处理，必须事先估计其大小，然后代入观测方程，消除其影响。厘米级精度的精密单点定位要求卫星钟差的改正精度达到亚纳秒级。因此，在实时非差相位精密单点定位中，确定卫星钟差是一项非常重要的工作。,.,33,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（2）和卫星有关误差,卫星轨道误差,天线相位偏差,由于IGS精密星历和卫星钟差也是相应于卫星质量中心。但是，观测值是接收机天线相位中心和卫星天线相位中心。必须顾及卫星天线质量中心和相位中心之间的偏差。,.,34,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（2）和卫星有关误差,相对论效应,相对论效应是由于卫星钟和接收机钟所处的状态（运动速度和重力位）不同而引起的卫星钟和接收机钟之间产生相对钟误差现象。GPS的卫星钟比地面钟走地快，每秒约差0.45毫秒。消除这影响的方法是将GPS卫星钟的标准频率减小约0.0045MHz。但由于地球的运动和卫星轨道高度的变化，以及地球重力场的变化，相对论的影响并非常数，经过上述改正后仍有残差，这部分影响可用如下公式改正（Heroux，2001）：,.,35,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（2）和信号传播有关误差,对流层延迟,在天顶方向大约为2.3m，在高度角10度时可达20m。,常见的确定对流层延迟改正的有Hopfield模型、Saastamoinen模型等。而投影函数有Marini(1972)、Chao(1972)、Davis(1985)及Niell（1996）等模型。,.,36,精密单点定位中的误差处理,GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信号有关三类,（2）和信号传播有关误差,电离层延迟,由于一阶项电离层影响与电磁波频率平方成反比的性质，可以利用GPS双频观测值消除电离层影响,利用双频观测值消除一阶项电离层影响后，剩余的高阶项影响大约为24cm。,.,37,精密单点定位中的误差处理,（2）和信号传播有关误差,多路径效应,消除多路径的影响可以采用硬件和软件两种方法。硬件方法是采用抑制天线、相控阵列天线等技术，而软件方法有半参数法JIA,2000、小波分析法夏林元，2001等。,.,38,精密单点定位数学模型,观测值误差方程：,线性化：,待估计参数：,.,39,精密单点定位数学模型,估计参数随机模型：,利用上述推导的观测模型，即可采用卡尔曼滤波的方法进行非差精密单点定位计算，在解算时，位置参数在静态情况下可以作为常未知数处理；在未发生周跳或修复周跳的情况下，整周未知数当作常数处理，在发生周跳的情况下，整周未知数当作一个新的常数参数进行处理；由于接收机钟较不稳定，且存在着明显的随机抖动，因此将接收机钟差参数当作白噪声处理；而对流层影响变化较为平缓，可以先利用Saastamonen或其他模型改正，再利用随机游走的方法估计其残余影响。,.,40,精密单点定位与RTK比较,精密单点定位采用非差观测值模型，可用观测值多，保留了所有观测信息；能直接得到测站坐标；不同测站的观测值不相关，显然误差也不相关，测站与测站之间无距离限制,其不利之处是未知参数多；无法采用站间或星间差分的方法消除误差影响，必须利用完善的改正模型加以改正。整周未知数不具有整数特性。,RTK采用双差模型观测模型，其重要优点是消除卫星钟差、接收机钟差的影响。对于短基线情况，可以进一步消除电离层和对流层延迟的影响，整周未知数具有整数特性。缺点是观测值减少且相关必须至少在一个已知站上进行同步观测才能求解测站坐标。,.,41,精密单点定位优缺点：,优点：处理非差伪距和相位观测值估计位置、接收机钟差、对流层延迟历元支持静态和动态定位支持全球定位与坐标框架直接联系无需基准站支持即可实现厘米级到分米级定位提高效益，降低成本挑战卫星星历和钟差的可用性问题相位模糊度收敛问题,.,42,精密单点定位关键技术,非差GPS数据预处理,Melbourne-Wbbena组合观测值消除了电离层、对流层、钟差和计算的几何观测值等因素的影响,而且具有较长的波长（约为86cm），较小的量测噪声等特点，因此适合用于非差周跳的探测和修复。,利用Melbourne-Wbbena组合进行野值点剔除、周跳的探测和修复及估计宽巷整周模糊度初值,.,43,精密单点定位关键技术,非差GPS数据预处理,Iono_Free组合观测值消除了几何距离、对流层、电离层等影响，只包含噪声的影响。其缺点是噪声被明显放大（为P1码噪声的3倍），但是利用这种组合可以用来检测由于接收机本身的系统误差所引起的粗差，剔除Melbourne-Wbbena组合中没有剔除掉的质量较差的观测值。,利用Iono_Free组合观测值进行野值点剔除,.,44,精密单点定位关键技术,非差GPS数据预处理,此组合观测值和接收机与卫星之间几何距离无关，即其不受历元间观测几何图形的影响，并且消除了接收机钟差、卫星钟差及对流层等所有与频率无关的误差的影响，仅包含电离层影响和整周模糊度项及有频率相关的观测噪声。,利用Geomtry_Free组合观测值进行野值剔除、周跳探测和修复,.,45,精密单点定位关键技术,非差GPS数据预处理,初步估计Geomtry_Free组合的整周模糊度,相位平滑伪距,.,46,精密单点定位关键技术,非差GPS数据预处理,.,47,精密单点定位关键技术,卫星相对钟差估计问题,由于精密单点定位采用非差定位模式，不能使用站间差分方法消除卫星钟差影响，而必须利用事先估计出的亚纳秒级的卫星钟差代入到观测方程中以消除其影响。,广播星历提供的卫星钟差精度只能达到几十纳秒，无法满足其要求。,利用若干个分布均匀的IGS跟踪站的非差相位观测值与精密卫星星历一起估计精密卫星相对钟差,广播星历提供的卫星钟差精度只能达到几十纳秒，无法满足其要求。,.,48,精密单点定位关键技术,卫星相对钟差模型,.,49,精密单点定位关键技术,卫星钟差估计的基准钟问题,由于法方程是奇异的，为了能够求解钟差参数，必须引入一个基准钟，求其他接收机钟和卫星钟相对于基准钟的钟差。引入基准钟的方法有两种：(1)利用所用跟踪网络的所有钟定义一个虚拟基准钟，基准钟由所有的钟共同维持。（2）利用跟踪网络中的一个接收机钟作为基准钟。,.,50,精密单点定位关键技术,精密单点定位中的基准统一问题,大地测量基准IERS、ITRF,为什么要基准统一？,精密星历差异性,不同分析中心提供的卫星坐标在X方向上的差异,.,51,精密单点定位关键技术,不同分析中心提供的卫星坐标在Y方向上的差异,.,52,精密单点定位关键技术,不同分析中心提供的卫星坐标在Z方向上的差异,.,53,精密单点定位关键技术,不同分析中心提供的卫星钟差差异,.,54,精密单点定位关键技术,两种星历在X、Y、Z方向均存在非线性的差异，X方向的最大差异值为6cm，在Y方向的最大差异值为5.5cm，在Z方向最大差异值为5.8cm，卫星钟差差异较大，最大差值达3.5纳秒,卫星轨道参数和卫星钟差基准的统一,卫星轨道参数和IGS跟踪站坐标基准的统一,.,55,精密单点定位结果分析,静态定位结果,.,56,精密单点定位结果分析,动态定位结果,RMS:法向(19.5cm);切向(19.9cm);径向(39.2cm)。,.,57,精密单点定位应用,按应用领域分,高精度静态框架点测量,低轨卫星定轨,国土资源调查与勘探,GIS数据采集与更新,航空摄影测量,按时间延迟分,实时与事后精密单点定位,.,58