GNSS测量新技术与数据处理方法第四讲

GNSS测量新技术

与数据处理方法主讲人：黄劲松武汉大学测绘学院2015年10月第四篇

精密单点定位技术及其应用主讲人：黄劲松2015年10月精密单点定位技术及其应用1.PPP技术原理2.PPP软件及应用精密单点定位技术及其应用1.PPP技术原理2.PPP软件及应用主要内容一、GPS精密定位技术二、IGS组织及其产品三、精密单点定位技术原理四、PPP技术发展及应用现状一、GPS精密定位技术GPS精密定位技术GPS定位主要误差源轨道误差卫星和接收机钟差大气延迟误差(对流层,电离层)卫星和接收硬件延迟…消除或削弱误差的策略：求差双差相对定位差分改正大地定位要求高精度!差分GPS定位方法差分GPS定位方法局域差分GPSDGPS(基于伪距)RTK(基于相位)NetworkRTK(局域，基于相位）广域差分GPS(基于伪距)地基星基差分GPS定位方法RTK至少两台GPS接收机需要有精确坐标的已知点需要同步观测求双差相对定位厘米级局限性至少需要两台GPS接收机作用距离有限(<15km)增加了用户作业成本差分GPS定位方法网络RTKGPS基准站网(间距几十公里)基准站坐标精确已知生成综合差分改正数流动用户利用综合差分改正数进行高精度定位相对定位厘米级精度限制作用距离依然有限(<几十公里)增加了用户作业成本差分GPS定位方法广域差分GPSGPS基准站网(数百公里或数千公里间距)生成分类差分改正数(轨道,卫星钟,电离层)用户利用差分改正数提高削弱定位误差单机定位（用户端）在网内不受作用距离限制米级精度限制精度偏低（米级）定位限于网覆盖范围差分GPS定位方法地基增强系统(LBAS)向用户播发码差分改正数提高GPS用户的定位精度和完好性限制米级精度定位限于网覆盖范围差分GPS定位方法星基增强系统(SBAS)二、IGS组织及其产品IGS组织介绍InternationalGNSSService(IGS)http://InternationalGPSService非官方的国际联盟组织全球200多个机构共享数据资源基于全球永久性的GPS&GLONASS跟踪站数据确定精密GPS&GLONASS等的数据产品IGSisthehighest-precisioninternationalcivilianGPScommunity.IGS组织的构成BriefdescriptionsoftheIGSComponentsStation-OperatingAgenciesManagetheIGSstationsaccordingtotheIGSSiteGuidelinesandtransmitthedatatoIGSDataCentersAnalysisCenters(ACs)analyzetheIGSstationdatatoformsubmissionstoIGSproductssuchasorbits,clocks,andstationpositionsAnalysisCenterCoordinator(ACC)CombinestheACs'submissionstoformthe"classic"IGSproductsOtherProductCoordinatorsCombineACsubmissionstoformspecializedIGSproductssuchastimescale,referenceframe,oratmosphericproducts.DataCenters(DCs)ArchiveandprovideopenaccesstoIGSDataandproducts

AssociateAnalysisCenters(AACs)Producespecializedorderivedproducts,suchasionosphericortroposphericproducts,regionalposition/velocityproducts,orglobalcoordinate/velocitycovarianceinformation.CentralBureau(CB)Overallcoordinationandday-to-daymanagementoftheIGS,andthisinformationsystemAssociateMembersPersonsatcontributingorganizationswhospendthemajorityoftheirtimeonworkthatcontributestotheIGS.TheassociatemembersaretheIGS'electorate.GoverningBoard(GB)TheinternationalbodywhichsetspolicyanddirectionfortheIGS.Somepositionsareelectedandothersareappointed.PilotProjects(PPs)AimatdevelopinganewproductusingdatafromtheIGSnetworkWorkingGroups(WGs)WorkonaparticulartopicrelatedtotheIGScomponentsContributingOrganizationsAnyagencyfulfillingatleastoneoftherolesaboveIGS全球跟踪站网336activestationsasof28Feb2008

TheIGSTrackingNetwork:IGS05ReferenceFramesitesGPS/GLONASSstationsRecentlyactivehighrate/lowlatencyLEOsitesIGS站IGS的全球跟踪站已达330多个我国的IGS站上海、武汉、拉萨、乌鲁木齐、北京、昆明和西安站IGS分析中心CenterforOrbitDeterminationinEurope,AIUB,Switzerland:CODEEuropeanSpaceOperationsCenter,ESA,Germany:ESOCGeoForschungsZentrum,Germany:GFZJetPropulsionLaboratory,USA:JPLNationalOceanicandAtmosphericAdministration/NGS,USA:NOAANaturalResourcesCanada,Canada:NRCanScrippsInstitutionofOceanography,USA:SIOU.S.NavalObservatory,USA:USNOMassachusettsInstituteofTechnology,USA:MITGeodeticObservatoryPecny,CzechRepublic:GOP-RIGTCWuhanUniversity,China WHUIGS提供的产品GPSsatelliteephemerides(GPS卫星星历)GLONASSsatelliteephemerides(GLONASS星历)Earthrotationparameters(地球自转参数)IGStrackingstationcoordinatesandvelocities(站坐标和速度)GPSsatelliteandIGStrackingstationclockinformation(卫星钟和跟踪站原子钟信息)Zenithtroposphericpathdelayestimates(天顶对流层延迟参数)Globalionosphericmaps(全球电离层变化图)星历类型精度延迟时间更新率采样间隔广播星历～100cm/~5ns实时－－－－预报星历(P)~5cm/~3ns实时一天四次15m预报星历(O)3cm/~0.15ns3~9小时一天四次15m快速星历～2.5cm/0.075ns17~41小时每天一次15m/5m事后星历～2.5cm/0.075ns12～18天每周发布15m/5m/30s不同IGS星历及钟差产品的精度精密星历和全球站数据的获取地址精密星历和全球站的获取地址：ftp://

或精密星历igs****#.sp3：事后精密星历（延迟13天）；igr****#.sp3：快速精密星历（延迟17小时）；igu****#.sp3(igp****#.sp3):实时＋预报精密星历；igs****#.sum:卫星状态数据。其中：****为GPS周；从1980年1月6日子夜零点(UTC)起算#为星期日的序号（如0，1，2，3，4，5，6）三、精密单点定位(PPP)SA关闭前后单点定位精度对比(FromtheUSSpaceCommand(IGEB,2000))1

PPP技术产生的技术背景相位定位中误差与距离的相关性卫星轨道误差电离层误差对流层误差多路径误差1

PPP技术产生的技术背景1

PPP技术产生的技术背景全球GPS连续运行跟踪站网的发展连续运行跟踪站网加密IGS跟踪站网(全球范围)商业GPS跟踪站网(全球范围)地区GPS跟踪站网

IGS精密轨道和钟差产品IGS精密产品卫星轨道卫星钟全球电离层产品ZPD卫星硬件延迟改正IGS卫星轨道和钟差产品精度不断提高获取来源IGS其它商业机构提供1

PPP技术产生的技术背景GPS相对定位1

PPP技术产生的技术背景2精密单点定位概念精密单点定位(PPP-PrecisePointPositioning)指得是利用单台接收机的载波相位观测值和伪距观测值以及IGS等组织提供的高精度的卫星星历及卫星钟差来进行高精度单点定位的方法。3精密单点定位数学模型传统模型双频码观测值无电离层组合观测方程双频载波相位观测值无电离层组合观测方程UofC

模型半和改正观测方程（两个频率）双频载波相位观测值无电离层组合观测方程3精密单点定位数学模型伪距观测方程相位观测方程精密单点定位采用的观测值线性化待估参数:静态条件:动态条件:4、PPP误差改正模型卫星姿态卫星正常姿态地影内姿态用于卫星天线相位中心偏差改正相位缠绕改正卫星硬件延迟不同类型的码观测值之间IGS发布4、PPP误差改正模型电离层延迟误差（无电离层组合或ION产品）对流层延迟误差模型改正(Saas.)估计ZPD估计水平梯度接收机端硬件延迟(星间单差/浮点解)接收机天线端误差天线相位中心偏差和天线相位中心变化(模型)负荷潮汐固体潮大洋负荷潮极潮...4.1相对论效应改正卫星钟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卫星钟比地面钟走的快，每秒约差0.45毫秒。为了保持地面接收到的信号频率与GPS系统设计的信号频率一致，在卫星发射之前人为将GPS卫星钟的标准频率减小约0.0045MHz。但由于GPS卫星轨道并非圆轨道，且卫星所在位置受到的地球重力场影响也不同，相对论效应对卫星钟频率的影响并非常数，经过上述改正后仍有残余。4.2卫星天线相位中心改正卫星系列星固系下卫星天线相位中心偏差（米）XYZBlockII/IIA0.2790.0001.023BlockIIR/IIF0.0000.0000.0004.3相位缠绕改正GPS卫星发射的是右旋极化（RCP）的电磁波信号，接收机观测到的相位值依赖于卫星天线与接收机天线间的相互方位关系。接收机天线或卫星天线绕极化轴向的旋转会改变相位观测值，最大可达一周（天线旋转一周）。这个效应就称为“相位缠绕”4.4精密星历—卫星钟误差4.5精密星历--轨道误差4.6地球固体潮汐改正摄动天体（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。固体潮改正在径向可达30cm，水平方向可达5cm。固体潮包括与纬度有关的长期偏移项和主要由日周期和半日周期组成的周期项。IGS武汉站一天内的固体潮在三个分量的变化（2005年3月18日）地球固体潮汐日变化EarthtidedisplacementsatThreestationsinGreenland(Verticalcomponent;date:Dec.31.1998)4.7海洋负荷潮汐改正海洋负荷潮是由海洋潮汐的周期性涨落所引起。海洋负荷潮与地球固体潮类似，也主要由日周期和半日周期项组成，但海洋负荷潮的数值要比地球固体潮的数值小一个数量级，且前者没有长期项部分。4.8天顶对流层参数估计对流层延迟影响通常表示为天顶方向的对流层延迟量和同高度角相关的投影函数M的乘积。90%的对流层延迟是由大气中干燥气体所引起的，称为干分量延迟；其余10%是由水汽所引起的，称为湿分量延迟。因此，对流层延迟可用天顶方向的干、湿分量延迟及其相应的投影函数表示：4.9电离层延迟误差改正在精密单点定位的数据处理中，为消除电离层影响，通常利用双频观测值分别组成P1与P2和L1与L2的线性组合观测值4.10模型、改正和解算策略精密单点定位中使用IGS的精密星历和钟差产品，且进行强制约束，在定位处理过程中需尽量保持使用的模型，观测值的加权策略，及相应协议与IGS数据处理分析中心所使用的一致。5、精密单点定位的技术难点非差相位的周跳探测；正确处理各项改正；参数的估计方法；参数太多参数的个数动态变化ZPD的估计方法；定位解算的收敛时间；软件的稳健性，容错性，可靠性；6、精密单点定位的技术特点单机定位非差模型载波相位定位精度高不受作用距离限制7、PPP的技术优势工作范围全球绝对定位单机作业无需用户设置基准站载波相位定位精度高点位精度均匀节约用户成本作业机动灵活应用领域广泛8、PPP和高精度相对定位比较PPP定位损失了点位之间的相关性信息相对定位随着测站数目的增加，计算量增加与网解相对定位相比，法方程维数小，计算量小，PPP计算效率高PPP和相对定位精度相当.9、PPP应用自然灾害预警地震海啸火山大气探测气象学空间物理时间传递低轨卫星精密定轨9、PPP应用地面测量静态定位车载移动测量航空测量航空重力测量航空摄影测量，机载激光雷达测量特别适合于偏远地区和困难地区作业海洋测绘海上定位，水下地形测量,海洋大地测量特别适合于远海（深海）作业四、精密单点定位发展及应用现状精密单点定位发展及应用现状1997年，美国喷气推进实验室（JPL）的研究人员Zumberge等提出了利用GIPSY软件和IGS精密星历，同时利用一个GPS跟踪网的数据确定5秒间隔的卫星钟差，在单站定位方程式中，只估计测站对流层参数、接收机钟差和测站3维坐标的精密单点定位研究思路，进行了实验，取得了24小时连续静态定位精度达1-2cm、事后单历元动态定位精度达2.3-3.5dm的试验结果，用实测数据证明了利用非差相位观测值进行精密单点定位是完全可行的（Zumbeger，1997）。NRCan的Heroux等人也研究了非差精密单点定位方法，他们处理长时间静态观测数据的结果精度也达到厘米级（Heroux等,2001）。德国科学院地学研究中心（GFZ）和加拿大的大地测量局（GSD）也开发了相应的精密单点定位软件系统，取得了同样精度的静态和动态定位结果。精密单点定位发展及应用现状美国OSU的Han等人也进行过类似的研究，在固定卫星精密轨道的基础上，利用IGS站的观测资料先估计出GPS卫星的钟差，然后再利用估计出的精密钟差及已有的精密卫星轨道求解测站的绝对位置坐标。Calgary大学的高扬博士先后带领了数名博士和硕士对精密单点定位的理论和算法进行深入研究，并开发了相应的精密单点定位解算软件。著名的GPS数据处理软件BERNESE4.2版本中也增加了用非差相位观测值进行精密单点定位处理的功能（U.Hugentobler等,2001）。精密单点动态定位研究方面，JPL的Muellerschoen等人提出了全球实时精密单点定位技术。实验结果表明，在全球范围内可望实现水平方向定位精度为10~20cm的实时动态精密单点定位（Muellerschoen等，2000）。精密单点定位发展及应用现状NavCom的Hatch提出了利用JPL实时定轨软件RTG实现全球RTK（GLOBALRTK）计划，通过因特网和地球静止通信卫星向全球用户发送精密星历和精密卫星钟差修正数据，利用这些修正数据，实现2-4dm的实时动态定位精度，事后静态定位精度可达2-4cm（Hatch，2001）。2007年前后，国外已有数家公司推出了精密单点定位的数据处理软件，主要包括：GrafNav7.8版本在原来差分定位的基础上增加了精密单点定位的解算模块；加拿大APPLANiX

公司推出了POSPacAIR软件，也具有精密单点定位的能力；挪威TerraTec公司推出的TerraPOS软件，也是基于精密单点定位模式开发出的动态定位软件，瑞士Leica公式也推出了自己的精密动态单点定位软件IPASPPP。精密单点定位发展及应用现状国内GPS非差相位精密单点定位的研究起步虽然稍晚，但目前的研究应用却与国际当前水平相当。2000年，上海天文台在《测绘学报》上发表文章，阐述了他们应用JPL的GIPSY软件进行了类似精密单点定位原理的小区域网站的静态定位试验，数据处理结果表明也可达到cm级定位精度。武汉大学的叶世榕博士对非差相位精密单点定位技术进行了较为深入的研究，并以此为主要内容完成其博士论文。武汉大学的张小红等经过数年对GPS精密单点定位理论与方法的深入研究，在国内率先开发出了高精度的精密单点定位数据处理商业化软件TriP。香港理工大学的陈武博士等也对精密单点定位技术进行了研究，并将其应用于GPS浮标来监测海面变化。此外，上海同济大学，中科院测量与地球物理研究所等机构也开展了精密单点定位的研究工作，取得了一定得研究成果。精密单点定位发展及应用现状最近几年，在上述双频精密单点定位研究成果的基础上，已有不少学者开始研究单频精密单点定位的模型、算法，并拓展其应用。加拿大Calgary大学的高扬博士对单频精密单点定位进行了一定的研究，取得了一些试验结果；荷兰的A.Q.Le和C.Tiberius利用单频接收机取得了水平0.5m，高程1m精度的单频精密单点定位试验结果（A.Q.Le和C.Tiberius，2007）；武汉大学的邰贺硕士对单频精密单点定位进行了较为深入的研究，取得了米级精度的事后单频精密单点定位的试验结果（2007）。总体来讲目前单频精密单点定位还有若干关键问题没有很好的解决，其研究与应用还不太成熟。精密单点定位技术及其应用2.PPP软件及应用1.PPP技术原理主要内容1精密单点定位软件2精密单点定位用实例和精度分析3精密单点定位应用注意事项国内外GPS数据处理软件及网络数据处理软件介绍精密单点定位软件武汉大学：TriPCalgaryUniversity:P3GrafNav7.8版本在原来差分定位的基础上增加了精密单点定位的解算模块;加拿大APPLANiX

公司推出了POSPacAIR软件;挪威TerraTec公司推出的TerraPOS软件;瑞士Leica公式也推出了自己的精密动态单点定位软件IPASPPP著名的GPS数据处理软件BERNESE5.0版本中增加了PPP定位模块TriP软件介绍开发团队：武汉大学张小红教授团队开发平台：VC6.0；系统配置CPU：奔腾41.8GHz以上；内存：512M以上。操作系统可运行在MicrosoftWindows的各个版本下，包括Windows98、WindowsMe、Windows2000、WindowsXP等平台

主要模块数据预处理静态定位动态定位残差显示分析报告生成TriP

功能特征及技术指标双频非差相位处理技术；后处理模式/实时处理模式；残差分析功能；数据处理的高度智能化；界面友好；操作简单，无需人工干预；静态定位精度：mm~cm；动态定位精度：cm~dm；主要的GPS数据网络处理服务AUSPOShttp://.au/bin/gps.pl

（Bernese）AutoGIPSYhttp:///ag/(GIPSY)SOPAChttp:///processing/（Gamit)NRCanhttp://www.geod.nrcan.gc.ca/online_data_e.phpOnline

Positioning

User

Service(OPUS)http:///OPUS/数据网络处理服务基本流程观测数据FTP网上数据处理中心处理结果E—mail用户TheHeightoftheAntennaReferencePoint(ARP)inmetersaboveyourmarkmustbeentered.AUSPOS网络服务介绍AUSPOS网络数据处理登入AUSPOS网站第一步，选择需要处理的RINEX格式文件选择以何种方式将数据传输到处理中心ftp方式-从你的FTP服务器获取数据直接上传-利用Internet浏览器传输数据第二步，输入RINEX数据信息-每个RINEX文件重复相同操作文件传输FTP方式：输入RINEX文件的URL，如.au/pub/site0010.00o.Z.用户可以输入用户名和登入密码（缺省为匿名登入）比如用户名：passwd@.au/pub/site0010.00o.Z.注意用“:”分隔用户名和密码，用@分隔密码和URL地址AUSPOS网络数据处理直接上传-点击浏览按钮，选择需要上传的RINEX文件输入GPS天线高，注意输入的天线高为地面标志点到天线参考点(APR)的垂直距离从天线类型列表选择对应的天线类型。如果你不能确定你所使用的天线类型，或者你的天线类型不在列表中，就用缺省设置。第三步，输入你的EMAIL联系地址-如user@.au第四步，完成上述步骤后，点击提交“Submit”按钮点击Startover(传输下一个)，清除当前信息，系统产生一个新的窗口，该窗口包含你所需处理工作的相关信息，这个窗口可以在任何时候关闭，不会影响你的网上处理过程。处理反馈Dear***@,ThankyouforusingtheAUSPOSService(version1.01.25).AreportofyourGPSprocessing,jobnumber#180466,isattachedtothismessage.Anadditionalcopyofthisreportcanalsobefound,forashorttimeonly,at:

.au/sgac/wwwgps/gps180466.pdfThisreportcanbeviewedusingAdobeAcrobatReaderv4.0,formoreinformationsee:

http:///products/acrobat/readstep.htmlTheAUSPOShomewebpagecanbefoundat:

http://.au/geodesy/sgc/wwwgps/Wewelcomeyourinput,butpleasedon'tusethereplyfacilityofyouremailtoreplytothismessage.AnyqueriesorsuggestionsregardingtheAUSPOSGPSProcessingServiceshouldbeaddressedto:

mailto:geodesy@.auAgainthankyouforusingourGPSProcessingService.ProjectManager--AUSPOSOnlineGPSProcessingServiceAttachments:GPSProcessingReport数据处理结果分析Tovalidateyoursolutionyoushouldcheckthe:i.AntennaReferencePoint(ARP)toGroundMarkrecords;ii.AprioriCoordinateUpdates(validrangeis0.000-15.000m);iii.CoordinatePrecision(validrangeis0.001-0.025m);iv.RootMeanSquare(RMS)(validrangeis0.0005-0.0250m);v.%ObservationsDeleted(validrangeis0-25)%;GPS数据网络处理服务注意事项TheAUSPOSOnlineGPSProcessingServiceisafreeserviceandyouareencouragedtouseitforyourprojects.However,youmaynotchargeothersforthisservice.GeoscienceAustraliadoesnotwarrantthatthisservice

a)iserrorfree;b)meetsthecustomer'srequirements.

GeoscienceAustraliashallnotbeliabletothecustomerinrespectofanyloss,damageorinjury(includingconsequentialloss,damageorinjury)howevercaused,whichmayarisedirectlyorindirectlyinrespectofthisservice.CSRS-PPP网络服务介绍CSRS-PPP早期的GPSPPP反馈邮件ResultsofyourCSRS-PPPprocessingcanbedownloadedbyclickingonthefollowinglink:http://luna.geod.nrcan.gc.ca/ppp_data/20070806_0029_wuhn077l/20070806_0029_wuhn077l_full_output.zipURLtoPDFsummaryfile:http://luna.geod.nrcan.gc.ca/ppp_data/20070806_0029_wuhn077l/wuhn077l.pdfURLtofileofobservationsresidualandsatellitesazimuthandelevation:http://luna.geod.nrcan.gc.ca/ppp_data/20070806_0029_wuhn077l/wuhn077l_res.zipTheestimatedcoordinates/standarddeviationsforthewuhn077l.05oRINEXfileareasfollow:Latitude(ITRF00):303153.9490(dms)/0.179(m)Longitude(ITRF00):1142126.1456(dms)/0.251(m)EllipsoidalHeight(ITRF00):28.207(m)/0.495(m)OrthometricHeightCGVD28(HTv2.0):_NOT_DEFINED_SoftwareVersion:1.04246精密单点定位应用注意事项目前要求使用双频接收机精密星历和精密钟差的使用观测连续，信号不宜所有卫星一起中断保证足够的观测时间（满足精度要求下）利用快速精密星历进行数据预处理，保证观测数据质量根据需要可以采用灵活的作业方式；采样率，高度角，天线高数据处理质量控制与分析定位结果的框架和历元转换From:http://www.geod.nrcan.gc.ca/index_e/products_e/services_e/static_e.html1、PPP定位收敛速度1、PPP定位收敛速度From:http://www.geod.nrcan.gc.ca/index_e/products_e/services_e/static_e.html1、PPP定位收敛速度2、天线高计算ARP:AntennaReferencePointBGP:BottomedgeofantennaGroundPlane斜高：S垂高：H=A+B2、天线高计算3、ITRFITRF是ITRS的具体实现，是由IERS(InternationalEarthRotationService)中心局IERSCB利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度场。IERS中心局每年将全球站的观测数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录的形式发布。自1988年起，IERS已经发布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000等全球参考框架。ITRF是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。框架之间的定义不同，造成框架之间的系统性差异。http://lareg.ensg.ign.fr/ITRF/solutions.html

IGS精密星历在不同时期使用的ITRF框架参考框架使用时期ITRF911992年~1994年1月1日ITRF921994年1月2日~1994年12月31日ITRF931995年1月1日~1996年6月29日ITRF941996年6月30日~1998年2月28日ITRF961998年3月1日~1999年7月31日ITRF971999年8月1日~2001年9月