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      精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

      2015-05-30 10:48:04衛(wèi)玉浩高雅萍等
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年35期
      關(guān)鍵詞:精度

      衛(wèi)玉浩 高雅萍等

      摘 要:文章介紹精密單點(diǎn)定位技術(shù)的定位原理,結(jié)合具體實(shí)踐,試驗(yàn)分析其可靠性,提出在測量中的具體工程應(yīng)用方法。精密單點(diǎn)定位具有傳統(tǒng)單點(diǎn)定位的靈活性和相對定位的高精度特點(diǎn),從而節(jié)省了尋找和聯(lián)測國家等級控制點(diǎn)的大量工作,保證了控制精度,提高了工作效率。

      關(guān)鍵詞:精密單點(diǎn)定位;GPS差分定位;精度

      1 概述

      GPS自投入使用以來,其相對定位的定位方法是快速增長,因?yàn)榈谝粋€代碼相對定位RTK和差異的相對定位,GPS相對定位的精度不斷提高。但發(fā)展緩慢絕對定位是一個單點(diǎn)定位,PS單點(diǎn)定位是使用傳統(tǒng)的G代碼偽距觀測和測量衛(wèi)星廣播星歷的軌道參數(shù)和衛(wèi)星時鐘調(diào)整的數(shù)量。

      2 精密單點(diǎn)定位

      2.1 精密單點(diǎn)定位原理及優(yōu)勢

      全球定位系統(tǒng)(GPS)的誕生以來,定位技術(shù)大致經(jīng)歷了以下幾個階段:靜態(tài)相對定位,準(zhǔn)靜態(tài)絕對定位,相對定位,動態(tài)相對定位和實(shí)時動態(tài)相對定位(RTK),精密單點(diǎn)定位(PPP)。在傳統(tǒng)的GPS應(yīng)用程序中,通常使用相對定位的操作模式,消除形式雙差觀測數(shù)據(jù)接收機(jī)時鐘誤差、衛(wèi)星時鐘誤差的公共和削弱對流層延遲,電離層延遲誤差相關(guān)性強(qiáng)的影響力達(dá)到提高精度的目的。這種操作方式不考慮復(fù)雜的誤差模型,計(jì)算模型簡單、定位精度高的優(yōu)勢[1]。但也有一些缺點(diǎn),比如操作需要至少一個接收器在一個已知的現(xiàn)場觀察,影響工作效率,增加了運(yùn)營成本。此外隨著距離的增加,電離層延遲、對流層延遲誤差相關(guān)性減弱,必須相應(yīng)地延長時間的觀察來達(dá)到預(yù)期的精度。

      精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning)是一種高精密單點(diǎn)定位技術(shù),它只使用一個雙頻GPS接收器,結(jié)合從IGS站下載精密星歷和精密鐘差文件,使用觀察的偽距和載波相位觀測值計(jì)算[2],可以在全球任何地方高精度定位靜態(tài)或動態(tài)的基礎(chǔ)上。與傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位絕對相比,使用精密單點(diǎn)定位(PPP)不是廣播星歷,但I(xiàn)GS提供了精確的軌道和衛(wèi)星時鐘誤差,它的絕對精度比傳統(tǒng)的單點(diǎn)定位精度較高。與相對定位相比,精密單點(diǎn)定位有一個站可以工作,沒有基線長度的限制,可以單歷元算法,直接訪問的3d坐標(biāo)點(diǎn)或ITRF框架下(WGS-84坐標(biāo))的優(yōu)點(diǎn)。[3]

      在精密單點(diǎn)定位中,通常采用雙頻無電離層組合觀測值組成觀測方程:

      lp=ρ+c(dt-dT)+M-zpd+εp

      l=ρ+c(dt-dT)+amd+M-zpd+ε (1)

      其中:lp為P1和P2的無電離層偽距組合觀測值;l為L1和L2無電離層相位組合觀測值(距離);dt為地面GPS接收機(jī)鐘差;dT為GPS衛(wèi)星鐘差;c為真空中的光速;amd為無電離層組合相位觀測值(距離)的模糊度(不具有整數(shù)特性);M為投影函數(shù),zpd為天頂方向?qū)α鲗友舆t改正參數(shù),εp和ε分別為兩種組合觀測值的觀測噪聲和多路徑誤差;ρ為測站(Xr,Yr,Zr)和GPS衛(wèi)星(Xs,Ys,Zs)間的幾何距離:

      ρ=(Xs-Xr)2+(Ys-Yr)2+(Zs-Zr)2 (2)

      將(1)式線性化后可得到觀測誤差方程:

      V=AδX+W (3)

      式中:A為設(shè)計(jì)矩陣,δX為待估參數(shù),其中包括測站坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、無電離層組合模糊度及對流層天頂延遲改正參數(shù)。

      2.2 精密單點(diǎn)定位實(shí)際應(yīng)用

      2.2.1 工程簡介

      本次數(shù)據(jù)來自于甘肅省隴南市武都區(qū)某個兩水隧道斜井的測量項(xiàng)目。本次觀測采用單臺GNSS雙頻接收機(jī)進(jìn)行外業(yè)觀測,選取控制網(wǎng)中一個點(diǎn)進(jìn)行觀測,最少觀測一個時段,時段長度可選6~12h,也可與控制網(wǎng)中其它點(diǎn)一起進(jìn)行同步觀測。

      本次精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)解算是采用RTKLIB軟件,結(jié)合在IGS站下載的當(dāng)天的事后精密星歷文件、精密鐘差文件、地球定向參數(shù)、接收機(jī)天線相位中心偏差文件進(jìn)行解算,其配置界面如圖1所示。

      2.2.2 研究方案設(shè)計(jì)

      (1)分別利用甘肅省某個兩水隧道斜井的測量項(xiàng)目中的數(shù)據(jù),采用PPP技術(shù)及常規(guī)GPS網(wǎng)兩種作業(yè)方案對同一測區(qū)、同一批工作點(diǎn)分別進(jìn)行觀測。

      (2)對兩組處理結(jié)果經(jīng)過分析統(tǒng)計(jì),進(jìn)行精密單點(diǎn)定位技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用可行性研究。通過分析比較2014年11月、12月和2015年1月、2月、3月五個月的常規(guī)GPS靜態(tài)解算數(shù)據(jù)和精密單點(diǎn)結(jié)算數(shù)據(jù)的絕對誤差以及相對誤差,以確定精密單點(diǎn)定位是否適用于具體工程。

      3 具體實(shí)施

      利用精密單點(diǎn)定位(PPP)方法供布設(shè)3個工作基點(diǎn),各點(diǎn)觀測時間為20h,觀測不受距離及同步環(huán)影響;傳統(tǒng)GPS網(wǎng)方法布設(shè)4個控制點(diǎn)編號GP01~GP04,聯(lián)測埋設(shè)的9個監(jiān)測點(diǎn)編號GZ01~GZ09,觀測時間不低于1h,同步觀測不低于3個點(diǎn)。

      4 觀測數(shù)據(jù)處理

      4.1 常規(guī)GPS靜態(tài)網(wǎng)平差解算

      常規(guī)GPS靜態(tài)采用HGO軟件進(jìn)行解算與平差。本次測區(qū)中的山體由于體坡度陡、高差大,高差引起的邊長變形值較大,為便于數(shù)據(jù)比較分析,投影面高程設(shè)為海拔1440米,按高斯-克呂格3度帶方式投影,橢球體GRS1980(IUGG1980)參數(shù)a:1378137m,1/f:298.257222101。中央子午線設(shè)為105度時,該投影方式引起的變形值在1.3mm/km左右,山體位置的投影變形值相對較小且近似均勻,故GPS控制網(wǎng)中央子午線設(shè)為105度。平面基準(zhǔn)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理時,將JD1、JD2的邊長投影至1440m,再進(jìn)行平差,獲得基準(zhǔn)網(wǎng)GP01~GP04的坐標(biāo)后,以GP01~GP03作為基準(zhǔn)網(wǎng)的起算邊。

      天寶GPST01數(shù)據(jù)導(dǎo)為rinex格式,采用HGO進(jìn)行處理,根據(jù)GPS網(wǎng)形,采用GP01、GP03、GP04對整個工作基點(diǎn)網(wǎng)強(qiáng)制約束平差。

      4.2 常規(guī)GPS靜態(tài)網(wǎng)平差結(jié)算結(jié)果

      經(jīng)過解算后工作點(diǎn)GZ02平面坐標(biāo)見表1。

      5 精度對比分析

      5.1 平面坐標(biāo)對比分析

      通過對GZ02常規(guī)GPS解算數(shù)據(jù)與精密單點(diǎn)定位解算數(shù)絕對誤差的對比見表2??梢钥闯鰔最大誤差為6.82cm,最小誤差為0.26cm,y最大誤差為9.49cm,最小誤差為4.33cm。對GP01-GZ02的用常規(guī)GPS解算得到的基線長度以及精密單點(diǎn)定位得算出的基線長度的相對誤差分析如表3,可以看出兩種方法的基線長度的相對誤差最大為11mm最小為1.1mm,符合精度要求,可得出結(jié)論:精密單點(diǎn)定位適用于普通測量的平面位置測量。

      5.2 結(jié)論

      通過GPS相對定位監(jiān)測解算數(shù)據(jù)與精密單點(diǎn)定位解算數(shù)據(jù)的絕對誤差和相對誤差對比分析,處于同等觀測環(huán)境條件下的GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)完全可用普通測量工作中。

      6 結(jié)束語

      GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)不受傳統(tǒng)GPS測量中GPS網(wǎng)型和基準(zhǔn)站的影響,可單站獨(dú)立作業(yè),而且可以獨(dú)立分析各監(jiān)測點(diǎn)的變形特征。精密單點(diǎn)定位作為一種新的定位方式,具有傳統(tǒng)單點(diǎn)定位的靈活性和相對定位的高精度特點(diǎn)。節(jié)省了人力,保證了控制精度,提高了工作效率。

      參考文獻(xiàn)

      [1]韋建超.GPS精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理研究[D].中南大學(xué),2007.

      [2]韋克.單頻GPS精密單點(diǎn)定位研究[D].長安大學(xué),2010.

      [3]王虎.GPS精密單點(diǎn)定位中電離層延遲改正模型的研究與分析[D].中南大學(xué),2008.

      [4]季朝亮,齊中華,張力仁,等.利用精密單點(diǎn)定位(PPP)方法在黑龍江省進(jìn)行1∶10000像片控制測量的精度分析[J].測繪與空間地理信息,2014,10:234-236+242.

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