精密单点定位技术的相关理论与应用.ppt

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1、精密单点定位技术的相关理论与应用,主要内容,1、IGS介绍,精密单点定位技术（PPPPrecise Point Positioning)指的是先利用全球若干IGS跟踪站的GPS观测数据计算出精密卫星轨道参数和卫星钟差，然后在此基础上对单台接收机的载波相位或伪距数据进行处理，得到一些相关参数，在相关领域进行应用。,IGS组织结构,国际GPS服务（IGSInternational GPS Service）是国际大地测量协会IAG于1993年创建的一个为GPS服务提供应用服务的国际组织，该组织于1994年1月正式运作。IGS由GPS卫星跟踪网、数据中心、分析中心、工作组、中央局和管理委员会组成。,I

2、GS的全球跟踪网（Network of tracking stations）,IGS数据中心（Data Centers),1.全球数据中心主要目的：为分析中心及外部用户提供数据服务包括：CDDIS:Crustal Dynamics Data Information System(数据下载地址：ftp:/)SIO:Scripps Institution of Oceanography(数据下载地址：ftp:/)IGN:Insititut Geographique National(数据下载地址：ftp:/),IGS数据中心（Data Centers),2.区域数据中心目的：满足本区域的需求，减少

3、数据传输流量，并将数据传输到全球数据中心。包括：BKG：Bundesamt fuer Kartographie und Geodaesie(网址：http:/)AUSLIG:Australian Surveying and Land Information Group(网址:http:/)NRCAN:Natural Resources of Canada(网址：http:/)GODC:Geoscience Laborotory,NOAA JPL:Jet Propulsion Laboratory(网址：http:/）,分析中心每天的基本任务是从全球数据中心获取GPS跟踪站数据，独立进行计算以生

4、成GPS卫星星历、地球自转参数、卫星钟差、跟踪站的站坐标、站坐标的速率、跟踪站对流层天顶延迟以及接收机钟差等IGS产品。,IGS分析中心（Analysis Centers),IGS分析中心（Analysis Centers),IGS共有7个分析中心：CODE：瑞士伯尔尼大学的欧洲定轨中心(http:/)NRCan：加拿大自然资源部的大地资源分局GFZ：德国地学中心()ESA：欧洲空间工作中心(http:/)NGS：美国国家大地测量局(http:/)JPL：喷气动力实验室SIO：斯克普斯海洋研究所(http:/),中央局和管理委员会（Central Bureau and Internatatio

5、nal Governing Board),中央局（http:/)主要负责IGS日常工作，包括组织会议，制定标准及出版相关出版物等，由中央局维护的中央局信息系统CBIS包括下面内容：（1）IGS机构与运行情况；（2）全球GPS跟踪网站；（3）GPS接收机和天线的全部说明；（4）IGS数据中心的数据收集信息和存储资料总览；（5）GPS数据流的描述；,中央局和管理委员会（Central Bureau and Internatational Governing Board),（6）最新数据与成果利用率图表；（7）GPS系统现状；（8）IGS邮件与报告文件；（9）通用软件（适用于各种平台和UNIX兼容的

6、压缩/解压缩程）；（10）IGS联合轨道成果文件。管理委员会负责监督管理IGS的各项工作，确定IGS的未来方向。,1.低轨卫星研究工作组研究目的：研究利用IGS全球跟踪网进行低轨卫星（LEO）定轨、掩星技术等方面的研究。提供高采样率、实时的星载GPS数据。目前主要研究Oersted，Sunsat，SAC-C，CHAMP，GRACE，GLAS等低轨卫星。2.GLONASS工作组研究目的：综合利用GPS/GLONASS卫星数据，进行大地测量与地球动力学研究。研究PZ90到ITRF框架的转换研究GPS和GLONASS之间的系统时间偏差通过地面GLONASS地面站和SLR站进行GLONASS卫星定轨研

7、究。,工作组（Working Groups）,工作组（Working Groups）,3.电离层工作组目的：发展全球性和区域性的电离层延迟图目前，CODE和NGS发布格式为IONEX的电离层产品。IONEX格式示例,工作组（Working Groups）,4.对流层工作组目的：发展全球性和区域性的对流层延迟图，为气象学服务解算策略：使用原始数据为各跟踪站的RIENX文件。使用精密单点定位技术计算测站天顶对流层延迟格式：每个测站一个的对流层延迟：ssssddd0.yyzpdssss:测站代号 ddd：年积日（DOY）yy：年份 一天内所有测站的对流层延迟:TROPddd0.yycmp一周总结性文

8、件：TROPwwwwx.rptwwww:GPS周 x：为GPS周的第几天,工作组（Working Groups）,工作组（Working Groups）,工作组（Working Groups）,5.时频传递工作组目的：利用GPS时间共视技术（GPS Common View)进行高精度时间时间比对，维护协调世界时(UTC)。实现策略：在两个或多个测站上各设一个GPS时间传递接收机，同步观测GPS卫星，可以测得各测站时钟间的相对偏差，达到高精度时间比对的目的，从而实现时间传递。实施计划：IGS/BIPM（Bureau International des Poids et Meausres)工程,R

9、INEX:The Receiver Independent Exchange RINEX是一种在GPS测量中应用很普遍的一种标准数据格式，该文件采用文本格式存储数据，数据格式与接收机的制造厂商和具体型号无关。RINEX文件的命名规则 ssssdddf.yyt ssss:测站代号 ddd：年积日 f：一天内的文件序号 yy:年份 t：文件类型，为下面字母中的一个 O观测值文件 NGPS导航电文文件 M气象数据文件 GGLONASS导航电文文件 HGEO导航电文文件 C钟文件,IGS的产品格式说明,IGS的产品格式说明,RINEX格式的导航电文文件示例,IGS的产品格式说明,RINEX格式的发展历

10、程RINEX2.10、RINEX2.11、RINEX3.00 目前使用最广泛的为RINEX2.10 RINEX2.11改进之处：1.改正GEO导航电文文件 2.增加新的观测码 3.在RINEX气象文件里增加新的观测变量 2006年推出的RINEX3.00格式目的是为了未来多个全球导航定位系统，例如Galileo系统格式的交互使用。COMPACT RINEX格式：为了减少RIENX格式的文件的大小，IGS推出了COMPACT RINEX格式。目前，IGS网站上的新的数据均为COMPACT RINEX格式。观测值文件的格式由ssssdddf.yyO改为ssssdddf.yyD RINEX COMP

11、ACT与RINEX格式的转换软件下载：ftp:/,ANTEX（Antenna Information Exchage）格式内容包括:1.不同接收机天线类型的天线相位中心变化（PCV-Phase Center Variation)2.卫星天线最低点的PCV的变化文件下载地址：Igs05_wwww.atxwwww 为GPS周IGS mail:,IGS的产品格式说明,SINEX（Solution Independent Exchange)格式 为了便于对不同观测数据进行联合处理，IGS提出了数据解文件的标准格式SINEX,SINEX文件包含GPS、VLBI、SLR等所提供的基线解算或者是网平差后的点

12、位坐标、点位协方差、点位先验坐标、点位先验方差信息，如果以测站坐标作为平差的观测值，则可以通过SINEX文件恢复法方程，通过法方程叠加进行多期、多类数据的联合处理。SINEX是由G.Blewittz所领导的SINEX工作组于1995年提出的，历经了0.04、0.05、1.00、2.00等版本。,IGS的产品格式说明,SINEX格式文件示例：,IGS的产品格式说明,IGS的产品格式说明,Troposphere SINEX格式对流层文件格式 cccwwwwd.troccc为发布机构代号 wwww：GPS周 d:GPS周的第几天示例:,SP3格式 SP3精密星历格式全称为标准产品第3号（Standa

13、rd Product#3),专门用于存储GPS卫星的精密轨道数据。SP3格式文件是文本文件，其主要内容是卫星位置和卫星钟位置，另外，还可以包含卫星的运动速度和钟的变率，若在SP3格式文件的第一行中有位置标识P，说明文件中没有卫星速度信息，如果第一行有速度记录标识V，说明文件，对每一历元、每一颗卫星均已计算出计算的速度和钟的变率。2002年，针对SP3a版本的不足，又推出了SP3c版本。目前，这两个版本的数据均在IGS网站发布。,IGS的产品格式说明,IGS的产品格式说明,针对不同用户的需要，IGS发布的卫星星历和钟差，又分为超快速卫星星历、快速卫星星历、最终产品卫星星历。超快速卫星星历（Ult

14、ra rapid satellite ephemerides)，每天发布4次。具有一定的轨道外推，可用于实时定位。格式为iguwwwws.*快速卫星星历（rapid satellite ephemerides)，时延17小时。格式为igrwwwws.*最终产品卫星星历时延13天。格式为igswwwws.*,IGS的产品格式说明,SP3c格式示例：,IGS的产品格式说明,ERP（earth rotation parameter)格式地球自转参数ERP对于维护全球坐标参考系具有重要意义IGS的综合产品中均包含ERP产品。（后缀为*.erp文件）ERP产品使用时间为约化儒略日（MJD-Modifie

15、d Julian Date)包含内容有极移参数、日长（LOD）参数等。ERP产品示例：,ERP产品参与到了地球自转服务IERS的最终地球自转参数确定。下图为IERS发布的一个近年极移参数变化图,IGS的产品格式说明,下属分析中心也发布一些非官方格式的产品*.SSC（Sets of Station Coordinates)格式文件为跟踪站坐标文件。*.DCB(Differential Code Biases)格式文件为是GPS发射器和用户接收机的硬件对GPS信号产生的延迟影响的统称。*.CRX格式文件为卫星问题文件。*.BLQ格式文件为海洋负荷潮文件,IGS的产品格式说明,精密单点定位(Prec

16、ise Point Positioning)，这一概念最初是由JPL的Zumbeger等人提出并在他们开发的数据处理软件GIPSY上给予实现，即利用高精度的GPS精密卫星星历和卫星钟差，以及单台双频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。精密单点定位的优点在于在进行精密单点定位时，除能解算出测站坐标，同时解算出接收机钟差、卫星钟差、电离层和对流层延迟改正信息等参数,这些结果可以满足不同层次用户的需要(如研究授时、电离层、接收机钟差、卫星钟差及地球自转等)。因此,研究精密单点定位技术是目前的研究热点。,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位的

17、数学模型,精密单点定位技术的相关原理,几种常见的线性组合1.Iono_Free组合值,这种组合在在精密单点定位的最为常见，它的突出优点是可以消除电离层延迟的影响。也可以用来检测由于接收机本身的系统误差引起的粗差。缺点是噪声被明显放大,2.Melbourne-Wubbena组合观测值,Melbourne-Wubbena组合观测值是一个L1、L2载波相位以及P1、P2码伪距的组合观测值。它消除了几何距离、对流层、电离层等误差影响。组成Melbourne-Wubbena组合观测值用以剔除粗差，探测和修复周跳。,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位技术的相关原理,3.Geometry-Free组合

18、观测值,这种组合称为无几何关系组合，意思是这种组合不受几何关系（卫星轨道和测站坐标）的影响。也不受接收机钟和卫星钟的影响。它只包含电离层延迟和初始的相位模糊度。所以可以用来估计电离层模型。,精密单点定位技术的相关原理,4.Wide-Lane组合观测值,宽巷观测值的波长长达86cm，因此很容易准确确定其整周模糊度。但由于测量噪声大。宽巷观测值一般并不用于最终定位，而是将其作为一种中间过程来确定L1和L2的整周模糊度,精密单点定位的几个关键问题1.观测数据的预处理在精密单点定位中，必须首先进行周跳探测与修复、粗差剔除、初始整周模糊度的确定、相位平滑伪距等数据预处理工作，以得到“干净”的非差相位观测

19、值和较精确的伪距观测值。数据预处理工作的好坏将直接关系到精密单点定位的平差处理和解算结果的质量.,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位技术的相关原理,预处理中著名的TurboEdit算法 对于宽巷组合，假定先验的宽巷偏差RMS为宽巷波长的二分之一，宽巷偏差为n5,n5是n5的平均值，则有下列递推公式,外推的宽巷模糊度 应满足在前面模糊度的平均值 的之间，认为没有粗差和周跳，否则，认为存在粗差和周跳；当存在粗差和周跳时，继续判别下一个历元的宽巷模糊度，如果下一个连续历元的宽巷模糊度度在一周内，则认为前一个历元存在周跳，否则，则认为前一个历元存在粗差；发生周跳后，重新设置宽巷偏差的先验值,精密

20、单点定位的主要误差源和改正模型1.与接收机相关的误差1.1接收机钟差可以将接收机钟差当作一个未知参数，在数据处理中与其他参数一起进行解算。1.2接收机天线相位中心偏差常用天线类型的相位中心偏差可以从IGS下载，也可通过实验确定。1.3固体潮改正在下面网址提供软件进行计算：1.4海洋负荷潮改正参见IERS 2003 convention P7274，计算软件地址同上。,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位技术的相关原理,1.5地球自转改正,为改正后的卫星坐标,地球自转速度,卫星信号传播时间,1.6多路径效应硬件措施消除，例如多路径延迟锁

21、相环路（MEDLL）技术等。,精密单点定位技术的相关原理,2.与卫星相关的误差2.1卫星星历和钟差2.2相对论效应2.2卫星天线相位中心偏差不同类型GPS天线相位中心偏差为：BLOCK I0.210,0.000,0.845mBLOCK II/IIA0.279,0.000,0.952mBLOCK IIR0.000,0.000,0.000m现有GPS卫星星座中，各种类型卫星对应的卫星PRN为：BLOCK I:12BLOCK II/IIA:1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,15,17,19,22,23,25,25,26,27,29,30,31BLOCK IIR:11,13,14,16,18,

22、20,21,28,精密单点定位技术的相关原理,CHAMP卫星GPS天线在星固系中的位置,3.和信号传播相关的误差3.1对流层延迟3.2电离层延迟3.3相位缠绕误差 观测的载波相位与卫星和接收机天线的指向有关，无论GPS卫星和接收机天线围绕它的垂直轴旋转，都将改变所测的载波相位最大达一周（一个波长）的变化。它是由于天线旋转的结果。卫星的天线会随着太阳能板对太阳的朝向变化产生一个很缓慢的旋转，此外，在日蚀期间，卫星会快速旋转，即所谓的“中午旋转”和“子夜旋转”。忽略它可能会导致定位结果误差为分米级。,精密单点定位技术的相关原理,精密单点定位的解算策略在解算时,位置参数在静态情况下可以作为常未知数处

23、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,可以先利用数学模型改正,再利用随机游走的方法估计其残余影响。多个历元数据可以采用序贯最小二乘法或卡尔曼滤波法解算。,精密单点定位技术的相关原理,使用不同类型的卫星星历和钟差定位的结果,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位在LEO低轨中的应用CHAMP卫星计划

24、CHAMP卫星是GFZ发射的一颗地球物理研究和应用卫星，是一颗重、磁两种卫星。CHAMP是地球物理研究和应用挑战微型卫星负荷(Challenging microsatellite payload for geophysical research and application)的缩写。它除了安装2种磁测仪器外，还装有新一代的星载GPS接收机，用轨道摄动的数据推算引力异常。GPS轨道高度为20180km，CHAMP轨道高度约为300500km，用一颗高空卫星来跟踪低轨卫星来导出地球引力异常，这种方案称为SST-hl(Satellite to Satellite tracking in the h

25、igh low mode）,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,GRACE卫星计划 GRACE是恢复引力场和气候实验（Gravity recovery and climate experiment)的缩写，GRACE实际由两颗卫星组成，它们一前一后相距220km，在同一条轨道上飞行，两星间的距离变化反映了两星感受到的引力的变化，也就是说，两颗卫星间距离变化是地球引力场特征的一种直接度量。用一颗低轨卫星追踪另一颗低轨卫星来导出地球引力异常，这种方案成为SST-ll（Satellite to Satellite Tracking in low low mode),精密单点定位技

26、术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,GOCE卫星GOCE是重力场和稳态洋流探测卫星(the gravity field steady state ocean circulation explorer)的缩写。卫星安装2台关键的仪器，一台为GPS/GLONASS接收机，另一台是引力梯度仪。引力梯度仪可以直接测量引力位的二阶导数，再换算出引力场，这种方案成为卫星重力测量SGG（satellite gravity gradiometry),精密单点定位技术的相关应用,Jason-1卫星是TOPEX/Poseidon卫星的后继卫星。主要目的是精确测量世界海洋地形图。该星装有高精度雷达高度仪、微波

27、辐射计、DORIS接收机、激光发射器、GPS接收机等。,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位技术的相关应用,精密单点定位用于时间传递 采用IGS精密星历和CODE TEC Maps计算卫星位置和电离层延迟可明显地提高单站定时和长距离比对的精度和稳定度国际计量局(BIMP)的时间部采用标准化的GPS共视比对方法，把世界几十个守时中心的主钟沟通起来，并建立了准确的国际原子时(TAI)和国际协调世界时(UTCBIPM),精密单点定位技术的相关应用,未来方向Point RTK系统,GPS,Galileo,MSAT,(precise orbit&clock),(precise orbit&clock),精密单点定位技术的相关应用,谢谢！,