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GPS_GLONASS单点定位的数据处理

GPS G LO NASS单点定位的数据处理 高星伟 葛茂荣(中国测绘科学研究院 100039) (清华大学土木工程系 100084) 【摘 要】 本文讨论了GPS、GLONA SS及GPS GLONA SS伪距单点定位的数学模型和数据处理方法,分析了定位结果的精度。

GPS和GLONA SS分别是美国和前苏联(现由俄罗斯负责)研制的全球卫星导航系统,两个系统的构成、定位原理很相似。

目前GPS系统已进入正常工作阶段,而GLONA SS系统的可用性则有待于进一步完善。

但是GPS的SA和A S措施,使民用用户的实时定位精度降低到100m,同时GPS系统的21个卫星覆盖并不能保证在全球范围内实现用户定位的自主完备性监测RA I M。

因此,基于GPS和GLONA SS两个卫星定位系统的全球导航卫星系统GN SS是现代定位技术的一个发展方向。

与单独的GPS或GLONA SS系统相比,双卫星定位系统的可用性、自主完备性和精度都有明显地提高。

不管将GLONA SS作为一个单独的卫星定位系统,还是与GPS联合构成双卫星定位系统,研究GLONA SS定位方法,开发GLONA SS或GPS GLONA SS数据处理软件都是必要的。

本文主要讨论GLONA SS及GPS GLONA SS伪距单点定位问题。

通过实际观测数据的处理,分析和比较了GPS和GLONA SS及GPS GLONA SS定位的精度。

一、数学模型尽管GLONA SS与GPS的系统构成、定位原理相类似,但在具体实现和数据处理上存在一定的区别。

就联合定位的数据处理而言,应考虑两个系统的坐标系统和时间系统差异,卫星星历表示的差异和两个系统伪距观测值的精度差异。

GPS系统中使用的是W GS284坐标系统,GLONA SS系统使用的是PZ290坐标系统,进行联合数据处理时,必须进行坐标转换。

坐标转换公式为[1]xyz W GS284=1.0-1.9×10-60.1.9×10-61.00.00.00.01.0・xyz PZ290+0.02.50.0(1)GPS系统采用的是GPS时间(GPST),GLONA SS系统采用的是GLONA SS时间(GLONA SST)。

GPST与U TC相差为整数跳秒,GLONA SST与U TC相差3h。

联合数据处理时,除了要做上述时间系统转换外,还要考虑两个时间系统可能存在的同步误差。

GPS星历给出的是卫星轨道的Kep ler根数及其变化参数,GLONA SS星历给出的是卫星在PZ290坐标系中给定时刻的位置和速度及日月引力摄动加速度。

GLONA SS卫星坐标要根据卫星运动方程用数值积分方法得出[2]。

由于在单点定位中一般把SA的影响作为观测噪声,所以GPS观测模型的精度远远低于GLONA SS的观测模型,必须考虑两个观测值随机模型的差异。

根据以上讨论,GPS和GLONA SS单点定位的观测方程为v g i=[(x-X g i)2+(y-Y g i)2+(z-Z g i)2]1 2+c∆T g r-O g i,p g i(2)式中,上标g表示GPS或GLONA SS,下标i为观测值序号;(x,y,z)为测站的W GS284坐标;(X g,Y g,Z g)为卫星在W GS284坐标系中的坐标,GLONA SS卫星的坐标要用公式(1)转换到W GS284坐标系中;∆3gp s r为接收机钟差,∆3g lonassr为接收机钟差加GPST与GLONA SST的同步误差;O g i为加上卫星钟差、大气折射、相对论效应和地球自转改正的伪距观测值;v g i为观测值噪声;p g i为观测值的权。

将观测方程(2)线性化,得出用于参数估计的线性观测方程。

观测方程中包括测站坐标和接收机钟差及两个时间系统同步误差五个未知参数,用最小二乘或滤波方法进行参数估计。

二、数据处理及结果分析在清华大学主楼的已知点上用A ST ECH公司的GG24型单频接收机记录了1.5h的观测数据,采样率设为1s。

GG24接收机有24个通道,可同时8 测 绘 通 报 1999年 第4期跟踪12颗GPS 卫星和12颗GLONA SS 卫星。

整个观测过程中,最多可跟踪7颗GPS 卫星和6颗GLONA SS 卫星。

根据上述数学模型,作者开发了相应的双卫星单点定位软件。

软件功能包括:将GG 24观测数据转换为R I N EX 文件,GLONA SS 卫星轨道的数值积分,GPS 、GLONA SS 和GPS GLONA SS 联合单点定位等功能。

就本次试验的观测数据,用上述软件进行了GPS 单点定位、GLONA SS 单点定位和取不同观测值权的GPS GLONA SS 联合定位计算。

图1,图2为GPS 单点定位结果与真值的平面位置偏差和高程偏差。

从图1,图2可以看出,平面位置和高程精度大约为31m 和42m ,这主要是由于GPS 的SA 影响造成的。

图1 GPS 单点定位的平面偏差图2 GPS 单点定位的高程偏差图3,图4为GLONA SS 单点定位结果与真值的平面位置偏差和高程偏差。

从图3,图4可以看出,平面位置和高程精度大约为13m 和12m ,定位精度与没有SA 影响时的GPS 单点定位精度相当。

在1612s 和3124s 处的断点是由于GLONA SS 观测卫星数变化引起的,第一段为6颗GLONA SS 卫星的结果,第二段为5颗GLONA SS 卫星的结果,第三段是4颗GLONA SS 卫星的结果。

GLONA SS 的X 方向定位结果与坐标真值之间还有微小的系统偏差,我们认为,可能是由于GLONA SS 与GPS 之间的坐标转换公式不够精确造成的,原因是此坐标转换公式并不是在世界范围内得出的,它只对某些地区符合得比较好。

图3 GLONA SS单点定位的平面偏差图4 GLONA SS 单点定位的高程偏差图5~8为GPS GLONA SS 单点定位结果与真值的平面位置偏差和高程偏差。

图5,图6中,GPS 与GLONA SS 观测值的权比为1∶1。

可以看出,此组解的平面位置和高程精度大约为17m 和25m ,高于GPS 解的精度,但低于GLONA SS 解的精度。

在图7,图8中,GPS 与GLONA SS 观测值的权比为0.04∶1,此组解的平面位置和高程精度大约为12m 和11m 。

图5 GPS GLONA SS (1∶1)单点定位的平面偏差图6 GPS GLONA SS (1∶1)单点定位的高程偏差(下转第13页)高,所以,在选择相关点时,一般先考虑邻近点,且一般同类观测量的相关程度高于其他类型的观测量,所以,应选择邻近的同类型测点作为相关检验测点。

3.实例分析结果表明,关联模型分析结果与关联度分析结果是完全一致的,但测点间关联模型的相关程度与灰色关联度在数值上有一定差别,前者在数量上表现得更为明显,因此,用关联度进行相关分析,测点间相关程度的相对关系是正确的,但其绝对关系并不一定可靠。

4.各测点的拟合中误差大多与观测精度接近,复相关系数也较高,说明所选择的拟合模型是合理有效的。

在安全监测过程中,如果某个测点的监测数据发生异常,可以通过相关监测量的检验,初步判定异常发生的原因,从而提高监测数据的可靠性,也为监测数据的实时评判提供了一种有效的方法。

参考文献1吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.南京:河海大学出版社,19902李德仁.误差处理和可靠性理论.北京:测绘出版社,1988(上接第9页)图7 GPS GLONA SS (0.04∶1)单点定位的平面偏差图8 GPS GLONA SS (0.04∶1)单点定位的高程偏差 三、结 论通过上面的分析比较,可以得出如下结论:GLONA SS 单点定位的精度大大高于有SA 影响时的GPS 的单点定位精度;选择合理的观测值权后,GPS GLONA SS 单点定位精度比GLONA SS 的精度有所提高,但提高的幅度不明显;选择不合理的观测值权后,GPS GLONA SS 定位精度反而低于GLONA SS 定位精度。

总之,双卫星系统大大增强了系统的可用性和自主完备性,合理联合两个系统的观测值可以显著提高GPS 系统的定位精度。

参考文献1 高星伟,李毓麟.PZ 290与W GS 284之间的坐标转换.测绘科技动态,1998(3)中国测绘学会团体会员会议在桂林召开【本刊讯】3月27日至30日中国测绘学会1999年度团体会员会议在桂林召开。

来自全国各行业测绘单位的团体会员代表约50余人参加了会议。

开幕式上,中国测绘学会常务副理事长兼秘书长冯孟华作了主题发言,介绍了中国测绘学会1998年的工作情况及1999年的工作要点。

本次会议的目的是总结过去的工作,继续开展以科技发展和科学管理为中心的经验交流。

会上,中国工程院院士刘先林先生介绍了我国摄影测量学的发展状况及达到国际先进水平的JX 24A D P W 全数字摄影测量工作站的情况;中国测绘科学研究院院长林宗坚教授介绍了“数字地球”的概念、我国在这方面的所做的工作及今后的努力方向;中国测绘学会副秘书长、工程测量分会会长洪立波教授作了我国工程测量现状和发展趋势的报告;中国测绘学会金伯勋高级工程师介绍了我国贯彻ISO 9000标准的情况;香港工程测量师学会主席陈德祥先生和香港测量师学会土地测量组主席莫景良先生介绍了香港测量师学会概况及其在香港建设中发挥的作用。

会议期间,代表们交流了各团体会员单位的工作,并就中国测绘学会在代表各团体会员开展工作方面提出了一些建议和希望。

(丛树平)。

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