分類號 密 級 U D C 編 號 1 0 4 8 6 武漢大學 工 程 碩 士 學 位 論文 在線 PPP 服務及星站差分技術 在物探中的應用研究 研究生姓名 安云松 學 號 2009212143047 指導教師姓名 職稱 黃勁松 副教授 學 科 專 業 名 稱 測繪工程 研究方向 測繪工程 二二 一一年十一月一一年十一月 Research on Application of Online PPP and SBAS Technology in Seismic Survey By An Yunsong October 2011 鄭鄭 重重 聲聲 明明 本人的學位論文是在導師指導下獨立撰寫并完成的 學位論文沒有剽竊 抄 襲 造假等違反學術道德 學術規范和侵權行為 否則 本人愿意承擔由此而產 生的法律責任和法律后果 特此鄭重聲明 學位論文作者 簽名 年 月 日 I 摘摘 要要 星站差分系統 SBAS 又稱星基增強系統 是通過衛星傳播廣域差分信號 不受地面信號傳播的影響 全天候作業 是最近幾年新發展起來的一種能夠提供 高精度高效的新型單點定位廣域差分技術 相對傳統的 RTK 和 DGPS 作業方法 它具有定位精度高 穩定性好 定位效率高等特點 Trimble 公司的 OmniStar 星基差分服務是基于星基增強定位技術的商業服務 實驗證明它能夠穩定實現平 面 15cm 高程 30cm 的精密定位 1 小時以上的靜態單點定位結果均值可以獲得 優于 5cm 的精度 它的應用很好地解決了石油物探高效高密度采集方法對測量速 度和質量日益提高的要求 也解決了困擾生產多年的震源監控 DGPS 精度問題 星站差分精密單點定位技術是一種高效的生產方式 是未來物探測量方式的發展 方向 本文本討論的另一個重點是在線 GPS 數據處理 由于使用了 IGS 連續跟蹤站 數據 雖然 GPS 數據處理方法依然采用靜態相對定位理論 但用戶只需要提供自 己的單機靜態定位觀測數據 因此實際的操作與精密單點定位技術一樣高效 單 機定位 在線數據處理即可獲得幾個厘米的定位精度 直接獲得 ITRF 基準的定 位成果 具有常規 GPS 數據處理方法無法比擬的優勢 文章中對 AUSPOS CSRS PPP SCOUT 和 OPUS 等在線數據處理系統進行了詳細的比較 并在生產應 用中進行了驗證 關鍵詞關鍵詞 石油物探測量 星站差分 SBAS 精密單點定位 OmniStar 在 線 GPS 數據處理 II ABSTRACT Precise Point Positioning PPP is a new positioning technique which was developed by JPL and applied since several years ago SBAS Satellite Base Augmentation System is a main branch of Precise Point Positioning SBAS is more efficient Comparing with measure methods of RTK DGPS and relative static GPS SBAS PPP is more available accuracy for only single receiver can get an accurate position from sub meter to 15 centimeters SBAS positioning method can handle the difficulties of high efficiency and high accuracy from new seismic acquisition technology OmniStar is a most important PPP WADGPS service and this paper includes four series of experiment data gotten by it and analyzed to prove that SBAS is a promising method to be used in seismic surveying and monitoring Moving Base is also involved in this paper Online GPS data processing service systems is another main point of this paper It adopts relative static data processing methods but only require users supporting single receiver GPS raw data to get an accurate position Several hours static GPS data can produce several centimeter precise positioning result by single receiver observation Online GPS data processing systems provide all users a convenient free high precise GPS data processing method Here details four online GPS data processing systems AUSPOS SCOUT of SOPAC OPUS and CSRS PPP Several methods for quality control of Online GPS data processing and SBAS in seisimic surveying were discussed in this paper Keyword Seismic Survey SBAS PPP WADGPS Online GPS data processing 目 錄 摘摘 要要 I ABSTRACT II 1 引言引言 1 1 1 GPS 與石油物探測量 1 1 2 研究現狀 2 1 3 本文研究內容 3 2 基礎知識基礎知識 4 2 1 精密單點定位 4 2 2 相對定位 9 2 3 坐標轉換 13 3 在線在線 GPS 數據處理數據處理 17 3 1 AUSPOS 在線數據處理 18 3 2 OPUS 在線數據處理 23 3 3 SCOUT 在線處理系統 27 3 4 CSRS PPP 在線數據處理 29 3 5 在線數據處理成果質量控制 32 4 星站差分及其物探應用星站差分及其物探應用 39 4 1 星站差分 GPS 39 4 2 星站差分應用研究 41 4 3 施工質量控制 56 5 結論與展望結論與展望 58 參考文獻參考文獻 59 1 1 引言引言 全球導航衛星系統 GNSS Global Navigation Satellite System 包含 了美國的 GPS 俄羅斯的 GLONASS 中國的 Compass 北斗 和歐盟的 Galileo 等系統 可用的衛星數目達到 100 顆以上 從原來的GPS獨大 到GPS與GLONASS 共享天空 再到如今歐洲伽利略導航系統和中國北斗導航系統的突飛猛進 衛星 導航技術有了快速的進步和發展 為全球的導航用戶提供了更多的選擇和更為精 準的定位導航服務 1 1 GPS 與石油物探測量 石油物探測量需要使用大地控制點作為測量基準點 而國家大地控制網點并 不均勻 尤其是在人煙稀少的物探施工地區 通常需要從一兩百公里外引點 而 使用常規儀器 需要投入大量的人力物力 而且耗時 精度很難保證 這就是在 早期物探測量中相鄰區測線相接精度很差的原因 隨著 GPS 的技術發展 其在物探中得到了廣泛的應用 全球定位系統 GPS 在石油地球物理勘探中的應用開始于上世紀 90 年代初 主要應用機型為 Trimble 公司的 4000 系列 如 4000SSE 和 4000SSI 當時主要是采用靜態相對測量技術 進行石油物探的控制測量 建立測線控制點以及進行導線質量檢核 得益于 GPS 全天候 空間不受限制的特性 很好地解決了石油物探區域測量控制點少 測區 難以覆蓋等對于石油物探的制約 促進了石油勘探蓬勃發展 隨著全球石油勘探 產業的發展 更多的石油勘探項目位于一些未開發的地區 區域內沒有基礎測量 成果 使用常規的 GPS 相對靜態測量的方法無法得到精確的測量控制 難以開展 測量工作 阻礙石油物探工作的開展 DGPS 和 RTK 技術的出現曾經大大改善了石油物探測量的速度和質量 將物 探測量的放樣和定位精度提高了一個數量級 從分米提高到厘米級 大降低了重 復測量工作量 測量組織也更加靈活 質量控制更加方便 但是 DGPS 和 RTK 也 存在一些弱點 那就它們的參考站有效控制范圍較小 通常在 20 30km 之間 隨 著參考站與流動站間距離的增加 對流層延遲 電離層延遲等誤差相關性減弱 精度不斷下降 在今天石油物探高效采集 高密度采集的技術背景下 對測量生 產效率提出更高的要求 DGPS 和 RTK 的工作模式已經突現它們的局限性 無法 滿足物探生產對測量速度的要求 GPS 精密單點定位技術的出現有效地解決了上述難題 該技術利用 GPS 衛星 精密星歷和精密衛星鐘差 使用單臺 GPS 接收機采集的非差碼觀測值和載波相位 2 觀測值作為主要數據進行單點定位計算 其精度可達分米級甚至厘米級 由于它 利用單臺接收機在全球范圍內進行靜態或動態獨立作業 并且能直接得到高精度 的 ITRF 坐標系下的坐標 因此非常適合于物探測量 GPS 精密單點定位技術分 為事后處理和實時兩種方式 事后處理精密單點定位是指用戶使用單臺接收機采 取靜態觀測方法 采集一定量的碼觀測數據和載波相位觀測數據 再通過網絡將 觀測數據提交給在線的高精度 GPS 數據處理服務器或是輸入專門的處理軟件 數 據處理系統或軟件會根據需要從 IGS 等網站獲得精密星歷 利用這些高精度的軌 道參數 精密衛星鐘差等處理用戶 GPS 數據 從而獲得厘米精度的準確成果 實 時動態精密單點定位技術允許用戶使用單臺接收機通過衛星數字技術等方式在 接收 GPS 衛星信號的同時接收基站提供的差分改正信息 從而獲得分米級的成 果 實時動態精度單點定位技術是以廣域差分技術為基礎的 彌補了區域 DGPS 和 RTK 技術覆蓋范圍小的缺點 1 2 研究現狀 國際全球導航衛星服務組織 IGS International GNSS Service 是一個為 全球導航衛星系統提供應用服務的國際組織 由國際大地測量協會 IAG International Association of Geodesy 于 1993 年創建 目前 IGS 提供的 產品包括連續跟蹤站數據 精密星歷 電離層改正等 其提供的精密星歷的精度 已經優于 5cm 衛星鐘改正精度已達到 0 1 0 2ns GPS 接收機性能也不斷得到 改善 載波相位測量的精度在不斷提高 接收機的載波相位測量噪聲多數已經小 于 1mm 大氣延遲改正模型和改正方法的研究也取得了很大的進展 基于這些研 究成果 1997 年美國噴氣推進實驗室 JPL Jet Propulsion Laboratory 的 Zumbeger 1 提出了非差精密單點定位方法 國內在精度單點定位技術方面的研究始于 2000 年 上海天文臺在 測繪學 報 上發表文章 闡述了他們應用 JPL 的 GIPSY 軟件進行類似精密單點定位原理 的小區域網站的靜態定位試驗 武漢大學的葉世榕博士對非差相位精密單點定位 技術進行了較為深入的研究 并以此為主要內容完成其博士論文 武漢大學的張 小紅教授等經過數年對 GPS 精密單點定位理論與方法的深入研究 在國內率先開 發出了商業化的精密單點定位數據處理軟件 TRIP 香港理工大學 同濟大學 中國科學院測量與地球物理研究所等機構也開展了精密單點定位的研究工作 取 得了一定的研究成果 最近幾年 在雙頻精密單點定位研究成果的基礎上 已有 不少學者開始研究單頻精密單點定位的模型 算法 并拓展其應用 2 在精密單點定位服務的提供方面 2001 年 NavCom 的 Hatch 提出了利用 JPL 實時定軌軟件 RTG 實現全球 RTK Global RTK 計劃 通過因特網和地球靜止通 3 信衛星向全球用戶發送精密星歷和精密衛星鐘差修正數據 利用這些修正數據 實現 2 4dm 的實時動態定位精度 事后靜態定位精度可達 2 4cm 目前 Trimble 公司的 OmniStar 系統也提供相似的服務 精度從優于 1m 到幾個 cm 而 GPS 廠 商方面 現在 Trimble Novtel 和 Leica 等都提供帶有精密單點定位功能的接收 機 處理軟件方面 國際上 加拿大 APPLANiX 公司推出了具備精密單點定位能 力的 POSPacAIR 軟件 挪威 TerraTec 公司推出基于精密單點定位原理的動態定 位 TerraPOS 軟件 瑞士 Leica 公司也推出了自己的精密動態單點定位軟件 IPAS PPP 國內常用的精密單點定位軟件則是由武漢大學開發出 TRIP 其在算法設計 和定位精度方面取得突破 定位解算精度和可靠性等方面已經和國際同類軟件水 平相當 精密單點定位在生產應用方面已經有了很多的嘗試 2004 年開始 交通部 長江航道測量中心開始使用 SF 2050 型星站差分 GPS 進行航道測量 該接收機使 用美國 NavCom 公司 StarFire 差分改正服務 取得了很好的效果 中國煤炭地質 總局航測遙感局將精密單點定位方法應用于青海省大柴旦鎮綠梁山地區地質調 查 結果表明 精度完全符合要求 1 3 本文研究內容 基于石油勘探工作對測量的需求和精密單點定位技術的發展情況 本文圍繞 精密單點定位的定位精度和成果可靠性進行了研究和分析 做了以下研究工作 1 針對幾種在線式的 GPS 數據處理系統 通過大量的數據分析 研究長 距離相對定位與靜態精密單點定位兩種方法對于石油物探的適用性和可靠性 2 對 OmniStar 廣域差分精密單點定位服務在石油物探生產中的測試性應 用試驗結果進行了成果分析和精度及可靠性評估 并制定出相應的質量控制和改 進措施 3 從原理和模型方面 對 GPS 精密單點定位在石油勘探測量應用中存在 的不同橢球和不同坐標系統之間的轉換問題進行了一些討論 4 2 基礎知識基礎知識 2 1 精密單點定位 精密單點定位 PPP Precise Point Positioning 指的是利用載波相位觀 測值以及 IGS 等組織提供的高精度的衛星星歷及衛星鐘差來進行高精度單點定 位的方法 3 在過去的近 20 年里 GPS 技術在生產 生活的各個領域得到廣泛應用 大 到全球板塊地殼運動監測 區域性的高等級控制網 城市差分連續運行系統 小 到工程變形監測 道路施工 GPS 是隨處可見 在這些應用中 采用的通常都是 GPS 相對定位作業方式 數據處理時通過組成雙差觀測值以消除接收機鐘差 衛 星鐘差等公共誤差及削弱對流層延遲 電離層延遲等相關性強的誤差影響 不需 考慮復雜的誤差模型 解算模型簡單 定位精度高 雖然這種作業方式具有作業 簡單 定位精度高的優勢 得到了廣泛的應用 但也存在一些不足 必須兩臺以 上的接收機同時工作 影響了作業效率 作業成本較高 另外 相對定位是基于 對流層延遲 電離層延遲等誤差在一定區域內具有較好相關性的前提 隨著距離 的增加 這種相關減弱 必須通過延長觀測時間 才能獲得預期精度 在如今這 個快節奏 高效的時代 有沒有一種高效率的 GPS 定位技術能夠克服 GPS 相對定 位的這些缺點 滿足新的需求呢 1997 年 美國噴氣推進實驗室 JPL 的 Zumbeger 等人提出了一種有效的 解決方案 非差精密單點定位方法 利用 GIPSY 軟件和 IGS 精密星歷 同時利用 一個 GPS 跟蹤網的數據確定 5s 間隔的衛星鐘差 在單站定位方程式中 只估計 測站對流層參數 接收機鐘差和測站 3 維坐標的精密單點定位研究思路 進行了 實驗 取得了 24 小時連續靜態定位精度達 1 2cm 事后單歷元動態定位精度達 2 3 3 5dm 的試驗結果 用實測數據證明了利用非差相位觀測值進行精密單點定 位是完全可行的 4 NRCan 的 Heroux 等人通過非差精密單點定位方法 處理長時 間靜態觀測數據 結果也達到厘米級精度 目前 NRCan 提供免費的 CSRS PPP 網 上精密單點服務 也可以下載桌面版的 PPP Direct 軟件 2 1 1 GPS 非差觀測值的基本方程 GPS 的原始觀測數據主要有兩類 5 測距碼和載波相位 其中 粗碼或捕獲 碼 C A 的碼長約為 300m 精碼 P1 和 P2 的碼長約為 30m 而載波相位 L1 和 L2 的碼長約為 19cm 和 24cm 若測量精度以 1 100 計算 則 C A 碼的測量精度約 5 為 3m 精碼 P1 和 P2 的測量精度約為 0 3 米 相位 L1 和 L2 的測量精度約為 2mm 在地心坐標系中 L1 和 L2 載波相位和偽距 P1 P2 觀測值方程分別為 p Lk p k p kk p k p k p orb p orb pp k p k t tN f C tcttTIdtdtctttL 1 10 0 1 1 1 2 1 p Lk p k p kk p k p k p orb p orb pp k p k tt N f C tcttTI f f dtdtctttL 2 100 2 2 2 2 1 2 2 2 2 p Pkk p k p k p ant p orb pp k p k tcttTIddtctttP 1 1 2 3 p Pkk p k p k p ant p orb pp k p k tcttTI f f ddtctttP 2 2 2 2 1 2 2 4 式 2 1 式 2 4 中 t P k 為接收機k在時刻t與衛星 在時刻 t 在地心地固坐標系 中的空間幾何距離 為信號從 GPS 衛星p到接收機k所用的時間 可用下式 表示 222 k p k p k pP k ztZytYxtXt 2 5 P k 上標 p 表示衛星號 下標 k 為接收機號 C 真空中的光速 1 f 1 f波段的頻率 1 f 1575 42 MHZ 2 f 2 f波段的頻率 2 f 1227 60 MHZ t 接收機接收信號的時刻 GPS 時 p ik L 1 L 2 L載波測得的距離 p ik P 1 P 2 P碼偽距 td p t GPS 衛星p在t時刻相對于 GPS 時間的鐘差 td orb p 為衛星軌道誤差 orb p d 衛星天線相位中心變化引起的誤差 tI p k 1 L波段觀測值的電離層延遲 其對同一波段的偽距和載波相位觀測 值的影響大小相同 符號相反 tT p k 信號的對流層延遲 tTttmtT p k p k p k 0 其中 tT p k 0 為信號在 天頂方向的對流層延遲 ttmp k 為將信號在對流層的天頂方向的延遲投影到 接收機到衛星矢量方向的投影函數 濕分量和干分量采用不同的投影函數 ttk 為接收機在t時刻相對于 GPS 時間的鐘差 6 tt p 為衛星p在 t時刻相對于 GPS 時間的鐘差 k k Ni 21 LL 載波的初始整周模糊度 i 1 2 0 t k 接收機k中的初始相位殘差 0 t p 衛星p中的初始相位殘差 p Lik 載波觀測值噪聲和無法模型化的誤差 p Pik 碼觀測值噪聲和無法模型化的誤差 2 1 2 精密單點定位誤差源 在精密單點定位中 影響其定位結果的主要誤差包括 與衛星有關的誤差 衛 星鐘差 衛星軌道誤差 相對論效應 與接收機和測站有關的誤差 接收機鐘 差 接收機天線相位誤差 地球潮汐 地球自轉等 與信號傳播有關的誤差 對 流層延遲誤差 電離層延遲誤差和多路徑效應 由于精密單點定位沒有使用雙 差觀測值 很多誤差沒有消除或削弱 所以必須采用其他方法來加以解決 常用 的解決方法有兩種 a 對于可以精確模型化的誤差 采用模型改正 b 對于不 可以精確模型化的誤差 加入參數估計或者使用組合觀測值 如雙頻觀測值組合 消除電離層延遲 不同類型觀測值的組合 不但消除了電離層延遲 也消除了衛 星鐘差 接收機鐘差 不同類型的單頻觀測值之間的線性組合消除了偽距測量的 噪聲 當然觀測時間要足夠長 才能保證精度 因此在精密單點定位中需要進行以下的誤差改正 1 相對論效應改正 衛星鐘相對論效應是由于衛星鐘和接收機鐘所處的狀態 運動速度和重力 位 不同而引起的衛星鐘和接收機鐘之間產生相對鐘誤差現象 GPS 衛星鐘比地 面鐘走得快 每秒約差 0 45ms 為了保持地面接收到的信號頻率與 GPS 系統設 計的信號頻率一致 在衛星發射之前人為將 GPS 衛星鐘的標準頻率減小約 0 0045MHz 但由于 GPS 衛星軌道并非圓軌道 且衛星所在位置受到的地球重力 場影響也不同 相對論效應對衛星鐘頻率的影響并非常數 經過上述改正后仍有 殘余 2 衛星姿態影響 a 衛星天線相位中心改正 由于 GPS 衛星定軌時利用的力模型都是對應衛星質心的 因此在 IGS 精密星 歷中衛星坐標及衛星鐘差都是相應于衛星質心而不是相應于衛星天線相位中心 的 而 GPS 觀測值是相應于衛星天線相位中心和接收機天線相位中心的 一般來 說 衛星天線相位中心與衛星質心并不重合 在精密單點定位中 不能利用差分 的方法消除或削弱其影響 因此必須考慮其改正模型 在星固系中 衛星相位中 心相對于衛星質心的偏差如表 2 1 所示 7 表 2 1 星固系中衛星天線相位偏差 m 衛星系列 星固系下衛星天線相位中心偏差 m X Y Z Block II IIA 0 279 0 1 023 Block IIR IIF 0 0 0 b 相位纏繞 GPS 衛星發射的是右旋極化 RCP 的電磁波信號 接收機觀測到的相位值 依賴于衛星天線與接收機天線間的相互方位關系 接收機天線或衛星天線繞極化 軸向的旋轉會改變相位觀測值 最大可達一周 天線旋轉一周 這個效應就稱 為 相位纏繞 在精密單點定位中這個影響必須加以改正 3 高采樣率的衛星鐘差 GPS 衛星鐘差產品的時間間隔一般為 5 分鐘和 30 秒 6 在實際應用中 GPS 接收機觀測數據采樣間隔一般與外部給出的鐘差產品的時間間隔不一致 需要進 行鐘差的插值處理 其插值誤差將直接影響精密單點定位的精度 GPS 衛星鐘差 即使在 SA 取消以后 在短時間內的變化仍然比較大 若對采樣間隔較大的鐘差 數據進行插值計算 則會產生較大的插值誤差 從而影響 PPP 定位結果的精度 所以 要提高 PPP 定位尤其是高頻動態 PPP 定位結果的精度 應采用高采樣率衛 星鐘差產品 7 4 與測站有關的改正 a 地球固體潮汐 固體潮與海洋潮汐產生的原因相同 天體 太陽 月球 對彈性地球的引力 作用 使地球固體表面產生周期性的漲落 且使地球在地心與天體的連線方向上 拉長 在與連線垂直方向上趨于扁平 由與緯度相關的長期項及周期分別為 0 5d 和 1d 的周期項組成 在 GPS 雙差相對定位中 對于短基線 1000km c 地球自轉參數的日變化改正 Sub daily ERP 5 天頂對流層參數估計 對流層延遲影響通常表示為天頂方向的對流層延遲量 z D 和同高度角相關 的投影函數 M 的乘積 90 的對流層延遲是由大氣中干燥氣體所引起的 稱為干 分量延遲 其余 10 是由水汽所引起的 稱為濕分量延遲 因此 對流層延遲可 用天頂方向的干 濕分量延遲及其相應的投影函數表示 EMDEMDD wetwetzdrydryzTrop 6 模型 改正和解算策略同 IGS 的兼容性 精密單點定位中使用 IGS 的精密星歷和鐘差產品 且進行強制約束 在定位 處理過程中需盡量保持使用的模型 觀測值的加權策略及相應協議與 IGS 數據處 理分析中心所使用的一致 9 2 2 相對定位 GPS 單點定位 或稱絕對定位 中 定位精度必然受到衛星軌道誤差 鐘差 及信號傳播誤差等因素的影響 雖然通過模型改正可以削弱其中一些系統性誤 差 但仍會存在很大的殘差 因此普通的絕對定位很難滿足精密測量的要求 為 了解決單點定位精度低的問題 GPS 相對定位技術應運而生 GPS 相對定位也叫 差分 GPS 定位 是目前 GPS 測量中定位精度最高的定位方法 廣泛地應用于大地 測量 精密工程測量和地球動力學的研究中 而石油物探測量的控制測量也主要 采用這種技術來聯測高等級控制點 以及建立 RTK 測量基準站 2 2 1 相對定位的概念 相對定位通常是將兩臺接收機分別安置在基線的兩個端點 保持接收機位置 靜止不動 同步觀測 4 顆以上的 GPS 衛星 來確定基線兩個端點在協議地球坐標 系中的相對位置 在實際的生產中 為了提高工作效率 會根據可用 GPS 接收機 的數量 采用多臺同步觀測的方法 這樣在可以同時測定若干條基線向量 這樣 不僅可以減少重復架設儀器引入誤差 而且增加基線觀測量 有利于提高觀測成 果的可靠性 靜態相對定位基本觀測量為載波相位觀測量 由于載波波長較短 其測量精 度遠高于碼相關偽距測量 并且 采用載波相位觀測量的不同線性組合可以有效 地削弱衛星星歷誤差 信號傳播誤差以及接收機鐘不同步對定位的影響 天線長 時間固定在基線兩測站上進行觀測 可保證取得足夠多的觀測數據 從而可能準 確地確定整周未知數 由于靜態相對定位有效地消除或削弱了 GPS 觀測中的多項 誤差 因此靜態相對定位具有很高的精度 通常采用廣播星歷定位時 精度也可 達到 6 10 7 10 如果采用精密星歷和衛星軌道參數 定位精度還可以提高 1 到 2 個數量級 這是常規大地測量方法很難達到的 2 2 2 靜態相對定位的觀測方程及其解算 載波相位相對測量中 GPS 測量受到多種誤差的影響 如衛星軌道誤差 衛 星鐘差 接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響 使得精度大大降低 通過研究各種誤差規律 建立改正模型對其進行改正 可以提高定位精度 但是 由于誤差的影響往往難以完全消除 所以 觀測值中仍存在殘余的影響 理論上 每一個觀測歷元針對誤差因素設立一個未知參數 可以解決這一問題 然而 這 樣觀測方程中會增加大量與定位無直接關系的未知參數 大量的多余未知參數不 但增加了平差計算的工作量 而且影響定位未知參數的可靠性 由于上述 GPS 觀測誤差對兩個或多個觀測站同步觀測相同的衛星具有較強 10 的相關性 因此 將這些觀測量進行不同的線性組合可以簡單有效地消除或削弱 誤差影響 在 GPS 相對定位中 通常采用單差 雙差和三差三種組合方式 1 單差觀測模型 所謂單差是指不同觀測站 同步觀測相同衛星所得觀測量之差 單差觀測值是把求差后的線性組合當作虛擬觀測值參與計算 這種求差可以 在衛星間 測站間 也可以在歷元 時刻 間進行 這種求差稱為求單差或一次 差 可以看出 觀測值間有三種求單差的形式 分別為測站間求差 衛星間求差 歷元間求差 求差后的虛擬觀測值可以組成各自的線性模型 一般的計算中多使 用測站間求差方法 可以將星歷誤差對測距的影響減降低到原誤差的千分之一 測站間求差的虛擬觀測模型具有以下優點 1 消除了衛星鐘差的影響 2 大大削弱了衛星星歷誤差的影響 3 大大削弱了對流層折射和電離層折射誤差的影響 在短距離內幾乎可 能完全消除其影響 2 雙差模型 所謂雙差即不同觀測站 同步觀測同一組衛星 所得單差觀測量之差 在不 同的測站同一時刻觀測兩顆衛星 忽略大氣折射殘差的影響 在衛星間求差 可 以消除觀測方程中的鐘差參數 因此在雙差模型中可以消除鐘差影響 3 三差模型 所謂的三差即在不同歷元 同步觀測同一組衛星所得雙差觀測量之差 在不同測站上分別在兩個不同歷元同時觀測兩顆衛星 可以得到兩個雙差觀 測方程式 再對兩個雙差觀測方程式求三次差 由于整周未知數與觀測歷元無關 在相減時被消去 從而得到不含整周未知數的三差觀測方程 此時三差模型中的 未知參數僅包含待定點的坐標 根據最小二乘法列出法方程 即可對三差模型進 行求解 靜態相對定位可以獲得很高的定位精度 但是存在定位時間過長的問題 它 要求至少同步跟蹤 4 顆衛星 觀測時間 1 小時以上 為了保證成果精度 對于長 基線觀測 需要更長的觀測時間 而實際生產中很多任務要求實時 快速 高精 度的定位 靜態相對定位技術無法滿足這個要求 2 2 3 動態相對定位 動態絕對定位作業簡單 易于快速實現實時定位 但是定位中受到衛星星歷 誤差 鐘差及信號傳播誤差等諸多因素的影響 定位精度不高 只能達到 10 50m 即使目前取消 SA 政策的情況下 也只達到 5 10m 的定位精度 很難滿足高精度 11 動態定位的要求 而靜態相對定位雖然可以達到精度要求 但無法實時快速地得 到成果 根據 GPS 測量誤差的相關性 可在 GPS 動態定位中采用相對作業方法 即 GPS 動態相對定位 該作業方法是用兩臺 GPS 接收機 其中一臺接收機安置在基 準站上固定不動 另一臺接收機安置在運動的載體上 兩臺接收機同步觀測相同 的衛星 并在觀測值之間求差 以消除具有相關性的誤差 提高定位精度 而運 動點位置是通過確定該點的相對基準站的位置來實現的 這種定位方法亦可稱為 差分 GPS 定位 動態相對定位可分為兩類 一類為測碼偽距動態相對定位 另一類為測相偽 距動態相對定位 測碼偽距動態相對定位 是由安置在基準點的接收機測量該點到 GPS 衛星的 偽距 該偽距中包含了衛星星歷誤差 鐘差 大氣折射誤差等誤差影響 而基準 站接收機位置已知 利用衛星星歷數據可以計算出基準站到衛星的距離 用戶接 收機包含有相同的衛星星歷誤差 當運動的用戶接收機與基準站相距不太遠 90 observations used 3 整周模糊度解算比 50 ambiguities fixed 4 RMS Static overall RMS 3 cm 5 Peak to Peak errors Easting Northing Hor Err Elevation 0 000 7206 95 25 6126 80 98 5726 75 69 5319 70 31 0 050 359 4 75 1301 17 20 1839 24 31 1927 25 47 0 100 0 0 00 138 1 82 219 2 89 291 3 85 0 150 0 0 00 0 0 00 1 0 01 28 0 37 Max Error 0 078 0 142 0 153 0 200 45 圖 4 2 各分量的誤差分布統計 Position Error 5726 1839 219 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 000 0 050 0 100 0 150 圖 4 3 平面位置誤差統計 圖 4 4 平面位置圖 46 結果結果分析 分析 表 4 1 各觀測值與均值的差值數量統計和所占比例 其中平面位置大于 0 15m 的觀測值為 1 個 小于 0 01 高程較差最大為 0 20m 全部小于 2 倍的 中誤差 水平 0 20m 和垂直 0 30m 圖 4 2 分別為在東坐標 北坐標和橢球高方向上的差值統計 圖 4 3 為平面 較差的分布統計 圖 4 4 為觀測值的平面位置圖 格網為 0 10m 圖 4 5 4 6 4 7 是差值在東 北 高三個方向上的分布情況 圖 4 5 差值在東坐標方向分布 圖 4 6 差值在北坐標方向分布 47 圖 4 7 差值在垂直方向分布 2 實驗觀測 2 觀測時段為 2007 年 12 月 31 日 19 06 06 至 22 36 16 總計 3 30 10 采用 5 秒采樣率 總共記錄 2499 條 GGA 格式位置信息 表 4 2 觀測值與均值的較差數量統計 Easting Northing Hor Err Elevation 0 2104 84 19 2407 96 32 1922 76 91 1015 40 62 0 05 324 12 97 91 3 64 502 20 09 963 38 54 0 1 67 2 68 1 0 04 71 2 84 323 12 93 0 15 4 0 16 0 4 0 16 131 5 24 0 2 52 2 08 0 25 13 0 52 0 3 2 0 08 Max Error 0 16 0 11 0 16 0 33 圖 4 8 差值在各方向上的統計 48 Position Error 1922 502 71 4 0 500 1000 1500 2000 2500 0 000 0 050 0 100 0 150 0 200 0 250 0 300 圖 4 9 平面差值分布統計 圖 4 10 平面位置散點分布圖 結果結果分析 分析 表 4 2 為各位置坐標與均值的差值數量統計及其所占比例 其中平面位置較 差大于 0 15m 的觀測值為 4 個 占 0 16 高程較差最大為 0 33 米 99 92 小 于 2 倍的中誤差 0 30m 綜合圖 4 8 的東坐標 北坐標和橢球高方向上的差值統計圖表 圖 4 9 的 平面差值分布統計和圖 4 10 格網為 0 05 米的平面位置離散圖 可以表明 OmniStar XP 具有很高的定位精度 完全滿足標稱的水平 15cm 和垂直 30cm 誤差 水平 49 3 實驗觀測 3 北京采集的 OminiSTAR 數據和分析 2008 年 3 月 28 日 測試在北京市海淀區城區進行 采用 1 秒采樣率 共記 錄 39693 個位置數據 測試 OmniStar XP 服務在不同區域 不同環境的可靠性 圖 4 11 平面位置收斂情況 圖 4 12 高程收斂情況 50 結果結果分析分析 通過對北京城區采集數據進行分析 可得出這樣的結論 1 在成果重復性 穩定性測試方面 相對于均值 99 84 的水平誤差小 于 15 厘米的標稱精度 99 92 的垂直誤差小于 30 厘米的標稱精度 達到 了標稱的 95 的置信水平 具有很高的可靠性 完全可以滿足地震勘探對測量的 精度要求 2 從數據分析可以看出 北京市城區采集的數據高程方面有明顯的干擾 綜合以上兩地三組測試數據 可以得出這樣的結論 OmniStar XP 差分服務 位置誤差在特定時段內存在一定的方向性 平面精度可以達到標稱的 15 厘米 垂直精度優于標稱的 2 倍平面精度 在離 OmniStar 參考基站較遠的地區 如中國西北 中亞地區和俄羅斯 如 果使用這項目技術還得做進一步和論證 4 實驗觀測 4 測試目的 檢驗 OmniStar 差分系統的基準與 ITRF2000 框架的符合性 OmniStar 在美國之外提供的參考站的差分改正值都是基于 ITRF2000 基準 的 ITRF2000 與 GPS 所采用的 1984 世界橢球只有微小的差別 一般情況可以忽 略不計 假設使用 OmniStar XP 差分改正服務得到的定位成果與 ITRF2000 具有 很好的符合性 那么就可以考慮通過這種方法的長時間觀測求均值方法取得未知 點的 ITRF2000 成果 這樣可以提高控制網建網速度 控制成本 測試方案 測試方案 選取一測試站點 進行 24 小時的靜態觀測 與 IGS 跟蹤站聯測得到精確的 ITRF2000 坐標 在同一個點上進行幾個小時的連續 OmniStar XP 星站差分定位 觀測 求取平均位置 比較兩種觀測方法的差值 以確定星站差分的精度是否在 接受的范圍 是否可用于獲得高精度 WGS84 成果 測試結果分析 測試結果分析 IGS 聯測 GPS 靜態觀測 15 秒采樣率 15 度截止高度角 數據處理使用澳 大利亞在線 GPS 數據處理服務 AUSPOS 處理信息和結果如下 表 4 3 觀測信息 User File Antenna Type Antenna Height m Start Time End Time 01210010 08o LEIAX1202GG NONE 0 0000 2008 1 1 5 51 2008 1 2 7 12 表 4 4 參考站信息 51 Date IGS Data User Data Orbit Type 2008 01 01 Mate cagz nico 0121 IGS Rapid 2008 01 02 Mate mate cagz 0121 IGS Rapid 表 4 5 計算結果及 RMS Latitude DMS Longitude DMS Ellipsoidal Height m Above Geoid Height m Mate 40 38 56 8753 16 42 16 0570 535 651 490 025 Nico 35 8 27 5517 33 23 47 2076 190 015 162 019 Cagz 39 8 9 2046 8 58 21 9329 237 971 191 410 0121 29 26 14 8949 17 56 10 0894 353 155 324 473 0121 0 003m 0 004m 0 034m RMS 星站差分定位觀測 采用 5 秒采樣率 記錄 3 小時 30 分 共獲取 2499 個位 置坐標 分析結果見表 4 6 圖 4 13 4 14 4 15 表 4 6 星站差分數據誤差統計表 Easting Northing Hor Err Elevation 0 1613 64 55 2283 91 36 1275 51 02 551 22 05 0 05 859 34 37 215 8 6 1178 47 14 1261 50 46 0 10 27 1 08 1 0 04 46 1 84 459 18 37 0 15 0 0 0 0 0 126 5 04 0 20 0 61 2 44 0 25 30 1 2 0 30 11 0 44 Max Error 0 129 0 109 0 135 0 366 52 Ell H 551 1261 459 126 61 30 11 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 000 0 050 0 100 0 150 0 200 0 250 0 300 圖 4 13 高程誤差統計 Position Error 1275 1178 46 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 000 0 050 0 100 0 150 0 200 0 250 0 300 圖 4 14 平面誤差統計 表 4 6 為星站差分單點定位結果相對于 IGS 聯測結果為真值的誤差分布統 計 平面最大為 0 135 米 高程最大為 0 366 米 圖 4 13 4 14 為高程和平面 誤差分布統計 結果表明星站差分單點定位精度無法滿足獲得精確 WGS1984 起算 坐標的要求 圖 4 15 為星站差分單點定位結果的分段 360 個記錄為一個段 均值與 IGS 聯測結果的差值比較 可以看出第一的均值和第二段的均值由于初始 化成功后初期 誤差較大 所以均值的誤差也較大 以后的每個段均值都小于 3cm 完全可以滿足起算坐標的精度 53 圖 4 15 差分單點定位坐標與 IGS 聯測結果分段比較 表 4 7 IGS 聯測結果與星站差分結果均值比較 測量方法 東坐標 m 北坐標 m 橢球高 m 平面 m 星站差分均值 202771 281 3260363 379 353 195 與 IGS 靜態聯測 202771 313 3260363 364 353 155 較差 0 032 0 015 0 040 0 035 表 4 7 的中的星差分均值為所有觀測數據的均值 比較結果可以看出 3 個多 小時的星站差分靜態單點定位坐標均值與 IGS 聯測坐標的平面和橢球高比較差 值均優于 5cm 結合圖 4 15 可以得出這樣的結論 1 采樣率小于 5 秒 觀測時長 1 小時以上星站差分靜態單點定位坐標的 均值在平面和高程方向均優于 5cm 精度水平完全可以達到石油勘探測量起算點 的精度要求 因此這種辦法可以考慮在無 WGS84 起算點地區 作為快速得到精確 的 WGS84 坐標的一個途徑 2 此時 星站差分靜態單點定位采樣率應該不大于 5 秒 用于計算平均 位置的觀測記錄 應該是接收機初始化成功 坐標穩定后的觀測記錄 這里建議 選取觀測開始 1 小時以后的記錄參與計算 54 4 3 3 移動基準站測試 移動基準站 指的是在進行載波相位相對定位時 將基準站也設置在運動的 載體上 用戶定位是通過解算其到移動基準站的相對位置來獲得 也被稱為移動 基準站 GPS 載波相位差分技術 由于 Trimble DSM232 沒有移動基準站 Moving Base 功能 還有本身作為 基準站要求參考點坐標差值的限制 參考點的已知坐標與準確 WGS84 坐標差值不 得大于 5 米 移動基準站測試研究的 GPS 接收機采用 Trimble SPS551 進行 2008 年 4 月 23 日 北京通縣郊區 OmniStar 經 SPS551 轉發差分信號給流 動站 流動站以 RTK 方式接收 流動站做靜態單點定位 圖 4 16 流動站數據情況 由圖 4 16 可以看出 流動站使用移動基準站發送的差分改正信號計算出的 位置相互最大差值東坐標小于 5cm 北坐標小于 11cm 高程小 10cm 收斂精度 55 要好于 OminiStar XP 本身的精度 這與廠家提供理論參考相符 移動基準站測試也發現了一些問題 在 2008 年 4 月 23 日做移動基站測試過 程中出現一次數據丟失情況 在后面的測試中又出現了相同的情況 說明儀器的 運行還不足夠穩定 紅顏色標記的數據 為單機固定解數據 說明差分信號丟失 數據偏移 1 米 左右 針對這個問題 分析原因做了以下幾個方案的測試 1 改變差分信號輸出頻率 因為當輸出頻率為 10Hz 時 傳輸數據量較大 因此將基準站輸出頻率從 10Hz 改為 5Hz 發送 5Hz 是 Trimble 為了解決客戶遇到的問題在新版本里增加的選項 但結果還有數據丟失現象 2 改變電臺設置 基準站數據丟失還有一個可能原因是數據鏈電臺傳輸問題 所以將電臺空中 傳送速率從 19200 改為 9600 但測試中還有數據丟失現象 移動基準站移動基準站實驗結論實驗結論 1 精度方面 當差分改正信號正常發送時 移動基準站方法的定位精度 可以達到平面 10cm 高程 10cm 說明定位精度是可以滿足物探測量的精度要求 的 2 移動基準站設備工作不夠穩定 當衛星變換時基準站發生差分數據丟 失情況 進而造成流動站定位結果錯誤 通過反復測試和大量的數據分析 產生 的問題與移動基準站 Tri