GPS精密单点定位精度测试与分析(1)

·组合导航技术·

文章编号：1005-6734(2006)06-0023-04

GPS精密单点定位精度测试与分析

高成发，陈安京，陈 默，王小辉

（东南大学 交通学院，南京210096）

摘要：GPS精密单点定位技术是目前GPS研究领域的热点之一。文中先简要介绍了精密单点定位的数学模型、数据处理总体思路以及不同IGS产品对解算结果的影响；然后从静态和地面车辆动态两种模式分别介绍了精密单点定位精度测试过程与数据分析结果。实验测试结果表明：精密单点定位可以达到厘米级的定位精度（WGS 84坐标），收敛速度一般为30 min之内。 关 键 词：GPS；精密单点定位；精度测试 中图分类号：U666.1

文献标识码：A

Test and analysis for precision of GPS precise point positioning

GAO Cheng-fa, CHEN An-jing, CHEN Mo, WANG Xiao-hui

(Transportation College of Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract：PPP (precise point positioning) is one of the hotspots in GPS research field. The paper introduced its math model and data-processing scheme, described the effects of different IGS products on the solution results and presented the testing process and the data analysis result for PPP in static and dynamic modes. It was verified that this method of PPP could reach the precision of centimeter-level (in WGS-84 coordinate), and the convergence time is generally within 30 min.

Key words：GPS; precise point positioning; precision test

0 前 言

传统GPS单点定位的精度仅能达到10 m左右，很难满足高精度导航定位的要求。因此差分GPS的作业方式应运而生，由于这种定位方式可以消除或大幅度削弱接收机钟差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟及其轨道误差等影响，并能达到厘米级的高精度，差分GPS定位在导航定位领域得到广泛应用。但它存在需要在作业区附近建立差分基准站、流动站与基准站之间的作业距离受到、精度不均匀等不足之处，直接影响了其作业效率与工程质量。十多年来国内外专家学者也做过一些改进，但未能从根本上改变“差分GPS”的理念。。

精密单点定位（Precise Point Positioning，简称PPP）是利用高精度的GPS卫星星历和卫星钟差以及单台接收机的双频载波相位观测值进行定位，这一概念最初是在1997年由JPL的Zumberge等人提出并在他们开发的数据处理软件GIPSY上给予实现的。由于PPP仅利用单台接收机即可在全球范围内进行静态或动态高精度定位，并且能直接得到高精度的ITRF框架坐标，真正实现了全球高精度无缝观测。因此，它在高精度工程测量和动态高精度的导航与定位等方面都具有不可限量的应用前景。随着GALILEO等GPS之外的新一代全球导航定位系统相继投入使用，可以预见未来的PPP将会给导航定位领域带来新一轮性的变化。

PPP是近几年来刚刚兴起的高新技术，应用前景十分广泛，已成为GPS研究领域的热点之一。在PPP的精度测试方 收稿日期：2006-09-14；修回日期：2006-12-09 作者简介：高成发（1963—），男，副教授，博士，长期从事GPS领域的理论教学与科研工作。 电子邮箱：gaochfa@sohu.com

2006年12月 中国惯性技术学报 24 面，人们一直在探索和研究之中，特别是动态精度测试，有很多不同的测试方法。本文在简要介绍精密单点定位的数学模型、数据处理总体思路以及不同IGS产品对解算结果的影响的基础上，以专业的精密单点定位软件P3软件为工具，通过实测的试验数据对静态和地面车辆动态情况下的精密单点定位精度进行了较为详细的分析，并得到了一些可供借鉴的结论。

1 精密单点定位（PPP）的原理

1.1 精密单点定位的概念及关键之处

与传统的GPS载波相对定位相比，PPP具有模型复杂、待估参数多等特点。式（1）即为PPP的观测方程：

LΦ = ρ + c(dt - dT) +λ N + M·z + ε （1）

式中，LΦ 为L1 和L2 无电离层相位组合观测值(距离)；dt为地面GPS 接收机钟差；dT 为GPS 卫星钟差；N为无电离层组合相位观测值的模糊度(已不具有整数特性)；M 为投影函数；z为天顶方向对流层延迟改正参数；ε为组合相位观测值的观测噪声和多路径误差；ρ为测站和GPS 卫星间的几何距离。

由式（1）可见，精密单点定位是利用高精度的GPS卫星星历和卫星钟差，以及双频载波相位观测值，采用非差模型进行高精度单点定位的方法。精密单点定位的解算过程如下：到IGS官方网站下载精密卫星星历和卫星钟差，输入精密卫星星历和卫星钟差，然后利用非差相位观测值解算测站的位置参数，同时解算非差整周模糊度、接收机钟差及对

观测值权的确定数据预处理（包括周跳的探测与修复、粗差剔除、初始整周模糊度的确定、相位平滑伪距等）原始GPS接收机观测数据文件转换成Rinex数据格式文件精密卫星星历和卫星钟差文件流层延迟等参数,其解算过程如图1所示。

为了达到dm级甚至cm级(比传统GPS单点定位高数十倍甚至数百倍)定位精度，精密单点定位主要有如下关键之处：

1） 在定位过程中需同时采用相位和伪距观测值；

2） 需使用精密卫星星历和精密卫星钟差等重要数据。目前静态或事后处理的动态用户已经可以无偿从IGS、JPL等网站上获取，事后精密卫星星历的精度己优于5 cm，精密卫星钟差的精度己达0.1 ns 。

生成结果、输出文件参数估计（测站位置、接收机钟差、对流层延迟、整周模糊度等）定位解算得到坐标、模糊度、站钟改正、对流层延迟改正等参数图1 精密单点定位解算过程图 3） 在解算模型中需考虑固体潮、大洋负荷、卫星天线相位偏差等误差的精确改正模型。

4） 精密单点定位无法固定整周模糊度，并且其定位质量依赖于的非差观测数据的质量。因此，非差观测数据的预处理显得尤为关键。 1.2 IGS产品介绍

精密卫星星历和钟差是精密单点定位的基础。目前，能够提供精密卫星星历和钟差的主要有两个机构：美国地球空间局（NGA－National Geospatial-Intelligence Agency）和国际GPS服务组织IGS，其中IGS是使用最多、精度最高、最有权威的数据发布机构（网址：http://igscb.jpl.nasa.gov /components/prods_cb.html）。

IGS精密星历采用SP3格式给出15 min、5 min或30 s等时间间隔点上的卫星坐标和卫星钟差，坐标参考基准属于ITRF参考框架。目前，IGS事后精密卫星星历的精度已优于5 cm，精密卫星钟差的精度已达0.1 ns。IGS事后精密卫星星历和卫星钟差产品包括：超快速产品（Ultra-Rapid）、快速产品（Rapid）和最终产品（Final）三种，它们在精度、时延、更新率和采样率方面是不同的，如表1所示。 2 GPS精密单点定位精度测试与分析 2.1 静态精密单点定位精度测试与分析

静态精密单点定位的精度测试是在某精确坐标已知的基站上架设仪器，进行多时段观测，然后用加拿大CALGARY

最终产品 表1 IGS精密卫星星历和卫星钟差产品质量指标 产品名称 超快速产品轨道 精度 -10 cm -5 ns ＜5 cm0.2 ns ＜5 cm0.1 ns ＜5 cm＜0.1 ns时延 实时 更新率 采样率12 h 15 min（外推部分）卫星钟差超快速产品轨道 （实测部分）卫星钟差快度产品 轨道 卫星钟差轨道 卫星钟差3 h 12 h 15 min15 min5 min15 min5 min17 h 每天 13天 每周 25 高成发等：GPS精密单点定位精度测试与分析 第6期 大学研制的商业解算软件P3进行事后解算，把解算结果数据与基站已知数据进行比较。本文试验是选用Leica530SR双频接收机，每个时段的观测时间大约为1 h，观测了20个有效时段；数据采样率为10 s，卫星截止高度角设定为15°。

图2是其中一个观测时段采用IGR和IGS星历在N、E、H分量上的收敛曲线。从图中可以看出，17 h的快速星历钟差产品IGR和13天的最终星历钟差产品IGS的定位绝对误差基本相同，N、E方向上几乎没有差值，H方向上有微小偏差，对定位精度没有影响。两者解算结果在N、E、H三个方向上

32.521.510.50-0.5-1-1.5-2-2.5-3237000238200239400240600图2 不同精密卫星星历的收敛曲线均能达到厘米级的定位精度，绝对误差变化趋势基本一致，这表明IGS提供的快速星历钟差产品和最终星历钟差产品对静态精密单点定位精度的影响是基本等价的，因此在坐标解算时使用快速产品即可，不需要等待最终产品。

表2为其中三个观测时段分别采用IGR、IGS、JPL、CODE的解算结果总结。从表中的解算结果可以得出如下结论：1）利用1 h静态观测数据进行单点定位解算，其平均点位精度（WGS 84）可达7.3 cm；2）卫星钟差改正采样间隔是影响收敛的重要因素，与5 min采样间隔的卫星钟差IGR、IGS相比，30 s采样间隔的JPL、CODE的解算收敛速度明显加快，在达到10 cm以内精度所需收敛时间从40多分钟减小到20多分钟。

2.2 动态精密单点定位精度测试与分析

本文将从内符合精度和外符合精度两个层面分析动态精密单点定位的精度。首先是把基站的静态观测数据模拟动态解，计算其RMS值，从内符合角度进行精度分析；然后把动态精密单点定位解算结果同差分解算结果作比较，从外符合角度进行精度分析，其技术处理路线如图3所示。

为了能够客观地评价地面车辆的动态精密单点定位的精度，笔者进行了多次地面车辆动态试验，由于篇幅，本文以其中一组数据为例进行分析。试验是在加拿大卡尔加里某机场附近进行的，时间是2005年11月5日。在试验车上放一台SF-2050M型双频接收机，采集动态数据用于单点定位解算和差分的移动站解算；同时在卡尔加里大学GPS实验室楼顶选择精确坐标已知的S5点作为基

画出收敛曲线两者处理结果比较GrafNav差分处理包双频接收机原始观测数据文件（基站）表2 收敛时间和精度统计 星历类别 时段 <10 cm 纬度(min) 平均 精度(cm) 平均 <10 cm (min) 经度平均 精度(cm) 平均 <10 cm 高程(min) 平均 精度(cm) 平均 3.8407.72.83 17IGR IGS JPL CODE 5 166 463 175 146 463 325 6 3 5 6 4 11 21 21 1326 26 21 13 0.74.02.00.46.01.62.5 0.2 1.1 3.75.02.5 2.8 1.4 3.3 4239474239288 42 22 / 2343 43 26 23 4.55.78.05.16.03.910 2.3 4.3 13.8 0.95.9 6.4 5.4 6.3 565040533423 35 16 115149 46 31 26 3.60.53.01.72.04.32.2 0.4 7.4 1.56.52.6 2.2 2.3 5.1 双频接收机原始观测数据文件（移动站）IGS或其分析中心提供的精密卫星星历和卫星时钟文件转换成Rinex文件转换成Rinex文件P3软件处理包图3 动态高精度单点定位精度测试的技术路线2006年12月 中国惯性技术学报 26 站，安放另一台同样的接收机，采集原始观测数据用于差分解算。试验从19点08分开始，于20点07分结束，试验车行驶时间为60 min。车速控制在每小时60 km之内，接收机的采样率为1 s。 2.2.1 内符合精度分析

采用了某基站一个小时的静态观测数据，使用P3软件对静

RMS/m 0.050.0450.040.0350.030.0250.0257000 58000 59000 60000 61000 62000GPS时间/s 态数据模拟动态解，求解出其RMS值的纬度、经度和高程三维分量随GPS时间的变化曲线如图4所示。从图中可以看出，三维分量上的RMS值均小于4.5 cm，因此，动态精密单点定位的内符合精度可以达到6 cm的水平。这说明对于精密单点定位而言，动态定位和静态定位只存在环境模式的差别，而数学定位解算模型的差别不大。

2.2.2 动态精密单点定位同差分解和已知坐标的比较

将动态观测数据用P3软件进行解算，其解算结果同商业软件GrafNav的差分解算结果作比较，其比较结果见图5。从图

图4 动态单点定位RMS值随GPS时间的变化曲线均点位偏差为10.8 cm。由此可见，纯动态精密单点定位解的精度比静态数据动态解的精度要差，其主要原因是数据观测的质量较差和观测环境的影响。

3 结束语

本文对GPS精密单点定位的静态和地面车辆动态的定位精度进行了试验与分析。通过分析可知，静态精密单点定位在进

3Error/m 中分析结果可见，三维平均偏差分别为2 cm、8 cm和7 cm，平

GPS时间/s 图5 P解算结果与GrafNav解算结果的偏差行30 min以上观测，并且采用IGS分析中心提供的采样间隔30 s的卫星钟差产品时，其定位的绝对精度可以达到7 cm以内；同样，在采用IGS分析中心提供的采样间隔30 s的卫星钟差产品时，动态精密单点定位也可以达到10 cm左右的定位精度。由于GrafNav软件本身存在一定的解算误差（cm级精度），其定位精度还有进一步提高的潜力；与5 min采样间隔的卫星钟差IGR、IGS相比，30 s采样间隔的JPL、CODE的解算收敛速度明显加快。随着对收敛速度研究的进一步深入，PPP将会在更广范围内进入实质性的应用。

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