基于高度角的GPS單點定位隨機模型研究

張莎莎,鄭黃成,李 信,劉 聰,王銘愷

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

基于高度角的GPS單點定位隨機模型研究

張莎莎?,鄭黃成,李 信,劉 聰,王銘愷

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

GPS單點定位精度與誤差方程的權矩陣相關,合理的定權隨機模型能夠提高定位精度。目前在用偽距法絕對定位方法解算測站坐標中,定權標準并不統一。通過對基于高度角的GPS單點定位定權隨機模型進行研究分析,提出一種新的隨機模型,以提高靜態單點定位精度。

GPS單點定位;靜態絕對定位;高度角;隨機模型

1 引 言

GPS絕對定位也叫單點定位,即利用GPS衛星和接收機之間的距離觀測直接確定用戶接收機的絕對位置。對GPS用戶來說,在實際應用中單點定位精度越高越好。但因為受到衛星軌道誤差、鐘差以及信號傳播誤差等因素的影響,靜態絕對定位的精度僅約為米級。為了提高定位精度GPS定位要求建立函數模型和隨機模型[1]。

目前,國內外現有的GPS單點定位隨機模型主要有等權模型、衛星高度角定權[1,2](主要為基本函數法、經驗函數法)以及GPS/GLONASS組合定位用先驗定權方式建立隨機模型[3],但是這些模型對精度的提高存在局限性,本文的研究目的在于尋找一種新的基于高度角的GPS單點定位隨機模型,提高定位精度。

2 基于高度角的GPS單點定位隨機模型

2.1 GPS單點定位原理

偽距法定位是由GPS接收機在某一個時刻測出得到4顆以上GPS衛星的偽距以及已知的衛星位置,采用空間距離后方交會的方法求定測站點的三維坐標。

偽距定位觀測方程:衛星的坐標(XS,YS,ZS),接收機坐標(X,Y,Z),接收機鐘差σtk,j為衛星數,j=1, 2,3,…,ρ′為偽距觀測值,σρ1,σρ2分別為電離層和對流層的改正項,為衛星鐘差,則:

上式即為偽距定位的觀測方程組。

則線性化的形式為:(令c·σtk=σρ)

解算過程:首先假設地面初始坐標為(0,0,0)根據方程式(4)和方程式(5)求解坐標改正量,改正初始坐標,并對以上步驟進行迭代計算直到相鄰兩次坐標差小于10e-5;用廣播星歷進行衛星鐘差改正、電離層延遲誤差改正采用Klobuchar模型[4]、對流層改正采用Hopfield模型。

2.2 基于高度角的Ln函數隨機模型

不同衛星發射的信號,傳播路徑不同,相應的觀測值精度也不相同。對流層延遲誤差隨著衛星高度角的減小而逐漸增加,衛星高度角高的信號質量通常優于衛星高度角低的信號[5]。

在此基礎上,經過研究試驗提出了Ln函數隨機模型:

其中:σA,K為衛星觀測值中誤差,為觀測衛星高度角,σ0為單位權中誤差。

圖1 函數模型圖

3 數據處理及分析

2013年10月27日10:00～2013年10月27日10:25合肥工業大學CORS站的GPS觀測數據。參考坐標采用GAMIT軟件聯合IGS站數據解算得到,精度較高,可作為真實坐標。

分別利用等權模型,sin函數模型,Ln函數模型計算50歷元的觀測數據(觀測間隔為30 s),將各模型計算的每組數據導入Matlab中繪制x,y,z各方向的坐標殘差走勢曲線進行精度比較,如圖2所示。另外計算出各模型的內﹑外符合精度如表1所示。

圖2 坐標殘差圖

表1 內(外)精度符合精度表

外符合精度:將內符合精度計算公式中的平均值(ˉx、ˉy、ˉz)替換為實際坐標(X、Y、Z)。由圖2可以看出Ln函數模型坐標殘差值小于等權模型及Sin函數模型的坐標殘差值;由表1可以看出Ln函數模型的內符合精度與等權模型、Sin函數模型相差不大,但外符合精度明顯較高;綜上分析,Ln函數模型對靜態單點定位精度的提高明顯優于等權模型及Sin函數模型。

4 結 論

本文所提出的Ln函數隨機模型相比于與等權模型與Sin函數模型定位精度有所提高。此外本文提出的Ln函數隨機模型也適用于GLONASS、北斗等衛星導航系統的單點定位。

[1] 徐鵬.基于衛星高度角的GPS觀測量隨機模型分析[J].測繪技術裝備,2013,15(1).

[2] 戴吾蛟,丁曉利,朱建軍.基于觀測值質量指標的GPS觀測量隨機模型分析[J].武漢大學學報·信息科學版, 2008,33(7).

[3] 高曉,戴吾蛟.GPS/GLONASS單頻偽距單點定位的權比分析[J].全球定位系統,2013,38(3).

[4] 徐紹銓,張華海,楊志強等.GPS測量原理及應用(第三版)[M].武漢大學出版社,2008.

[5] 劉志強,黃張裕,金建平.利用衛星高度角和信噪比提高GPS定位精度的試驗分析[J].測繪工程,2008,17(4).

Research of the Stochastic Model of GPS Standalone Based on Satellite Elevation Position

Zhang Shasha,Zheng Huangcheng,Li Xin,Liu Cong,Wang Mingkai
(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

The accuracy of GPS Standalone Position has relevance to the weight matrix of the error equations.So the reasonable stochastic model can improve the positioning accuracy.The standards of determining weight are not unified by using pseudo-range method to calculate station coordinates.By researching the stochastic model of GPS Standalone based on satellite elevation position,a new method is proposed to improve the accuracy of the Static Absolute Position.

GPS standalone position;static absolute position;satellite elevation;the stochastic model

2014—03—05

張莎莎(1993—),女,測繪工程專業大學本科學生,研究方向:GPS單點定位應用研究。

合肥工業大學校級創新項目(2013CXSY276)