GPS精密單點定位部分誤差模型影響分析

化希鳳+張宏強

摘要：本文主要介紹GPS單點定位原理、GPS精密單點定位中誤差模型的改正，重點研究了對流層、電離層延遲改正。利用VC++程序實現了霍普費爾德（Hopfield）、薩斯塔莫寧（Sasstamoinen）對流層誤差改正模型程序、無電離層延遲組合改正模型程序，為開發一個可以利用廣播星歷文件或者精密星歷文件與觀測文件進行單點定位的軟件提供了參考。

利用霍普費爾德（Hopfield）改正模型加上Davis映射函數以及薩斯塔莫寧（Sasstamoinen）改正模型加上大部分區域的NMF映射函數兩者之間的精度對比，得出在大部分連續歷元中薩斯塔莫寧（Sasstamoinen）改正模型要優于霍普費爾德（Hopfield）改正模型，運用克羅布歇模型（Klobuchar）和無電離層延遲組合兩種方法，通過實測數據進行比較，得出無電離層延遲的改正要優于克羅布歇模型（Klobuchar）的改正。

關鍵詞：精密單點定位（PPP）；對流層改正；電離層改正

1. 引言

GPS精密單點定位就是利用精密衛星星歷和鐘差數據，以及單臺雙頻接收機采集的碼和相位觀測值，采用非差模型進行單點定位。非差觀測模型可用觀測值多，保留了所有的觀測信息，可以直接測得測站坐標，不同測站的觀測值不相關，測站與測站之間無距離限制；但同時它的未知參數也比較多，并且無法采用站間或者星間差分的方法消除誤差影響，必須利用完善的模型改正。

許多學者對精密單點定位技術的理論和方法進行了深入研究，尤其是在衛星鐘差估計和誤差模型改正方面，取得了大量的科研成果，但對靜態精密單點定位能夠達到的精度以及一定精度下的收斂時間并沒有準確數據。精密單點定位的關鍵之處就在于設法消除或減弱系統潛在的所有誤差。由于PPP利用單臺接收機的非差觀測數據定位，其誤差不能利用差分方法消除，只能通過建立誤差改正模型，參數估計、組合觀測值等方法減弱。

2. 精密單點定位與傳統單點定位對比分析

傳統GPS單點定位是指利用偽距及廣播星歷，采用距離交會法解算接收機天線所在點的三維坐標，又稱偽距單點定位。偽距單點定位的數據采集和數據處理簡單，定位速度快，用戶在任一時刻只需使用一臺GPS接收機就能獲得測點在WGS-84坐標系中的三維坐標。但由于偽距（即使是P碼偽距）的觀測噪聲至少也有幾十厘米，廣播星歷的軌道精度為幾米，衛星鐘差改正精度為幾十納秒，這種單點定位的坐標分量精度只能達到十米級（P碼單點定位精度約為3m），只能滿足資源調查勘探等一些低精度導航定位領域的需求。

受到偽距單點定位精度的限制，GPS導航定位技術通過幾十年的變化發展，提出了許多獲得厘米級精度的定位方法。目前廣泛使用的是差分GPS定位方法，通過組成雙差觀測值消除接收機鐘差、衛星鐘差等公共誤差，削弱對流層延遲、電離層延遲等相關性強的誤差影響，達到提高精度的目的。差分GPS無需考慮復雜的誤差模型，解算模型簡單、待估參數少、定位精度高，同時利用了雙差模糊度的整數特征，因而得到廣泛使用。其不足之處在于：（1）需要在參考站和移動站之間進行同步觀測（2）需要在參考站附近工作（3）參考框架間的矛盾。

針對差分GPS的不足和傳統GPS單點定位的低精度，1997年，JPL的Zumbeger等人首先提出了非差精密單點定位方法，即利用高精度的GPS衛星星歷和衛星鐘差以及雙頻載波相位觀測值，采用非差模型進行精密單點定位。GPS精密單點定位使用非差觀測值，GPS觀測值中的誤差不能通過差分的方式消除或削弱，只能通過不同頻率觀測值間的組合，用模型改正或加參數來估計。GPS定位的主要誤差源可以分為：和測站有關；和衛星有關；和信號傳播路徑有關等。