中 国 科 学 院 上 海 天 文 台 年 刊
1999年第20期 ANNALSOFSHANGHAIOBSERVATORY ACADEMIA SINICA No.20,
1999
GPS卫星天空分布函数及其对
精密定位误差椭球的影响
熊 永 清
(中国科学院上海天文台,上海 200030)
提 要
与Geiger和Santerre的简单的均匀分布假设进行比较,本文较严格地考虑了GPS卫星天空分布
密度随赤纬和轨道倾角的变化,研制了SIMSKY软件,采用模拟计算的方法研究了 GPS星座对精密
定位误差椭球大小和三轴指向的作用;还研究钟差与测站坐标的相关程度。这种方法可以用于研
究不同纬度的测站网络对误差椭球和 zt相关性的影响、不同截止高度角对误差椭球和高程与时
间相关性的影响。
主
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
词:全球定位系统(GPS)— GPS卫星 — 分布函数 — 误差
分类号:P128.15
1 引 言
与其它空间测量技术一样,GPS精密定位技术也包含有许多随机误差和系统误差的影响,
即使在高精度的相对定位中,这种影响有时仍然相当严重。例如,对流层和电离层对 GPS信
号的延迟、卫星的星历误差、固定测站的坐标误差、多路径效应、天线相位中心的变化等等,这
些误差已经成为GPS技术中当前主要的研究课题。但是 GPS卫星星座并不是密布在地球的
上空,它在不同的纬度圈上出现的概率并不一样,甚至在天空的一部分区域(近极区)无卫星出
现,这种不均匀必然对测站定位产生系统性的影响。这种影响又会放大其它误差源,因此有必
要在理论上进一步讨论这个问题。
1988年,Geiger假设GPS卫星在测站上空的准半球上均匀分布(对所有的方位角和大于
20°的高度角)的情况下,利用模拟均匀分布的方法研究了对流层折射和天线相位中心变化对
定位的影响[1]。1991年,Santerre进而考虑了卫星在天空的不可视区,但仍然假设卫星在可视
区是均匀分布的,然后利用模拟计算和多扇区逼近的方法研究了 GPS卫星天空分布对定位的
影响[2]。事实上,GPS卫星在其可视区并非均匀分布,其分布密度随赤纬和GPS卫星的轨道与
赤纬圈的倾角而变化。
1998年4月6日收到。
中国科学院上海天文台青年实验室资助项目。
在考虑了GPS卫星分布密度随赤纬和轨道倾角的变化以后,采用数值计算方法模拟 GPS
卫星更为精确的天空分布函数,重新研究密度分布对精密定位误差椭球大小和三轴指向的作
用,同时给出了钟差确定和测站坐标的相关程度。这对 GPS定位实测精度的评估有积极作
用。
2 GPS卫星分布密度随赤纬和轨道倾角的变化
GPS工作卫星均匀分布在6个轨道面上,每个轨道面与赤道面形成一个大致相等的倾角,
图 1 GPS卫星的天空分布
Fig.1 Theskydistributionof
GPSsatellites
即图1中的 I角。因为GPS卫星的 I角不等于90°,GPS卫星不
是极轨卫星,因此不可能出现在图 1中所示的上下两个纬度
(南纬、北纬)值大于 I的阴影区。假设相对于地固坐标系卫星
的通过是均匀地分布在赤道圈上,则卫星在点 S(α,δ)的概率
密度函数可
表
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示为
P(α,δ)=0 δ >I
P(α,δ)=
1
sinIcos2δ δ≤
}I (1)
3 GPS解算的最小二乘原理和天空模拟技术
利用GPS的非差载波拍频相位观测模型[3]可以推导相位
的站间单差,通常称为单差:
ΔL=Δρ+c·ΔdtR-C·Δdt
s+λ·ΔφR(t0)
-λ·Δφ
s(t0)+λ·ΔM+Δdion+Δdtrop+Δv,
(2)
这里Δ表示站间的单差,通用的形式为Δ()ij=()j-()i,其中 i,j代表两台接收机;L
为载波相位观测值,ρ为测站至卫星的几何距离,c为真空中光的速度,dtR,dt
s分别为接收机
和卫星的钟差,λ为载波的波长,φR(t0),φ
s(t0)为接收机和卫星振荡器的初始相位,M为载
波相位的模糊度值,dion,dtrop分别为电离层折射和对流层折射的延迟,v为接收机的噪声和观
测模型的残差。
我们可以用(2)式通过固定一个测站的方法来确定另一个测站的位置。这种方法的好处
在于能够消除一些难以考虑的误差源,如在测站很接近时,可以认为对流层和电离层的影响在
单差中被抵消,单差的整周模糊度也较容易确定。
GPS技术经常被用来确定三维空间坐标和一维时间ξ
→
=(x,y,z,ct)T。方程(2)对待测
测站坐标(x,y,z)和测站钟差项 ct的偏导数可以写成:
ΔL?x=-cosAcosH≡ e1
ΔL?y=-sinAcosH≡ e2
ΔL?z=-sinH≡ e3
ΔL?ct=1≡ e
4
(3)
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这里选用的是测站的右手地平直角坐标系,x轴以东向为正,天顶方向为 z轴(A为方位角,
H为高度角)。根据最小二乘原理,在观测值等权的情况下,待测的未知参数Δξ
→可以写为
Δξ
→^
=N-1U, (4)
其中: N=
[e1e1] [e1e2] [e1e3] [e1e4]
[e2e1] [e2e2] [e2e3] [e2e4]
[e3e1] [e3e2] [e3e3] [e3e4]
[e4e1] [e4e2] [e4e3] [e4e4
]
(5)
U= [e1εΔV][e2εΔV][e3εΔV][e4εΔV( )] T (6)
这里Δξ
→^为待测参数ξ
→的估计量,N为法方程矩阵,εΔV为观测值减去理论值,即 O C。
在GPS资料处理中,N,U是根据实际的观测资料来计算的。Geiger和 Santerre给出了一
种不依赖实际观测资料而直接对GPS卫星的天空分布进行模拟来计算 N,U的方法。结合前
面第二节的卫星天空分布函数(1)式来讨论 GPS星座对待测参数影响的模拟计算方法。这个
方法的基本假设是GPS卫星在天空的分布是连续的,因此可以用积分代替(5)和(6)式的求和:
[eiej]=∫
Ato
Afrom∫
βmax
0
P(α,δ)eiejsinβdβdA, (7)
[eiεΔV]=∫
Ato
Afrom∫
βmax
0
P(α,δ)eiεΔVsinβdβdA, (8)
图 2 积分边界在地平坐标系的投影
Fig.2 Projectionofintegralboundary
(7)式和(8)式积分区域可参照图2。图2的积分
区域是从天顶方向到地平面的投影,其中 A为方
位角,以东指向为起点,逆时针方向为正,Afrom为
起始方位,Ato为结束方位。β为天顶距,β =90°
-H,水平时β=90°,βmax由观测截止高度角所限
制。得到法方程矩阵 N后,就可以讨论误差椭圆
的定向和大小问题,同时也可以讨论待测参数之
间的误差相关性问题。根据公式(1),必须先将
测站地平坐标(A,H)转换到地心赤道坐标(α,
δ),再求密度分布 P(α,δ)。
由于GPS卫星的轨道半径 r约为 26500km,
而地球半径 Re约为6378km,因此坐标转换时应
该考虑测站的地心位置。如图3所示,其中ζ为
测站L、地心 O和卫星S的夹角∠ LOS,β为卫
星S的天顶距,改正公式可以表达如下:
39第20期 GPS卫星天空分布函数及其对精密定位误差椭球的影响
图 3 地心、测站、卫星的相互关
系示意图
Fig.3 Relationshipamonggeocenter,
stationandsatellite
η =arcsin(sinβ·
Re
r),
ζ =β-η, (9)
矢量 OS
—→ 在地心地平坐标系中的直角坐标可以表示为
(OS
—→)L =(rcosζcosA,rcosζsinA,rsinζ), (10)
而 r=|OS
—→ |是卫星的轨道半径。
假设测站的地理经纬度为(θ,φ),根据坐标旋转的规则,
卫星在地心赤道坐标系的坐标可以通过下式得到:
OS
—→
=Rz -π2-( )θ Ry -π2-( )φ (OS—→)L, (11)
其中 Ry,Rz为绕y轴和z轴的旋转矩阵。从(11)式可以解算卫星的赤经α和赤纬δ。
根据公式(1),(3)~(11),我们研制了计算误差椭球的软件,并且取名叫做SIMSKY。
4 真实天空的模拟结果与Santerre模型结果的比较
为了能够和Santerre的模型结果进行比较,采用Santerre在文献[2]中所用的真实的GPS观
测资料。该资料于1986年9月3日,由8台GPS接收机同时观测得到。观测的截止高度角为
20°,根据卫星具体的天空分布可剔除5个无观测的扇区,即天空模拟时假设这些区域中密度
函数为0(当时卫星轨道的倾角为63°)。利用本文介绍的公式(1),(7)和(8)进行积分时也是按
照Santerre划分的扇区来进行的,计算的结果列于表1。
表 1 天空模拟的误差椭球和真实解算结果的比较
Table1 ThecomparisonoftheerrorellipsisbetweenSIMSKY
anddatumprocessing
方法 a?c az. el. b?c az. el. c?c az. el. σx?c σy?c σz?c
Ⅰ 2.6 215° 85° 1.5 31° 5° 1 121° 0° 1.2 1.4 2.6
Ⅱ 2.5 255° 88° 1.3 29° 1° 1 119° -1° 1.1 1.2 2.5
Ⅲ 2.5 298° 89° 1.3 31° 1° 1 121° 0° 1.1 1.2 2.6
表1中的方法Ⅰ表示GPS处理软件DIPOP的实际计算结果(观测网的7个非固定测站的平均
结果,见文献[2]);方法Ⅱ表示Santerre的模拟计算结果;方法Ⅲ表示由 SIMSKY计算的模拟结
果;a?c,b?c,c?c表示误差椭球的各个轴与短轴之比,其后的 az.,el.分别表示各轴的方位角
和高度角。由表1可见方法Ⅱ、Ⅲ都很好地模拟出误差椭球的大小和方向,而且方法Ⅲ的结果
比方法Ⅱ的结果在误差椭球的大小和方向上更接近于实际解算结果,但是主轴 a的方向却偏
离得更远,这是因为此时主轴的高度角几乎接近90°,方位角的很大差异引起主轴的变化很小,
这可能是由于对剔除扇区划分方法的不当引起了这个角度值的变化。
49 中 国 科 学 院 上 海 天 文 台 年 刊 1999年
表2列出了方法Ⅱ、Ⅲ模拟解算参数之间的相关性,其中各列分别表示各个测定参数的相
关性,如 zt表示高程和钟差确定的相关性。由表2可见方法Ⅱ、Ⅲ的各个解算参数之间的相
关性略有差异,但它们都表明 z t的相关系数在0.96以上。
表 2 解算参数之间的相关性
Table2 ThecoherencybetweenparametersbymethodsⅡ andⅢ
方法 zt x y x z x t y z y t
Ⅱ 0.97 0.22 -0.06 -0.07 -0.01 -0.01
Ⅲ 0.96 0.23 0.006 -0.001 -0.01 -0.04
5 测站的不同纬度对误差椭球和 z t相关性的影响
利用 SIMSKY软件,对 GPS工作卫星星座完成后位于不同纬度地区的测站网(基线短于
100km)进行高精度GPS定位的误差椭球作了计算,结果列于表3,其中卫星轨道倾角为55°,观
测的截止高度角为15°,观测时间不小于一个GPS卫星周期(大约半天)。
表 3 测站的不同纬度对误差椭球和高程与时间相关性的影响
Table3 Theeffectonerrorellipsisandthecoherencybetweenheightandtime
solutionduetodifferentstationlatitude
测站纬度 a?c a.a a.e b?c b.a b.e c.a c.e σx?c σy?c σz?c zt
0° 2.68 -- 90 1.04 0 0 90 0 1.04 1.0 2.68 0.95
10° 2.62 270 86 1.04 0 0 90 4 1.04 1.01 2.6 0.95
20° 2.49 270 83 1.03 0 0 90 7 1.03 1.04 2.47 0.94
30° 2.44 270 87 1.09 90 3 0 0 1 1.10 2.44 0.94
40° 2.52 90 89 1.12 90 -1 0 0 1 1.12 2.52 0.94
50° 2.54 90 84 1.01 0 0 90 -7 1.01 1.03 2.52 0.94
60° 2.62 90 85 1.02 0 0 90 -5 102 1.02 2.62 0.95
70° 2.55 90 87 1.0 0 0 90 -3 1.02 1.01 2.55 0.95
80° 2.46 90 89 1.0 0 0 90 -1 1 1.0 2.46 0.96
从表3中可以看出,误差椭球的长轴与短轴之比变化不大,且长轴在测站的子午面内,非
常接近于天顶,最大相差为7°。当测站纬度小于某个角度(约40°)时,长轴指向天顶的南面,反
之有一个突变,长轴指向天顶的北面。第三轴与短轴之比变化也不大,但方向非常接近于水
平,最大相差为7°。第三轴与短轴的关系非常密切,当测站纬度从0°向高纬度变化时,它们之
间有两次转换,一次发生在20°~30°,另一次发生在40°~50°,因此椭球的短轴不一定指向东方
的地平线。产生长轴方向和短轴方向突变的原因可能是解算时间分量和解算坐标分量的相关
性影响,解算高程分量和时间分量的相关系数全都大于0.94。
59第20期 GPS卫星天空分布函数及其对精密定位误差椭球的影响
6 不同截止高度角对误差椭球和 z t相关性的影响
利用SIMSKY软件,我们还对GPS工作卫星星座完成后观测的不同截止高度角对误差椭
球的影响作了研究,结果列于表4,其中卫星轨道倾角为55°,测站的纬度取为我国领域的中间
纬度值35°,观测时间不小于一个GPS卫星周期(大约半天)。
表 4 不同截止高度角对误差椭球和 z t相关性的影响
Table4 Theeffectonerrorellipseandthecoherencyofztduetodifferentcutoffangle
高度角 a?c a.a a.e b?c b.a b.e c.a c.e σx?c σy?c σz?c zt
10° 2.3 270 90 1.1 90 0 0 0 1 1.1 2.3 0.92
20° 2.7 270 89 1.2 90 1 0 0 1 1.2 2.7 0.96
30° 3.2 270 89 1.2 90 1 0 0 1 1.2 3.2 0.98
40° 4.0 270 88 1.3 90 2 0 0 1 1.3 4.0 0.99
50° 5.0 270 88 1.3 90 2 0 0 1 1.3 5.0 1.00
60° 6.7 270 89 1.3 90 1 0 0 1 1.3 6.7 1.00
70° 9.8 270 89 1.2 90 1 0 0 1 1.2 9.8 1.00
从表4可以看出随着观测截止高度角的增加,a?c和zt的相关系数相应增大,当截止高
度角为10°时,z t的相关系数近似为0.92,此时的短轴指向北方,当截止高度角增加到50°以
上时,zt的相关系数近似为1,a?c的值也都在5以上。另外,短轴一般指向东方的地平线而
与截止高度角无关。而第三轴则不然,它在子午面上天顶的北边且接近于水平,第三轴的高度
角最初是随着截止高度角的增大而上升,在大约40°~50°左右变化很慢,以后又随着截止高度
角的增大而下降。
7 结 论
由此可见,采用本文介绍的模拟计算方法可以研究 GPS卫星天空分布的影响及对精密定
位误差椭球大小和三轴指向的作用,同时也可给出确定钟差和测站坐标时的相关程度。并且
在GPS卫星的工作卫星星座的前提下,用这种方法研究了测站的不同纬度对误差椭球和 z t
相关性的影响、不同截止高度角对误差椭球和 zt相关性的影响。当 zt相关系数很大时,参
数解算中不能完全分离 z,t,也就是解算 z和t的误差增大,对定位和定时都有影响。
对于不同的测站纬度,误差椭球的长轴与短轴之比变化不大,且长轴方向非常接近于天
顶,最大相差为7°。第三轴与短轴之比变化也不大,但方向变化较快,椭球的短轴并不一定都
指向东方的地平线。解算高程分量和时间分量的相关系数全都大于0.94。
对于我国的中纬度地区,a?c和zt的相关系数随着观测截止高度角的增加相应增大,当
截止高度角接近地平时,zt的相关系数最小为0.83,当截止高度角增加到50°以上时,zt的
相关系数接近于1,a?c的值也都在5以上。另外,短轴总是指向东方的地平线而与截止高度
角无关,而第三轴则在子午面上天顶的北边接近于水平,第三轴的高度角随着截止高度角的变
化而变化。
69 中 国 科 学 院 上 海 天 文 台 年 刊 1999年
提供的研究方法和结论可应用于今后的测量工作。与几何图形因子预测或事后判断单点
定位的精度一样,利用SIMSKY可以对测量
计划
项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载
进行精度估计,对误差椭球的大小和形状进行
判断。若定位精度或误差大小、椭球形状不符合实验的
要求
对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗
,可以及时地对测量计划进行调
整,以防止不必要的损失。利用SIMSKY同时也可以对实测结果进行检验,发现实测资料中的
问题或实测资料处理的不当,以获得最好的处理结果。
参 考 文 献
1 GeigerA.SimulatingdisturbancesinGPSbycontinuoussatellitedistribution.JoumalofSurveyingDnginering1988114
(4):182~194
2 SanterreR.ImpactofGPSsatelliteskydistribution.Manuscriptageodaetica1991,16:28~53
3 熊永清.GPS全球网和局部网的定轨定位分析.硕士
论文
政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载
,中国科学院上海天文台,1993
THEGPSSATELLITESKYDISTRIBUTIONFUNCTIONAND
ITSIMPACTONTHECONFIDENCEELLIPSOIDIN
PRECISESTATICRELATIVEPOSITIONING
XiongYongqing
(ShanghaiAstronomicalObservatory,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai200030)
Abstract
IncomparisonwiththesimplehomogeneousfunctionformofGeigerandSanterre,apreciseskydis
tributiondensityfunctionofGPSsatellitesrelatedtothestationlatitudeandtotheinclinationofsatellite
isstudied.AsoftwarenamedSIMSKYisdevelopedtoestimatetheimpactofGPSconstellationonstruc
tureoftheerrorguideanditsdirectionsoftheaxisesbymeansofsimulationcomputions.Atlast,theco
variancematrixisanalyzedasafunctionofstationlatitudeandobservationcutoffelevation.
Keywords globalpositioningsystem(GPS)— GPSsatellite— functionofdistribution— errorfunc
tion
79第20期 GPS卫星天空分布函数及其对精密定位误差椭球的影响