精密單點定位技術在船載重力測量中的應用

晏新村,歐陽永忠,林建炬,周萬里,李冬慶,劉晟

(1.91650部隊,廣東 廣州 10000;2.海軍海洋測繪研究所,天津 00061)

精密單點定位技術在船載重力測量中的應用

晏新村1,歐陽永忠2,林建炬1,周萬里1,李冬慶1,劉晟1

(1.91650部隊,廣東 廣州 10000;2.海軍海洋測繪研究所,天津 00061)

針對海洋某些測區無法布設基準站,無法使用差分定位方式進行定位的問題,將精密單點定位技術應用于船載重力測量,通過比對基于精密單點定位測量模式和傳統單點定位測量模式解算的交叉點不符值結果,驗證了精密單點定位技術在船載重力測量中應用的可行性,解決了遠海船載重力測量采用傳統單點定位精度較低的問題。

精密單點定位;重力測量;速度;加速度;交叉點不符值

0 引 言

海洋重力測量最常用的手段是將重力儀安裝在海面艦船內進行動態觀測,對測量剖面提供連續的觀測值。在船載重力測量中高精度確定艦船的位置、速度和加速度是船載重力測量的關鍵技術之一。位置、速度信息是計算各項重力改正值必不可少的信息,例如厄特弗斯改正、水平加速度改正、空間改正等;艦船垂直加速度的精確確定是分離垂直擾動加速度和重力信號的關鍵技術,艦船的垂直擾動加速度精度影響著重力異常的精度[1-3]。

長期以來,差分GPS技術是精確確定船載重力測量中艦船的位置、速度和加速度的有效手段,它的基本原理是在艦船上安裝動態接收機,在沿岸或測區島礁布設基準站,同時進行觀測,用差分的方法處理數據,得到艦船的位置、速度和加速度。隨著海洋重力測量作業范圍的不斷擴大,某些測區無法布設基準站,這給船載重力測量技術提出了新的問題。

近年來,隨著精密單點定位技術的發展,它在各種控制測量、地形測量、工程測量中已得到了廣泛應用。與傳統的定位方法相比有著顯著的優點,它具有厘米級的高定位精度;由于是單機獨立作業,如果不考慮其它因素,一臺儀器可以完成整個外業控制工作,提高了外業的工作效率以及設備的利用率;與差分定位作業方式相比,它不需要基準

站,不受作業距離的限制。此外,它還具有數據處理簡單、獲得的點位結果間無誤差累積、點位精度均勻等優點,特別適用于艱苦環境下的船載重力測量[4-6]。

1 精密單點定位基本原理

精密單點定位(PPP)技術是1997年由美國噴氣推進實驗室(JPL)的研究人員Zumberge等提出的,它是采用事先確定的高精度衛星軌道和鐘差以及雙頻載波相位和偽距觀測量進行單點定位的方法。采用精密單點定位技術,單臺雙頻接收機可以在全球范圍內實現高精度單點靜態定位和動態定位。隨著衛星軌道和鐘差的精度不斷提高,其靜態定位精度可達到mm-cm級,動態定位精度可達到cm-dm級[7-9]。

1.1數學模型

在精密單點定位中,使用精密星歷與精密鐘差固定衛星軌道誤差及衛星鐘差后,采用無電離層組合觀測值組成觀測方程可寫為以下形式:

fP=ρ+c·dt+M·zpd+εP-lP=0，

fΦ=ρ+c·dt+M·zpd+amb+εΦ-lΦ

=0 ，

(1)

式中:lP為P1和P2的無電離層偽距組合觀測值;Φ為L1和L2的無電離層相位組合觀測值(距離);t為地面GPS接收機鐘差;C為真空中的光速;amb為無電離層組合相位觀測值(距離)的模糊度(不再具有整數特性);M為投影函數,zpd為天頂方向對流層延遲改正參數;εP、εΦ分別為兩種組合觀測值的觀測噪聲和多路徑誤差;ρ為測站(x,y,z)和GPS衛星(Xs,Ys,Zs)間的幾何距離:

(2)

觀測誤差方程可寫為

Vi=Ai·X+Wi,

(3)

其中,

式中:Ai為系數矩陣;X為待估參數,其中包括測站坐標、接收機鐘差、無電離層組合模糊度及對流層天頂延遲改正參數。

利用上述觀測模型,即可采用最小二乘遞推法進行非差精密單點定位解算。

1.2誤差處理

精密單點定位中使用非差觀測值,沒有組成差分觀測值。所以精密單點定位中的所有誤差項都必須考慮。主要通過以下兩種途徑來解決。

1) 對于能精確模型化的誤差采用模型改正,比如衛星天線相位中心的改正,各種潮汐的影響,相對論效應等都可以采用現有的模型精確改正。

2) 對于不能精確模型化的誤差加參數進行估計或使用組合觀測值。比如對流層天頂濕延遲,目前還難以用模型精確模擬,則加參數對其進行估計;而電離層延遲誤差可采用雙頻組合觀測值來消除低階項。

2 精密單點速度、加速度測量方法

2.1精密單點速度、加速度測量方法的選取

精密單點確定速度有多種方法,包括位置一次求導、多普勒觀測值求解速度、載波相位中心差分等。精密單點加速度測量方法也有多種,其中包括位置二次求導、速度一次求導、直接用相位加速度求解速度等。通過文獻[10]和[11],從數據處理難易程度、速度和加速度精度、采樣間隔以及實時性比較分析,并結合船載重力測量實際,最終選取位置中心差分法確定艦船的速度和加速度。

2.2位置差分求解速度

利用歷元t-h和t+h的位置向量r1和r3進行差分,求得歷元t的艦船速度為

(4)

式中,h為采樣間隔。由式(4)所確定的速度,是艦船在時間2h內的平均速度。如果采樣間隔h趨近于0,則該平均速度即為瞬時速度。

2.3位置差分求解加速度

利用位置差分求得的歷元t-h和t+h的速度向量r1和r3再進行一次差分,求得歷元t的艦船加速度為

(5)

式中,h為采樣間隔。由式(5)所確定的加速度,是艦船在時間2h內的平均加速度。如果采樣間隔h趨近于0,則該平均加速度即為瞬時加速度。

3 實驗計算分析

3.1實驗設計

為了分析比較精密單點定位與傳統單點定位計算的重力結果,利用某次遠海船載重力測量實驗的實測數據進行計算,測量過程中使用一臺GPS接收機安放在船上,船速保持在19 km/h左右勻速航行。輪船的航行軌跡和航速變化分別如圖1和圖2所示。

圖1 船運行軌跡

圖2 船運行過程航速變化

3.2結果分析

由于實驗沒有設置基準站,無法用真值分析精密單點定位解算的位置、速度精度,只能通過精密單點定位技術解算的平差前重力交叉點不符值結果與傳統單點定位技術解算的平差前重力交叉點不符值結果進行比較,得到的內符合精度統計結果如表1所示。

由于測區擁有較高精度的海洋重力數據,以此為參考,利用測得的重力數據與原有的較高精度重力數據比較,可以估算船載重力測量的外符合精度如表2所示。

表1 重力交叉點不符值統計結果(單位: mGal)

表2 外符合精度統計結果(單位:mGal)

由表1和表2可知,基于精密單點定位技術解算的重力內符合精度和外符合精度與基于傳統單點定位技術解算的重力交叉點不符值結果相比精度更高。

4 結束語

通過對精密單點定位技術在船載重力測量中的應用研究,根據實測數據對基于精密單點定位技術計算的重力交叉點不符值與基于傳統單點定位計算的重力交叉點不符值進行比較分析,可知基于精密單點定位解算的重力交叉點不符值結果比基于傳統單點定位解算的重力交叉點不符值結果更好,這是因為精密單點定位解算的位置、速度等信息的精度比傳統單點定位高,這些信息影響著船載重力的計算結果。因此精密單點定位解決了某些海域無法使用差分定位方式進行定位而采用傳統單點定位精度低的問題。當然,由于精密單點定位自身的局限性,它在實際測量中的實時性問題還需進一步研究解決。

總之,隨著精密單點定位技術的深入研究與發展,它可以取代傳統單點定位和差分定位成為船載重力測量的主要定位方式,促進海洋重力測量的不斷發展。

[1] GAO Y, SHEN X B. Improving ambiguity convergence in carrier phase-based precise point positioning[C]//Institute of Navigation GPS 2001, Salt Lake City,Utah, U SA, 2001.

[2] WITCHAYANGKOON B. Elements of GPS precise point positioning[D].Maine:The University of Maine,2000:169-286.

[3] 黃謨濤,翟國君,管錚,等.海洋重力場測定及其應用[M].北京:測繪出版社,2010.

[4] 吳江飛,黃珹.GPS精密單點定位模型及其應用分析[J].大地測量與地球動力學,2008,28(1):96-100.

[5] 蔣旭惠,張漢德,韓磊,等.精密單點定位技術在海島海岸帶航空遙感調查中的應用[J].海洋技術,2011,30(2):18-21.

[6] 劉經南,葉世榕.GPS非差相位精密單點定位技術探討[J].武漢大學學報(信息科學版),2002,3(27):234-239.

[7] 張小紅,李星星,郭斐,等.GPS單頻精密單點定位軟件實現與精度分析[J].武漢大學學報(信息科學版),2008,33(8):783-787.

[8] 阮仁桂,郝金明,呂志偉,等. GPS雙頻精密單點定位軟件及其精度分析[J].測繪科學技術學報,2009,26(4):276-279.

[9] 張小紅,劉經南.基于精密單點定位技術的航空測量應用實踐[J].武漢大學學報(信息科學版),2006,31(1):19-22.

[10] 張寶成,歐吉坤,袁運斌,等.基于GPS雙頻原始觀測值的精密單點定位算法及應用[J].測繪學報,2010,39(5):478-483.

[11] 貢學安,周群強.GPS 精密單點定位技術在中小比例尺控制測量中的應用[J].測繪技術裝備,2010,12(3):40-41.

TheApplicationofPrecisePointPositioningTechnologyinShip-BorneGravityMeasurements

YANXincun1,OUYANGYongzhong2,LINJianju1,ZHOUWanli1,LIDongqing1,LIUSheng1

(1.91650Troops,Guangzhou510000,China;2.NavalInstituteofHydrographicSurveyingandCharting,Tianjin300061,China)

Some measurements of the ocean can not be laid the base station can not use the DGPS positioning proposed ship loading capacity measurements, The precise point positioning technology is applied to the ship-borne gravimetry. The practicability of using the precise point positioning technology in ship-borne gravimetric survey is confirmed by comparing the calculation results of intersection discrepancy from the precise point positioning measurement mode and the traditional single-point positioning measurement mode, and the problem of the low accuracy of traditional single-point positioning in open-sea ship-borne gravimetric survey is solved.

Precise point positioning; gravity measurements; velocity; acceleration; crossover differences

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.04.018

P228.4

A

1008-9268(2017)04-0102-04

2017-04-13

聯系人: 晏新村E-mail:yxcfh101@163.com

晏新村(1986-),男,碩士,助理工程師,研究方向為精密單點定位及其應用。

歐陽永忠(1969-),男,博士,高級工程師,研究方向為海洋測量數據處理技術。

林建炬(1981-),男,工程師,研究方向為沿岸地形測量及其數據處理。