【文章內(nèi)容簡介】 它辦法。 GPS 的相關(guān)政策及對策 GPS 與美國的國防現(xiàn)代化發(fā)展密切相關(guān)，為保障美國的利益， GPS 采取有如下一些保護(hù)性政策和措施，包括： ? 對不同的用戶提供不同服務(wù) GPS栽波中采用兩種測距碼，即精碼 (P碼 )和粗碼 (C/A碼 )，相應(yīng)采取兩種服務(wù)方式即精密定位服務(wù) (PPS)和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) (SPS)。 PPS提供 L1 和 L2 上的 P碼上的 C/A碼導(dǎo)航電文以及能消除 SA影響的密匙； SPS僅提供 L1 上的 C/A碼和導(dǎo)航電文。 ? 選擇可用性 (SA)政策 SA政策包括人為干擾星歷數(shù)據(jù)的 ? 技術(shù)以及在 GPS基準(zhǔn)信號中加入高頻抖動的 ? 技術(shù)。 SA政策下， SPS用戶實時單點定位精度為 100?200m，甚至更差。 ? 反電子欺騙 (AS)措施 AS措施是對 P碼引入機(jī)密碼（ W碼），將 P碼轉(zhuǎn)換為保密碼（ Y碼）的技術(shù)。AS實施時，非特許用戶將無法應(yīng)用 P碼進(jìn)行精密實時單點定位。 為擺脫或削弱 GPS保密性政策的限制，廣大導(dǎo)航定位用戶采取了以下對策 ? 采用差分定位方法 ? 使用 GPS測軌精密星歷 ? 使用其它衛(wèi)星定位系統(tǒng) ? 使用能同時接收處理多種衛(wèi)星定位系統(tǒng)信號的接收設(shè)備 3 精密 GPS測量的理論基礎(chǔ) 簡述 因為星歷也存在著誤差，當(dāng) GPS 信息發(fā)播的衛(wèi)星位置不正確時 ,將產(chǎn)生星歷誤差。通常 ,此誤差的徑向分量最小 ,而切向誤差和橫 向誤差則可能大一個數(shù)量級。幸運的是 :這兩種較大的分量誤差不影響定位精度 ,只有衛(wèi)星位置誤差沿視線方向的投影才產(chǎn)生定位誤差。由于衛(wèi)星誤差反映了位置預(yù)報 ,故星歷誤差隨著最后一個地面注入站注入信息的時間而增長。此外 ,SA是星歷誤差的重要組成部分。據(jù)研究資料表明，對于 24 小時的 預(yù)報而言，測 距誤差中星歷誤差約占 m，此誤差同各衛(wèi)星鐘密切相關(guān)．而且，這些誤差對 C／ A碼和 P 碼是相同的 . 大區(qū)域，米級精度實時定位為特征的廣域差分系統(tǒng)正從研究階段走向?qū)嵱秒A段。高精度 GPS 相對定位在較大范圍內(nèi)的地球動力學(xué)現(xiàn)象實時監(jiān)測和大型 精密工程測量里的應(yīng)用也成為現(xiàn)實。由于 GPS 衛(wèi)星廣播星歷，特別是事實施 SA 政策以后的衛(wèi)星廣播星歷的誤差影響，在上述高精度定位中，實時確定高精度的 GPS衛(wèi)星星歷是保證定位精度的關(guān)鍵之一 . 衛(wèi)星廣播星歷是用 GPS 的跟蹤站的偽距測量值定軌外推的 。其精度加上 SA政策的影響后為 100 米或更差，隨著 IGS 數(shù)據(jù)的處理工作的不斷完善，利用全球站數(shù) IGS 數(shù)據(jù)處理中心用全球的幾十到幾百個站的一天或多天的 數(shù)據(jù)定軌，精度可達(dá) 10 厘米。又可以根據(jù) IGS 數(shù)據(jù)處理中心 SIO 的 GAMIT 軟件采用的的基本定模型和算法，用法方程疊加的方法實 時更新 GPS 衛(wèi) 星的軌道，達(dá)到了利用中國 GPS 跟蹤網(wǎng)的數(shù)據(jù)精密實時確定實時衛(wèi)星軌道的目的。 GPS 衛(wèi)星定軌的模型和方法。 因為衛(wèi)星星歷是系統(tǒng)跟蹤站進(jìn)行定軌外推得出的。 GPS 衛(wèi)星定軌問題可以用以下系統(tǒng)方程概括： /()( GMetXs ? |Xs(t)+??ni si tQtXF1 ))(),(( (8) )())(,)()((),(()( tWtPxtxtRtXGtY ps ???? (9) 式（ 8）為衛(wèi)星運動方程，右邊第一項為質(zhì)點地球引力加速度；第二項為作為在衛(wèi)星上的 攝動加速度； Xs(t)為慣性系中的衛(wèi)星位置向量； Gme 為地球引力常數(shù)； Q(t)為力模型參數(shù) .式 (8)為觀測方程 .式中 , px 為地固坐標(biāo)系中的測站坐標(biāo)；? x 和 R(t)為地固坐標(biāo)到慣性系的平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)矩陣； P(t)為描述觀測值中的其他誤差影響的模型參數(shù)； W(t)為觀測噪聲。式（ 9）為一個二階常微分方程組，通常根據(jù)給定的衛(wèi)星軌道初值和力模型參數(shù)的近似值，用數(shù)值積分的方法求出衛(wèi)星運動方程和相應(yīng)的變分方程的數(shù)值解即衛(wèi)星坐標(biāo)和衛(wèi)星坐標(biāo) 對衛(wèi)星軌道初值和力模型參數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。然后，用估計出的衛(wèi)星軌道初值和力模型參數(shù)對衛(wèi)星運動方程積分得出的精密的衛(wèi)星軌道。 得到精密星歷的方法 那么我們在高精度的工程測量中如何才能得到精密星歷，普通 GPS 測量 利用廣播星歷進(jìn)行軌道確定與預(yù)報數(shù)據(jù)處理的思路是利用廣播星歷和國家測繪局現(xiàn)有的 8個 GPS 永久跟蹤站 (見下圖 )的每天觀測數(shù)據(jù)，并且在較好的 GPS 跟蹤網(wǎng)解的基礎(chǔ)上，對 GPS 衛(wèi)星軌道參數(shù)的約束適當(dāng)?shù)姆潘啥皇枪潭ㄌ幚?，從而可以估計長弧段的參數(shù)。畢竟出現(xiàn)在我國上空的 GPS 衛(wèi)星數(shù)及出現(xiàn)的時間是有限的，而且所利用 的 GPS 跟蹤站數(shù)量有限，因此即使利用三天的數(shù)據(jù)進(jìn)行軌道改進(jìn)，所得到的結(jié)果也不可能達(dá)到 IGS 站的水平。 圖 我們軌道處理采用方案：利用三天連續(xù)的軌道來確定精密星歷以及進(jìn)行 24小時的預(yù)報 ，目前國際上較為流行的定軌方法是利用連續(xù)的三天軌道，擬合出一個高精度的軌道。在 GAMIT 軟件中，三天解方案是取中間一天分別向前后進(jìn)行一天積 分，得到一個 3 天的弧段，在接下來的數(shù)據(jù)處理中，均采用這個軌道。最終的處理是對 GAMIT 產(chǎn)生的結(jié)果文件 H文件進(jìn)行迭加處理技術(shù)，得到中間一天的精密的軌道模型。然后，通過這個模型進(jìn)行 24小時的外推預(yù)報，得到預(yù)報星歷。下面列出了正常軌道解算與預(yù)報軌道結(jié)果同 IGS 精密星歷進(jìn)行比較的結(jié)果圖表。 以 1999 年第 108 天為例。取 1999 年年積日為 10 10 109 三天的數(shù)據(jù)，采用 GAMIT 軟件得到，具體結(jié)果見以下表與圖例。 其中，除了個別衛(wèi)星如 4號、 10 號星以及未列在內(nèi)的 8號星（差值在 20 米左右），其余各個星的狀況非常好，基本上在 米的量級上，結(jié)果非常不錯。軌道比較結(jié)果包括每一顆衛(wèi)星在徑向、切向以及法向三個方向的位置差以及綜合誤差。由于衛(wèi)星分布軌道的實際情況，衛(wèi)星可視的時間與 高度（見圖 ）與軌道最終的確定精度有著密切的聯(lián)系。（圖 ）給出了每顆星的軌道精密解與預(yù)報結(jié)果同 IGS 比較的部分結(jié)果。軌道預(yù)報精度取決于三天解的情況以及建立起的三天弧段的質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上重新積分得到的，考慮到跟蹤站站數(shù)較少，而且區(qū)域范圍只在中國，因此掌握的 GPS 衛(wèi)星信息是有欠缺的在獲得的結(jié)果中平均精度在 2 米左右。 （圖 ）給出了部分預(yù)報結(jié)果的比較差值 。 用 IGS 預(yù)報星歷進(jìn)行軌道預(yù)報 我們以 IGP 軌道作為初始軌道進(jìn)行了測試。由于 IGP 軌道的精度已經(jīng)達(dá)到了 米的水平，但是并不是所有的衛(wèi)星都能夠 滿足如此的指標(biāo)，在這種星歷中經(jīng)常出現(xiàn)缺少某一顆或幾顆衛(wèi)星的情況，或者某些衛(wèi)星的精度十分的差，采用國內(nèi)幾個跟蹤站計算所得到的結(jié)果對于 IGP 初始軌道的改進(jìn)非常的小，通過對計算軌道進(jìn)行 24 小時以及 48 小時的預(yù)報，得到的結(jié)果都基本上能夠滿足了 2 米的精度（見圖 ） 以上我們對定軌的進(jìn)行了討論以及實際計算，得到了詳實的資料。由于受到地域以及時間延遲等因素的限制，使得自主進(jìn)行 GPS 定軌以及預(yù)報工作遇到較大的難度，通過對計算結(jié)果同 IGS 精密軌道的比較，我們可以得出下列結(jié)論： 在采用廣播星歷作為軌道初始值以及利用國內(nèi) 8 個 GPS 跟蹤站的原則下，不建議采用單天解進(jìn)行軌道確定及預(yù)報。 采用三天軌道解方案得到的結(jié)果與 IGS 軌道的比較可以看出，得到的軌道計算結(jié)果明顯得到了改善， 24 小時衛(wèi)星軌道 預(yù)報精度可以達(dá)到 2米左右，個別衛(wèi)星在 48米水平。從實際操作角度考慮，是比較適合我國自主定軌的方案，而且目前能夠達(dá)到的精度也完全可以滿足我國實時差分服務(wù)的要求，并可以實時提供 IGP（ IGS 快速預(yù)報星歷）的結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了 米左右的水平，并且已經(jīng)可以實時提供，對于差分服務(wù)而言是最為理想軌道信息，但目前 IGP 有時間（比如公休日）和星座上的缺陷，不能夠滿足差分工程可靠性的要求。另外從我國網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的狀況以及時區(qū)限制的的情況而言，全球站數(shù)據(jù)以及IGP 報星歷全部到位將有一定的延遲，此現(xiàn)在我國還不能夠完全實現(xiàn)其實時性 ． IGS（ International GPS Service for Geodynamics） IGS 組織于 1993 年正式建立，通過提供 GPS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品及大地測量、地球物理等方面的科學(xué)研究項目來進(jìn)行服務(wù)。通過各國政府資助建立了遍布于全球的GPS 跟蹤站網(wǎng)（圖 ）并且利用這些跟蹤站連續(xù)不斷地跟蹤測量處理得到了每天的 GPS 衛(wèi)星軌道信息。由于是分布于全球各站的數(shù)據(jù)采集，因此所得到的擬合軌道弧段較為完整與平滑適合于全球各個角落 GPS 測量工作（ IGS 的精密星歷是通過七個國際數(shù)據(jù)處理分析中心所得到的結(jié)果進(jìn)行 加權(quán)平均得到的，分為三種類型見下表） 圖 ： IGS 全球 GPS 跟蹤站分布網(wǎng)圖 電離層誤差 由于電離層中存在自由電子 ,GPS 信號在電離層中傳播時將產(chǎn)生 時延。時延值同自由電子數(shù)成正比。就一階項而言 ,此時延值也同載波頻率平方的倒數(shù) (1/f2)成正增長。載波平滑接收機(jī)的濾波器設(shè)計時應(yīng)顧及此特性。通常 ,溫帶電離層的變化比較平穩(wěn) ,而赤道和兩極的附近的電離層變化則較大。電離層效應(yīng)是限制單頻接收機(jī)測程的主要因素。 要改正受電離層時延影響的觀測值 ,最簡單的方法是采用時延內(nèi)部的周日模型。利用 GPS 信息能夠不斷更新這些參數(shù)。此模型的有效精度 ,溫帶區(qū)約177。 2～177。5m。 第二種技術(shù)是采用雙頻接收機(jī)。利用 L1/L2 頻率的雙頻觀測值可直接解算電離層時延。 L1 和 L2 到達(dá)時間之差可直接進(jìn) 行代數(shù)解算。對于一臺質(zhì)量較好的雙頻接收機(jī)而言 ,在基本消除電離層影響后 ,應(yīng)能提供177。 1～177。 2m 的測距精度。第三種方法是采用“碼 /載波相位擴(kuò)散技術(shù)” (簡稱 CCD 技術(shù) )。就一階項而言 ,電離層對碼觀測值的影響為ss ednf ?，相位觀測值的影響為ss ednf ?? 2 。由此可見 ,電離層對兩種觀測值的影響數(shù)值相同 ,符號相反。將這兩種觀測值加權(quán)組合即可基本削弱電離層誤差 ,使單頻接收機(jī)的測程擴(kuò)大到 400km,精度到177。 1cm+2179。 106D。第四種方法是基于準(zhǔn)實時更新。它 將用于廣域差分 GPS。此技術(shù)在全球溫帶也能得出177。 1～177。 2m 或更高的精度 。 我們在高精度 GPS 測量中為了我們利用雙頻機(jī)并配合電離層進(jìn)行建模，我們要知道 GPS 精密測量中電離層是其中的一個難點，如何建模是我們要研究的。 對流層誤差 另一種誤差源是由于對流層引起的真空光速、氣溫、氣壓和濕度的變化。這些變化都將影響電波的傳播速度。碼和載波的觀測值均受到同樣的時延。對于多數(shù)用戶和一般環(huán)境而言 ,采用可靠的對流層模型 ,有效精度可達(dá)到177。 1m 或更高。 GPS 載波相位測量，只能測量載波滯后相位 1 周 以內(nèi)的小數(shù)部分，不能測量載波滯后相位的整周數(shù)。其后的載波滯后相位整周數(shù)變化值（始后周數(shù)）是通過由多普勒積分由電子記數(shù)器累積讀得的。由于 gps 信號接受機(jī)自身故障或 gps信號意外中斷，導(dǎo)致載波鎖相環(huán)路的短盞失鎖，而引起的多普勒記數(shù)的短盞中斷，當(dāng)載波鎖相環(huán)路重新鎖定后，多普勒記數(shù)又重新開始，以致造成載波滯后 相位整周數(shù)變化值（始后周數(shù)）的不連續(xù)記數(shù)。這種多普勒記數(shù)的中斷現(xiàn)象，稱為整周跳變，簡稱為周跳。 當(dāng) GPS 載波相位觀測值沒發(fā)生周跳時 ,衛(wèi)星一次通過的載波滯后相位整周數(shù)是連續(xù)的 ,各時元的觀測值都會還有一個共同的 整周未知數(shù) N0，即時元 t1 的整周模糊度 ,當(dāng)發(fā)生周跳時其后所有的載波相位觀測值都會含有一偏差值 ,該偏差就是中斷期間所丟失的整周數(shù)，即周跳后的載波相位測量中的含有未知數(shù) N0+daita 所謂周跳的探測就是利用觀測的信息來發(fā)現(xiàn)周跳。在探測出周跳后 ,利用觀測信息來估計丟失的周數(shù) 2，從而修正周跳后的載波相位觀測值，稱為周跳的修復(fù)。在探測出周跳后，也可將 N0+daita 視為周跳后的整周模糊度而利用平差的原理求解出這個未知參數(shù)，這是一個整周模糊度的求解問題。靜態(tài)的定位中，由于接收機(jī)靜止不動，周跳的探測與修復(fù)問題已得到 了很好的解決。在動態(tài)條件下，由于動態(tài)接收機(jī)在不斷的運動中，周跳的的探測與修復(fù)比靜態(tài)定位要難得多。 由于 GPS 信號的接收機(jī)能提供多種觀測信息，利用這些信息觀測信息本身的相互關(guān)系，而無軌道信息，可以對周跳進(jìn)行探測與修復(fù)，目前有下列方法。 1 利用載波相位及其變化率的多項式擬合來探測，修復(fù)周跳（多項式擬合法） 2 利用偽距和載波相位觀測值組合來探測修復(fù)周跳（偽距 /載相組合法） 3 利用雙頻載波相位組合觀測值來探測 修復(fù)周跳（電離層殘差法） 先就多項式擬合法做一介紹：從載波相位測量 的特性可知，周跳前后，載波相位不再是 連續(xù)函數(shù)，但其變化率則是連續(xù)函數(shù)且為載波相位的嚴(yán)格一階導(dǎo)數(shù)。利用載波相位的變化率，載波相位的觀測值可對周跳進(jìn)行探測與修復(fù)。 3 因此，我們知道 只有對經(jīng)過了周跳的探測修復(fù)及標(biāo)記的觀測數(shù)據(jù)才可以進(jìn)行后續(xù)的整周未知數(shù)的確定，對壞的垃圾數(shù)據(jù)是無從談起整周未知數(shù)的確定的。周跳的修復(fù)在 GPS 觀測過程中 ,當(dāng)接收機(jī)收到衛(wèi)星信號并進(jìn)行實時跟蹤后 ,接收機(jī)便會自動顯示觀測期間載波相位整周數(shù)的變化。但在實際工作中 ,由于病態(tài)衛(wèi)星的出現(xiàn)與外界環(huán)境的干擾會引起衛(wèi)星信號的衰減 ,則接收機(jī)將發(fā)生失鎖現(xiàn)象。當(dāng)接收機(jī)重新鎖定衛(wèi)星信號后 ,被測載波相位 的小數(shù)部分將仍和未發(fā)生中斷的情形一樣是連續(xù)的 ,但整周數(shù)