精密单点定位技术在船载重力测量中的应用

晏新村,欧阳永忠,林建炬,周万里,李冬庆,刘晟

(1.91650部队,广东 广州 10000;2.海军海洋测绘研究所,天津 00061)

精密单点定位技术在船载重力测量中的应用

晏新村1,欧阳永忠2,林建炬1,周万里1,李冬庆1,刘晟1

(1.91650部队,广东 广州 10000;2.海军海洋测绘研究所,天津 00061)

针对海洋某些测区无法布设基准站,无法使用差分定位方式进行定位的问题,将精密单点定位技术应用于船载重力测量,通过比对基于精密单点定位测量模式和传统单点定位测量模式解算的交叉点不符值结果,验证了精密单点定位技术在船载重力测量中应用的可行性,解决了远海船载重力测量采用传统单点定位精度较低的问题。

精密单点定位;重力测量;速度;加速度;交叉点不符值

0 引 言

海洋重力测量最常用的手段是将重力仪安装在海面舰船内进行动态观测,对测量剖面提供连续的观测值。在船载重力测量中高精度确定舰船的位置、速度和加速度是船载重力测量的关键技术之一。位置、速度信息是计算各项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、空间改正等;舰船垂直加速度的精确确定是分离垂直扰动加速度和重力信号的关键技术,舰船的垂直扰动加速度精度影响着重力异常的精度[1-3]。

长期以来,差分GPS技术是精确确定船载重力测量中舰船的位置、速度和加速度的有效手段,它的基本原理是在舰船上安装动态接收机,在沿岸或测区岛礁布设基准站,同时进行观测,用差分的方法处理数据,得到舰船的位置、速度和加速度。随着海洋重力测量作业范围的不断扩大,某些测区无法布设基准站,这给船载重力测量技术提出了新的问题。

近年来,随着精密单点定位技术的发展,它在各种控制测量、地形测量、工程测量中已得到了广泛应用。与传统的定位方法相比有着显著的优点,它具有厘米级的高定位精度;由于是单机独立作业,如果不考虑其它因素,一台仪器可以完成整个外业控制工作,提高了外业的工作效率以及设备的利用率;与差分定位作业方式相比,它不需要基准

站,不受作业距离的限制。此外,它还具有数据处理简单、获得的点位结果间无误差累积、点位精度均匀等优点,特别适用于艰苦环境下的船载重力测量[4-6]。

1 精密单点定位基本原理

精密单点定位(PPP)技术是1997年由美国喷气推进实验室(JPL)的研究人员Zumberge等提出的,它是采用事先确定的高精度卫星轨道和钟差以及双频载波相位和伪距观测量进行单点定位的方法。采用精密单点定位技术,单台双频接收机可以在全球范围内实现高精度单点静态定位和动态定位。随着卫星轨道和钟差的精度不断提高,其静态定位精度可达到mm-cm级,动态定位精度可达到cm-dm级[7-9]。

1.1数学模型

在精密单点定位中,使用精密星历与精密钟差固定卫星轨道误差及卫星钟差后,采用无电离层组合观测值组成观测方程可写为以下形式:

fP=ρ+c·dt+M·zpd+εP-lP=0，

fΦ=ρ+c·dt+M·zpd+amb+εΦ-lΦ

=0 ，

(1)

式中:lP为P1和P2的无电离层伪距组合观测值;Φ为L1和L2的无电离层相位组合观测值(距离);t为地面GPS接收机钟差;C为真空中的光速;amb为无电离层组合相位观测值(距离)的模糊度(不再具有整数特性);M为投影函数,zpd为天顶方向对流层延迟改正参数;εP、εΦ分别为两种组合观测值的观测噪声和多路径误差;ρ为测站(x,y,z)和GPS卫星(Xs,Ys,Zs)间的几何距离:

(2)

观测误差方程可写为

Vi=Ai·X+Wi,

(3)

其中,

式中:Ai为系数矩阵;X为待估参数,其中包括测站坐标、接收机钟差、无电离层组合模糊度及对流层天顶延迟改正参数。

利用上述观测模型,即可采用最小二乘递推法进行非差精密单点定位解算。

1.2误差处理

精密单点定位中使用非差观测值,没有组成差分观测值。所以精密单点定位中的所有误差项都必须考虑。主要通过以下两种途径来解决。

1) 对于能精确模型化的误差采用模型改正,比如卫星天线相位中心的改正,各种潮汐的影响,相对论效应等都可以采用现有的模型精确改正。

2) 对于不能精确模型化的误差加参数进行估计或使用组合观测值。比如对流层天顶湿延迟,目前还难以用模型精确模拟,则加参数对其进行估计;而电离层延迟误差可采用双频组合观测值来消除低阶项。

2 精密单点速度、加速度测量方法

2.1精密单点速度、加速度测量方法的选取

精密单点确定速度有多种方法,包括位置一次求导、多普勒观测值求解速度、载波相位中心差分等。精密单点加速度测量方法也有多种,其中包括位置二次求导、速度一次求导、直接用相位加速度求解速度等。通过文献[10]和[11],从数据处理难易程度、速度和加速度精度、采样间隔以及实时性比较分析,并结合船载重力测量实际,最终选取位置中心差分法确定舰船的速度和加速度。

2.2位置差分求解速度

利用历元t-h和t+h的位置向量r1和r3进行差分,求得历元t的舰船速度为

(4)

式中,h为采样间隔。由式(4)所确定的速度,是舰船在时间2h内的平均速度。如果采样间隔h趋近于0,则该平均速度即为瞬时速度。

2.3位置差分求解加速度

利用位置差分求得的历元t-h和t+h的速度向量r1和r3再进行一次差分,求得历元t的舰船加速度为

(5)

式中,h为采样间隔。由式(5)所确定的加速度,是舰船在时间2h内的平均加速度。如果采样间隔h趋近于0,则该平均加速度即为瞬时加速度。

3 实验计算分析

3.1实验设计

为了分析比较精密单点定位与传统单点定位计算的重力结果,利用某次远海船载重力测量实验的实测数据进行计算,测量过程中使用一台GPS接收机安放在船上,船速保持在19 km/h左右匀速航行。轮船的航行轨迹和航速变化分别如图1和图2所示。

图1 船运行轨迹

图2 船运行过程航速变化

3.2结果分析

由于实验没有设置基准站,无法用真值分析精密单点定位解算的位置、速度精度,只能通过精密单点定位技术解算的平差前重力交叉点不符值结果与传统单点定位技术解算的平差前重力交叉点不符值结果进行比较,得到的内符合精度统计结果如表1所示。

由于测区拥有较高精度的海洋重力数据,以此为参考,利用测得的重力数据与原有的较高精度重力数据比较,可以估算船载重力测量的外符合精度如表2所示。

表1 重力交叉点不符值统计结果(单位: mGal)

表2 外符合精度统计结果(单位:mGal)

由表1和表2可知,基于精密单点定位技术解算的重力内符合精度和外符合精度与基于传统单点定位技术解算的重力交叉点不符值结果相比精度更高。

4 结束语

通过对精密单点定位技术在船载重力测量中的应用研究,根据实测数据对基于精密单点定位技术计算的重力交叉点不符值与基于传统单点定位计算的重力交叉点不符值进行比较分析,可知基于精密单点定位解算的重力交叉点不符值结果比基于传统单点定位解算的重力交叉点不符值结果更好,这是因为精密单点定位解算的位置、速度等信息的精度比传统单点定位高,这些信息影响着船载重力的计算结果。因此精密单点定位解决了某些海域无法使用差分定位方式进行定位而采用传统单点定位精度低的问题。当然,由于精密单点定位自身的局限性,它在实际测量中的实时性问题还需进一步研究解决。

总之,随着精密单点定位技术的深入研究与发展,它可以取代传统单点定位和差分定位成为船载重力测量的主要定位方式,促进海洋重力测量的不断发展。

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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

联系人: 晏新村E-mail:yxcfh101@163.com

晏新村(1986-),男,硕士,助理工程师,研究方向为精密单点定位及其应用。

欧阳永忠(1969-),男,博士,高级工程师,研究方向为海洋测量数据处理技术。

林建炬(1981-),男,工程师,研究方向为沿岸地形测量及其数据处理。