劉濤

(新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院,新疆烏魯木齊830002)

精密單點定位技術在中小比例尺地形測繪中的應用

劉濤

(新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院,新疆烏魯木齊830002)

綜述了國內外精密單點定位技術的研究現(xiàn)狀，針對新疆1:10 000基礎測繪的特點，結合精密單點定位技術在基礎測繪中的實際應用情況，具體分析精密單點定位技術應用于基礎測繪的可行性及其定位精度。

像控點測量;GPS;精密單點定位;靜態(tài)定位；精度

傳統(tǒng)GPS單點定位是利用廣播星歷采用距離交會法來解算接收機天線所在點的三維坐標,又稱偽距法單點定位。由于偽距觀測值的精度一般為數(shù)分米至數(shù)米,用廣播星歷所求得的衛(wèi)星位置的誤差可達數(shù)米,衛(wèi)星鐘改正數(shù)的誤差為±5 ns左右,偽距定位精度使用P碼時約為6 m,使用C/A碼時約為20 m～30 m,只能用于導航定位、資源調查等一些低精度領域中。精密單點定位（PrecisePointPositioning）技術簡稱PPP恰好集成了普通單點定位和差分定位的優(yōu)點，克服了各自的缺點。它的出現(xiàn)改變了以往只能使用雙差相位定位模式才能到達較高定位精度的現(xiàn)狀，是GNSS定位技術中繼RTK/網絡RTK技術后的又一次技術革命。本文將結合具體的工程，分析討論精密單點定位用于基礎測繪的可行性，并分析其定位精度。

1 PPP的技術特點

與差分GPS定位不同，精密單點定位是利用國際GNSS服務機構IGS提供的或自己計算的GPS精密星歷和精密鐘差文件，以無電離層影響的載波相位和偽距組合觀測值為觀測資料，對測站的位置、接收機鐘差、對流層天頂延遲以及組合后的相位模糊度等參數(shù)進行估計。它的特點在于各站的解算相互獨立，計算量小于一般的相對定位，作業(yè)機動靈活，精度與差分定位相當。

目前 IGS所提供的事后精密星歷精度已優(yōu)于 2.5 cm,衛(wèi)星鐘差的精度已優(yōu)于0.075ns,接收機的性能不斷提高,改正模型和改正方法的研究也在不斷深入。精密單點定位單天解的精度在水平方向達毫米級，垂直方向可以達到1 cm～2 cm。

PPP技術的主要特點為：不需要架設基準臺站；單臺接收機實現(xiàn)高精度的靜態(tài)、動態(tài)定位，作業(yè)機動靈活、節(jié)約用戶成本、提高作業(yè)效率；直接得到最新ITRF框架的三維地心坐標。

2 新疆基礎測繪應用PPP技術的必要性

新疆地域遼闊，面積1 660 000 km2，占我國陸地國土面積的1/6，有5 600 km的國境線。新疆地形特點是：山脈與盆地相間排列，盆地被高山環(huán)抱，俗喻“三山夾兩盆”。區(qū)內山脈融雪形成眾多河流，綠洲分布于盆地邊緣和河流流域，綠洲總面積約占全區(qū)面積的5%，具有典型的綠洲生態(tài)特點。

新疆測繪的基礎相對較為薄弱，基礎地理信息資源覆蓋范圍較低，與此同時新疆經濟的快速發(fā)展迫切需要大量的基礎地理信息數(shù)據。新疆的基礎測繪作業(yè)區(qū)大多集中在戈壁荒漠、交通不便的山區(qū)。因多種因素的制約不僅工作量大而且困難程度較高，突出表現(xiàn)在山區(qū)多、戈壁荒漠多、地形復雜、交通困難，通訊條件差等。除此之外因基礎控制點稀少且大多被破壞造成幾乎每個外業(yè)項目都需做大量的基礎控制測量工作，勞動強度高，項目周期長。

采用常規(guī)技術手段進行控制測量工作需要投入大量的人力、物力，工作量大、工期長、條件艱苦。受到資金、技術、裝備的限制新疆的地理空間框架體系建設相對落后，大量地區(qū)沒有控制點或被人為破壞，現(xiàn)有少量的CORS站點集中在少數(shù)中心城市，單基站RTK和網絡RTK在基礎測繪工作中受到較多限制無法發(fā)揮其方便、快捷的效率。

精密單點定位技術相對于常規(guī)交會、導線測量、GPS靜態(tài)定位、單基站RTK等多種技術手段有著顯著的優(yōu)勢：單機作業(yè)、不受作業(yè)距離限制、計算工作量小、定位精度高等。尤其是在作業(yè)區(qū)交通困難、通訊條件差、控制點稀少的情況下優(yōu)勢更加明顯。在基礎測繪控制測量工作中應用精密單點定位技術可以有效提高工作效率、降低勞動強度、縮短工作周期。

3 PPP技術在實際應用中的精度分析

按國家標準GB/T 13977-92《1∶5 000、1∶10 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》第3.2.4款規(guī)定相片平面和平高控制點對于附近國家等級三角點或高級地形控制點的平面位置中誤差不超過圖上±0.1mm。1∶10000基礎測繪相片控制點平面坐標中誤差實地不應超過± 1m。雖然精密單點定位單天解的精度可達厘米級，定位精度完全能夠滿足1∶10000航測相片控制點的平面精度要求，但考慮到實際作業(yè)中：一是不需要如此高的定位精度，二是為了節(jié)約工作成本、提高工作效率應盡量縮短觀測時間。因此有必要通過對不同時長的定位數(shù)據進行解算以確定多長時間的數(shù)據可以滿足實際的精度要求。具體實驗方案如下：

通過對IGS烏魯木齊站的數(shù)據分時段進行處理，并將處理結果與站點已知坐標進行比對。

1）以60min時長為單位,處理24h的數(shù)據，共計24組數(shù)據，計算統(tǒng)計結果如圖1所示。

圖1 IGS烏魯木齊站60 min時長PPP定位精度分析/cm

通過分析可以看出1h數(shù)據的定位精度，最小值為2 cm，最大值為20 cm完全滿足1:10 000比例尺航測像控點平面精度的要求。

2）以30min時長為單位,處理24h的數(shù)據，共計48組數(shù)據,計算統(tǒng)計結果如圖2所示。

圖2 IGS烏魯木齊站30 min時長PPP定位精度分析/cm

通過分析可以看出30 m in數(shù)據的定位結果外符合精度最小值為7 cm，最大值為52 cm，坐標差小于50 cm的時段數(shù)為47個占98%。30 min的數(shù)據同樣能夠滿足1∶10000航測像控點平面精度的要求，定位精度小于1/2限差要求。

因此，利用IGS站點的觀測數(shù)據進行精密單點定位解算，結果表明1 h和30 min定位精度均可以滿足1∶10000航測像控點的平面精度要求。考慮到實際作業(yè)時觀測條件與IGS站點的觀測條件相比有一定的差距（各種外部干擾因素、使用的儀器精度等），其定位結果可能會比利用IGS站點的數(shù)據差。因此筆者又利用以往項目的靜態(tài)GPS網數(shù)據進行精度比對，更有說服力。筆者處理了2006年基礎測繪和田項目C級GPS網的觀測數(shù)據，從以下3個方面做了精度比對：

1）對定位結果（坐標）進行比對；

2）對定位結果（基線分量）進行比對；

3）對快速星歷、快速鐘差解算與事后精密星歷和事后精密鐘差解算的結果進行比對。

采用快速星歷及鐘差進行精密單點定位解算的結果與C級GPS網平差結果的比較結果如圖3所示。

圖3 靜態(tài)GPS網數(shù)據采用快速星歷、鐘差PPP定位精度分析/mm

最小值為2 cm，最大值為31 cm，各點的坐標差均小于35 cm。

采用事后精密星歷及鐘差進行精密單點定位解算的結果與C級GPS網平差結果的比較結果如圖4所示。

圖4 靜態(tài)GPS網數(shù)據采用事后精密星歷、鐘差PPP定位精度分析/mm

各點的坐標差均小于35 cm，最小值為1 cm、最大值為31 cm。

采用事后精密星歷、鐘差進行精密單點定位解算的結果與采用快速預報星歷、鐘差進行精密單點定位解算的比較結果如圖5所示。

圖5 靜態(tài)GPS網數(shù)據采用采用快速預報星歷、鐘差

與采用事后精密星歷、鐘差定位結果的比較/mm

各點的坐標差均小于5 cm，最小值為2mm、最大值為 21 mm。因此，采用快速精密星歷或事后精密星歷對PPP的定位精度影響不顯著。

下面給出的是采用事后精密星歷進行精密單點定位解算的2點之間的坐標差與C級網無約束平差的基線的比較如圖6所示（忽略ITRF2000框架與WGS－84坐標系統(tǒng)間的差異）。

圖6 采用事后精密星歷進行精密單點定位解算的兩點之間的坐標差與無約束平差基線的比較/cm

各基線的坐標差均小于30 cm，最小值為0.4 cm、最大值為29.4 cm。

為了進一步驗證精密單點定位技術在實際工程項目中的精度情況，對2007年昌吉準東煤化基地基礎測繪項目C級GPS網數(shù)據進行了處理并與已知坐標進行比對。具體做法是：求解出C級GPS控制點的ITRF框架坐標；利用C級GPS網起算點已知坐標，求解出ITRF框架坐標至1980西安坐標系的轉換參數(shù)；通過坐標轉換參數(shù)求解出GPS網中待定點的1980西安坐標系坐標；比較經過轉換的 1980西安坐標系坐標和已知1980西安坐標系坐標的差值。

經過上述轉換過程后，精密單點定位解算的結果與C級GPS網平差結果的比較如圖7所示。

圖7 精密單點定位解算的結果與C級GPS網平差結果的比對/cm

各點的坐標差均小于20 cm，最小值為6 cm、最大值為19 cm。

依照上述方法又對拜城、策勒基礎測繪項目的 C級GPS網共計43個點的靜態(tài)數(shù)據進行了處理，其結果比較如圖8所示。

各點的坐標差均小于10 cm，最小值為1 cm，最大值為9.8 cm。

通過對IGS站數(shù)據、GPS網靜態(tài)數(shù)據處理結果的精度進行對比分析、統(tǒng)計，30 m in數(shù)據的定位精度雖然較弱但其最大誤差仍然小于1/2限差要求，1 h數(shù)據的定位結果最大誤差小于1/3限差要求。由此可知30 m in或1h定位數(shù)據的精密單點定位精度完全能夠滿足1∶10000航測像控點的平面精度要求。精密單點定位技術應用于1∶10000航測像控點的平面測量是切實可行的。

圖8 精密單點定位解算的結果與C級GPS網平差結果的比對/cm

4 精密單點定位技術的實際應用技術方法

1）定位數(shù)據采集。使用測量型雙頻GPS接收機采用靜態(tài)觀測方法實地采集 2個時段的定位數(shù)據，時段長度30min，采樣間隔15 s，衛(wèi)星高度截至角15°，有效觀測衛(wèi)星總數(shù)≥4。儀器對中誤差不大于1mm，測前、測后2次量取天線高的互差應小于3mm，取平均值作為最后天線高。應逐項填寫測量手簿中的記錄項目，測量手簿格式、記錄內容及要求參照國標 GB/T 18314-2009《全球定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》附錄D。

2）衛(wèi)星星歷及衛(wèi)星鐘差數(shù)據準備。精密單點定位數(shù)據處理需使用精密衛(wèi)星星歷和鐘差，應根據定位數(shù)據采集的日期從相關網站下載精密衛(wèi)星星歷和鐘差數(shù)據。從精度分析知道，使用快速預報星歷、鐘差數(shù)據的定位精度與使用精密星歷、鐘差數(shù)據的定位精度相比差異不大（小于5 cm），考慮到精密星歷、鐘差的發(fā)布有10天以上延遲，而快速預報星歷、鐘差的延遲不足 1天，實際作業(yè)時采用快速預報星歷、鐘差進行數(shù)據處理。

3）通過解算軟件求出待定點位的ITRF框架坐標。首先對采集到的定位數(shù)據進行預處理，將數(shù)據格式轉換成Rinex格式，將量測的GPS天線高改算至相位中心的真高。解算軟件使用武漢大學TriP軟件，將Rinex格式觀測數(shù)據、快速預報星歷和快速預報鐘差數(shù)據導入計算項目中，輸入儀器真高，選擇適當計算參數(shù)進行計算，得到待定點的ITRF框架坐標。根據計算后的精度分析報告判斷計算結果是否能滿足精度需要。

4）坐標轉換參數(shù)求解及坐標轉換。TriP軟件解算出的定位坐標是ITRF框架坐標，而在生產中往往需要地方或者國家平面坐標，所以還需要對ITRF框架坐標進行坐標轉換，得到項目需要的平面坐標系統(tǒng)的平面坐標。轉換參數(shù)的求解主要依據項目已有控制點的平面坐標和ITRF框架坐標進行計算，求解出4個轉換參數(shù)（2個平移、1個旋轉、1個尺度）。利用轉換參數(shù)將待定點的ITRF框架坐標轉換為所需平面坐標系統(tǒng)的坐標。

5 結語

通過上面的比較分析可以得出結論：精密單點定位技術的定位精度可以滿足基礎測繪對像控點的點位精度要求。精密單點定位技術為困難地區(qū)中小比例尺地形測圖提供了便捷的方法，測區(qū)內可以不用布測基礎平面控制網且像控點平面聯(lián)測時可以不用同步聯(lián)測，這將極大地提高作業(yè)效率、縮短作業(yè)周期、降低勞動強度。

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[5] 李征航，吳秀娟.全球定位系統(tǒng)技術的最新進展(第四講)-精密單點定位[J].測繪信息與工程，2002，27(05):34-37

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[7] GB/T 13977-92 1∶5 000、1∶10 000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范[S].

Application of Precise Point Positioning Technology to Topographic Surveying and Mapping with Middle and Small Scale

by LIU Tao

The development and progress of Precise Point Positioning (PPP)were summarized firstly in this paper.The PPP was applied to 1:10 000 map production of Xingjiang Province.The feasibility and accuracy of PPP in such application were analyzed and discussed.

photogrammetric control point surveying，GPS，Precise Point Positioning，static positioning，accuracy

2011-03-04

P228.42

B

1672-4623(2011)03-0032-03

劉濤，高級工程師，主要從事測繪生產和管理工作。