張建龍 ，徐愛功 ，張兆南 ，吳探詩 ，李國明

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.東北煤田地質(zhì)局物探測量隊，遼寧 沈陽 110101；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

精密單點定位(PPP)，即非差相位單點定位，提出于上世紀七十年代子午衛(wèi)星時代，九十年代中期國際IGS組織開始向全球用戶提供精密星歷和精密鐘差產(chǎn)品，為精密單點定位的發(fā)展提供了良好的機會。由于其具有單臺接收機實現(xiàn)高精度定位、定位不受作用距離限制、作業(yè)機動靈活、成本低效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，越來越受到人們的重視，相關(guān)學(xué)者與研究機構(gòu)也對其進行了深入的研究，取得了一系列成果。美國噴氣推進實驗室的Zumberge等研究人員利用GIPSY軟件和IGS星歷，取得了單天解靜態(tài)定位精度1～2 cm左右，動態(tài)2.3～3.5 dm左右的實驗結(jié)果(1997)[1]；加拿大Calgary大學(xué)的高揚博士對PPP的理論和算法進行了深入的研究，并開發(fā)了相關(guān)軟件；武漢大學(xué)葉世榕博士在其博士論文中對精密單點定位進行了詳細的研究(2002)[2]；武漢大學(xué)的張小紅教授經(jīng)過多年理論研究，開發(fā)出了精度和可靠性已達國際先進水平的高精度PPP商業(yè)化軟件TriP；武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位中心自主研發(fā)的PANDA軟件在精密定軌和PPP方面也具有很高的精度；此外還有日本東京海洋大學(xué)的Tomoji Takasu等研發(fā)的RTKLIB軟件。

本文簡要介紹了精密單點定位的理論基礎(chǔ)，采用RTKLIB軟件對IGS站觀測數(shù)據(jù)進行靜態(tài)精密單點定位實驗，利用不同星歷鐘差產(chǎn)品對其定位精度進行了詳細的分析，并將解算結(jié)果與準確值對比，為使用該軟件提供了參考。

1 精密單點定位基本原理

1.1 精密單點定位數(shù)學(xué)模型

PPP一般采用一臺雙頻接收機，利用載波相位觀測值，和IGS組織提供的精密星歷以及衛(wèi)星鐘差所進行的高精度定位[3]，PPP定位不同于傳統(tǒng)GPS定位的雙差模型，通過站間和星間求差來消除誤差，而是采用相位和偽距觀測值，通過雙頻相互組合消除電離層延遲，引入未知參數(shù)估計對流層延遲，其觀測方程為[4-6]：

(1)

(2)

1.2 精密單點定位誤差源及常用組合觀測量

在精密單點定位中，使用的是非差觀測值，它不同于以往的差分觀測值，通常有三類誤差會影響定位精度，一是與接收機和測站有關(guān)的誤差，如接收機鐘差及天線相位偏差；二是與衛(wèi)星有關(guān)的誤差，如衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星天線中心偏差及相位偏差；三是與傳播路徑有關(guān)的誤差，如電離層延遲、對流層延遲、多路徑效應(yīng)等。

這些誤差源如果不進行有效的消除或減弱會對定位結(jié)果有較大的影響，對于這些誤差的處理方式通常有兩種，即模型化處理和使用組合觀測值。上述衛(wèi)星天線相位中心改正、相對論效應(yīng)、潮汐等可以采用第一種方式改正，不能模型化處理的誤差，如電離層延遲等，則采用第二種方式改正。以下是PPP中幾種常用組合觀測量：

1) 消電離層Iono-free組合

在精密單點定位數(shù)據(jù)處理中，為了充分消除電離層延遲影響，可以利用P1和P2，L1和L2分別組成線性觀測值。消除電離層的碼偽距組合觀測值為[6]

(3)

消除電離層的載波相位組合觀測值為

(4)

2) 寬巷(Wide-lane組合)

(5)

寬巷觀測值的突出優(yōu)點是容易固定整周模糊度。但由于測量噪聲大，寬巷觀測值一般只用來確定L1和L2的整周模糊度。

3)M-W組合

(6)

該組合把L1、L2載波相位和P1、P2碼偽距組合，能夠有效消除幾何距離、電離層及對流層的影響。

1.3 精密單點定位的數(shù)據(jù)處理流程

精密單點定位數(shù)據(jù)解算的過程為，首先獲取所需文件包括測站觀測值文件，精密星歷和鐘差文件；其次進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要是消除各種誤差，得到較為干凈的數(shù)據(jù)；最后進行參數(shù)估計，解算測站坐標，接收機鐘差等。其解算流程如圖1所示。

2 RTLLIB軟件靜態(tài)精密單點定位實例分析

靜態(tài)精密單點定位通常需要在測站上進行連續(xù)觀測。本次實驗采用國際IGS站bjfs站2011年6月1日的觀測數(shù)據(jù)，采樣間隔為30 s，數(shù)據(jù)處理之前首先下載該天測站的觀測值文件和導(dǎo)航文件(bjfs1520.11o，bjfs1520.11n).由于精密單點定位還需要精密星歷和精密鐘差文件，需要到IGS網(wǎng)站下載星歷和鐘差數(shù)據(jù)。為了對比不同IGS產(chǎn)品對定位結(jié)果的影響，本次下載該天三種產(chǎn)品，數(shù)據(jù)為igs16383.clk，igs16383.sp3，igr16383.clk，igr16383.sp3, igu16383.clk，igu16383.sp3.此外，國際GNSS服務(wù)組織IGS發(fā)布的產(chǎn)品如表1所示[7]。

2.1 觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進行數(shù)據(jù)處理之前應(yīng)首先對數(shù)據(jù)的質(zhì)量進行分析，必要的預(yù)處理是提高解算精度的前提，RTKLIB軟件不僅具有基線解算和精密單點定位功能，而且具有強大的圖形輸出功能，可以對原始觀測數(shù)據(jù)衛(wèi)星可見性，衛(wèi)星天空視圖，DOP值，多路徑及衛(wèi)星高度角進行圖形化顯示[8-9]，對本次下載的數(shù)據(jù)各指標如圖2～5所示?？梢姡瑴y站該天衛(wèi)星可見性良好，幾何精度因子DOP值較小，多路徑效應(yīng)不明顯，說明觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

圖2 衛(wèi)星可見性

圖3 衛(wèi)星天空視圖

圖4 幾何精度因子DOP值

圖5 多路徑及高度角

2.2 解算結(jié)果分析

圖6～圖8是bjfs站使用RTKLIB軟件解算單天數(shù)據(jù)采用igs、 igr、igu星歷在X、Y、Z三個方向上的收斂曲線圖。為了將解算結(jié)果與準確值對比，使用武漢大學(xué)導(dǎo)航定位中心研發(fā)的PANDA軟件對該天數(shù)據(jù)解算，并將其結(jié)果視為準確值，表2示出了RTKLIB軟件單天解最后收斂結(jié)果與準確值的差值?？梢钥闯隹焖傩菤v鐘差產(chǎn)品解算結(jié)果與最終星歷鐘差產(chǎn)品定位精度相當(dāng)，都能夠較準確的逼近準確值，最終收斂結(jié)果與準確值比較偏差X方向、Z方向保持在3～4 cm之間，Y方向低于1 cm，都具有較高的精度；而預(yù)報星歷鐘差產(chǎn)品Y方向誤差偏大，收斂時間較長，收斂曲線也不太穩(wěn)定，表明預(yù)報星歷鐘差產(chǎn)品對該軟件靜態(tài)精密單點定位的影響較大。

圖6 igs數(shù)據(jù)單天解收斂曲線圖

圖7 igr數(shù)據(jù)單天解收斂曲線圖

圖8 igu數(shù)據(jù)單天解收斂曲線圖

表2單天解解算最后收斂值與準確值對比表

星歷及鐘差產(chǎn)品坐標分量差值(絕對值)/migsX0.043 5Y0.009 4Z0.036 2igrX0.044 8Y0.006 2Z0.036 9iguX0.042 6Y0.222 8Z0.036 4

3 結(jié)束語

精密單點定位實現(xiàn)了只由一臺接收機在全球范圍內(nèi)就可以獲取ITRF框架內(nèi)的精確坐標，實現(xiàn)幾個厘米級的高精度定位，因而在地形測量、大地測量、航空攝影、海洋測量、城市規(guī)劃、國土資源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]，它改變了以往只能靠差分模式消除各種誤差來達到高精度定位的狀況。但高精度的獲取依賴于各種誤差的充分消除，目前許多精密單點定位軟件源代碼不開放，操作相對復(fù)雜。RTKLIB軟件是一款優(yōu)秀的開源基線解算與定位軟件，該軟件可以進行基線解算、實時定位、后處理分析、處理結(jié)果圖形化、以及對IGS相關(guān)產(chǎn)品下載[9]，該軟件操作簡單，功能強大，處理精度高，本文針對靜態(tài)精密單點定位的應(yīng)用對該軟件進行了分析，采用事后星歷和快速星歷最后收斂值與準確值比較差值均在4 cm左右，達到了預(yù)期的精度，完全滿足一般精度要求的工程需要，值得推廣使用。

[1] 李征航，張小紅.衛(wèi)星導(dǎo)航定位新技術(shù)及高精度數(shù)據(jù)處理方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2009:1-16..

[2] 葉世榕.GPS非差相位精密單點定位理論與實現(xiàn)[D].武漢：武漢大學(xué)，2002.

[3] 陳安京.GPS動態(tài)精密單點定位(PPP)研究[D].南京：東南大學(xué)，2007.

[4] 郝 明，丁希杰.GPS精密單點定位的數(shù)據(jù)處理方法綜述[J].測繪工程，2008,17(5)：60-62..

[5] 高成發(fā)，陳安京，陳 默，等.GPS精密單點定位精度測試與分析[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報，2006,14(6)：23-26.

[6] 吳江飛，黃 珹.GPS精密單點定位模型及其應(yīng)用分析[J].大地測量學(xué)與地球動力學(xué)，2008,28(1):96-100.

[7] 李征航，黃勁松.GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2005：87-88.

[8] 杜向鋒，蔣利龍，李 霞.GPS靜態(tài)精密單點定位精度實驗分析[J].全球定位系統(tǒng)，2008,33(1):35-37.

[9] TOKYO UNIVERSITY OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY. RTKLIB ver.2.4.2 Manual[OL].(2013-04-29)..