王智，曹慶磊，張洪德，胡玉祥，2，孟慶年

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

PPK(post processed kinematic)測量技術(shù)是利用載波相位進(jìn)行事后差分的GNSS定位技術(shù)，屬于動(dòng)態(tài)后處理測量技術(shù)，該技術(shù)采用動(dòng)態(tài)初始化OTF(On The Flying)可快速解算整周模糊度[1]，外業(yè)測量時(shí)觀測 10 s～30 s就可以解算出厘米級的空間三維坐標(biāo)[2]，與RTK實(shí)時(shí)載波相位差分測量技術(shù)不同，PPK測量時(shí)在流動(dòng)站和基準(zhǔn)站之間不需要建立實(shí)時(shí)通訊鏈接[3]，而是在外業(yè)觀測結(jié)束以后，對流動(dòng)站與基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)所采集的原始觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，從而計(jì)算出流動(dòng)站的三維坐標(biāo)[4]。

PPK測量技術(shù)的工作原理是，在一定的有效距離范圍內(nèi)，在測量工作區(qū)適當(dāng)位置處架設(shè)一臺(tái)或者多臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)，再使用至少一臺(tái)GNSS接收機(jī)作為流動(dòng)站在作業(yè)區(qū)域進(jìn)行測繪，由于同步觀測的流動(dòng)站和基準(zhǔn)站的衛(wèi)星鐘差等各類誤差具有較強(qiáng)的空間相關(guān)性，外業(yè)觀測結(jié)束以后在計(jì)算機(jī)中利用GNSS處理軟件進(jìn)行差分處理，進(jìn)行線性組合，并形成虛擬的載波相位觀測值，計(jì)算出流動(dòng)站和基準(zhǔn)站接收機(jī)之間的空間相對位置[5]；然后在軟件里固定基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，即可解算出流動(dòng)站待測點(diǎn)的坐標(biāo)。作業(yè)過程中基準(zhǔn)站GNSS接收機(jī)保持連續(xù)觀測，流動(dòng)站GNSS接收機(jī)先進(jìn)行初始化，再依次在每個(gè)待測點(diǎn)上進(jìn)行一定時(shí)間的觀測，為了將整周模糊度傳遞至待測點(diǎn)，流動(dòng)站接收機(jī)遷站過程中需要對衛(wèi)星進(jìn)行持續(xù)跟蹤[6]，基準(zhǔn)站也可以是CORS系統(tǒng)，即流動(dòng)站只要在CORS系統(tǒng)有效覆蓋范圍內(nèi)即可進(jìn)行PPK作業(yè)并解算。

2 PPK作業(yè)方法及數(shù)據(jù)處理

目前天寶等主流品牌GNSS接收機(jī)都具有PPK作業(yè)功能[7]，下面以天寶R10 GNSS接收機(jī)及后處理軟件TBC介紹PPK作業(yè)模式的設(shè)置、作業(yè)方法及數(shù)據(jù)處理過程。

2.1 PPK測量模式設(shè)置及外業(yè)過程

在R10接收機(jī)手簿主界面“設(shè)置”里的“測量形式”中新建一個(gè)類型為“GNSS”的測量形式。然后分別在流動(dòng)站選項(xiàng)和基準(zhǔn)站選項(xiàng)里進(jìn)行設(shè)置?；鶞?zhǔn)站選項(xiàng)和流動(dòng)站選項(xiàng)里的測量類型均選擇“后處理動(dòng)態(tài)測量”，天線類型選擇“R10 Internal”，測量到“快釋接頭底部”，由于基準(zhǔn)站一直保持接收衛(wèi)星信號(hào)的狀態(tài)，其記錄設(shè)備可選擇“接收機(jī)”，記錄間隔根據(jù)工程需要可選擇 1 s或 5 s，流動(dòng)站由于要在不同的待測點(diǎn)上進(jìn)行觀測，為了方便輸入點(diǎn)號(hào)等操作，流動(dòng)站記錄設(shè)備可選擇“控制器”，即將數(shù)據(jù)記錄在手簿里，截止高度角輸入13°。

外業(yè)作業(yè)過程如圖1所示：

圖1 PPK外業(yè)作業(yè)流程

基準(zhǔn)站接收機(jī)采樣率一般設(shè)置為 1 s或 5 s，流動(dòng)站初始化時(shí)間建議設(shè)置為 5 min～15 min，天寶R10接收機(jī)默認(rèn)的初始化時(shí)間為 8 min，在每個(gè)待測點(diǎn)上觀測 5 s～15 s，若在作業(yè)過程中流動(dòng)站接收機(jī)因傾斜、關(guān)機(jī)或者遮擋出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的情況，則需要重新初始化。在每個(gè)待測點(diǎn)上一般觀測 10 s～ 30 s即可，為得到更可靠的測量精度，應(yīng)將GNSS接收機(jī)頭安放在基座內(nèi)，并采用三腳架進(jìn)行精確對中，嚴(yán)格整平。為確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在測區(qū)就近檢核已有控制點(diǎn)。

2.2 PPK測量數(shù)據(jù)處理

TBC(Trimble Business Center的簡稱)是Trimble的最新數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件不僅能夠?qū)NSS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，也可以對水準(zhǔn)儀、全站儀以及三維激光掃描儀的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。TBC能夠高效解算靜態(tài)基線，其處理速度是TGO軟件的10倍以上，對GPS L1/L2/L5以及GLONASS的數(shù)據(jù)均能進(jìn)行解算，用戶可以對起算點(diǎn)和起算邊進(jìn)行自定義，并將GNSS數(shù)據(jù)與全站儀、電子水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差計(jì)算。處理PPK測量數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先在TBC坐標(biāo)系統(tǒng)管理器里建立測量工程對應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，具體包括建立參考橢球、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換模型、似大地水準(zhǔn)面模型、投影參數(shù)等等[8]。

建立坐標(biāo)系統(tǒng)后，在TBC軟件主界面分別導(dǎo)入流動(dòng)站接收機(jī)和基準(zhǔn)站接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可以是天寶GNSS接收機(jī)原始數(shù)據(jù)格式Dat或TO2等格式，也可以是Rinex等標(biāo)準(zhǔn)格式，輸入基準(zhǔn)站在當(dāng)前坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，并設(shè)為固定基準(zhǔn)，然后進(jìn)行基線處理，便可解算出各個(gè)流動(dòng)站觀測點(diǎn)的空間三維成果。當(dāng)基線處理精度較差時(shí)，應(yīng)對基線進(jìn)行精化處理，如在基線時(shí)段編輯器里刪掉質(zhì)量較差的觀測時(shí)間段，或改進(jìn)電離層、對流層改正模型，并再次進(jìn)行基線處理，直至獲取符合精度要求的解算結(jié)果。

2.3 作業(yè)模式改進(jìn)

為提高測量精度并增加多余觀測便于檢核，PPK測量作業(yè)時(shí)可設(shè)置多個(gè)基準(zhǔn)站，在測繪作業(yè)區(qū)域適當(dāng)位置處架設(shè)多臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)同步觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，流動(dòng)站在基準(zhǔn)站控制范圍內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，依次對各個(gè)待測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這樣即可有效改善作業(yè)方法，提高測量精度和可靠性；或聯(lián)測測區(qū)周邊的CORS站，這樣不需要在測區(qū)架設(shè)基準(zhǔn)站，僅用一臺(tái)流動(dòng)站GNSS接收機(jī)即可完成作業(yè)，其作業(yè)原理和多基站作業(yè)模式相同，也可以在測區(qū)架設(shè)多臺(tái)基準(zhǔn)站，并同步聯(lián)測一個(gè)或多個(gè)CORS數(shù)據(jù)，這樣可大大增加多余觀測，有效增加檢核，提高作業(yè)精度。

數(shù)據(jù)處理時(shí)，在TBC里分別導(dǎo)入多個(gè)基準(zhǔn)站或CORS站以及流動(dòng)站的觀測數(shù)據(jù)，為提高解算精度，可下載同步IGS等精密星歷導(dǎo)入TBC里參與基線解算，基線解算合格后在TBC里固定多個(gè)起算點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)平差即可獲取各個(gè)流動(dòng)站的坐標(biāo)，也可在TBC里導(dǎo)出Asc等格式基線文件，并導(dǎo)入科傻等第三方平差軟件進(jìn)行計(jì)算。

3 測量精度影響因素

為驗(yàn)證PPK的測量精度以及與測量時(shí)間、距離的影響，在青島市地鐵控制網(wǎng)中的控制點(diǎn)進(jìn)行檢測，在某樓頂已知高等級控制點(diǎn)上架設(shè)基準(zhǔn)站，流動(dòng)站共在10個(gè)控制點(diǎn)上進(jìn)行了檢測，基準(zhǔn)站與流動(dòng)站采樣率均設(shè)置為 5 s，將控制點(diǎn)的已知成果作為真值比較分析PPK測量的精度。

3.1 測量時(shí)間對精度的影響

流動(dòng)站在每個(gè)控制點(diǎn)均進(jìn)行了不同時(shí)間長度的觀測，時(shí)間長度依次為 5 s、15 s、30 s、60 s、300 s等不同長度，表1為在控制點(diǎn)GPS109上進(jìn)行不同時(shí)間長度觀測對應(yīng)的水平精度和垂直精度統(tǒng)計(jì)表。

PPK測量時(shí)間與觀測精度統(tǒng)計(jì)表 表1

從表1可以看出，當(dāng)觀測時(shí)間逐漸增加，PPK測量的水平精度和垂直精度也隨之提高，PPK觀測 300 s時(shí)的精度相對于觀測10s時(shí)的精度提高了約一倍。從精度增加的速度看，長時(shí)間的PPK觀測并不能帶來測量精度的顯著提高。

對流動(dòng)站在GPS109上進(jìn)行不同時(shí)間長度的觀測，將其解算結(jié)果與真值進(jìn)行比較，分析其X坐標(biāo)較差、Y坐標(biāo)較差以及距離較差的變化趨勢，結(jié)果如圖2所示；對流動(dòng)站在各個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行不同長度時(shí)間測量的解算結(jié)果與真值進(jìn)行距離較差對比分析，選取其中4個(gè)點(diǎn)，對比結(jié)果如圖3所示，圖中每條折線代表一個(gè)控制點(diǎn)的變化，其中最遠(yuǎn)的一個(gè)點(diǎn)距離基準(zhǔn)站 59.7 km。

從圖2和圖3可以看出，隨著PPK觀測時(shí)間的增加，解算結(jié)果與真值較差大小的變化并無明顯規(guī)律，但有逐漸收斂穩(wěn)定的趨勢，距基準(zhǔn)站約 1.5 km的范圍與真值坐標(biāo)較差在 12 mm之內(nèi)，距離基準(zhǔn)站約 60 km的范圍與真值較差在 30 mm之內(nèi)。

圖2 GPS109測量時(shí)間與真值較差分析圖

圖3 PPK測量時(shí)間與真值距離較差趨勢圖

3.2 流動(dòng)站與基準(zhǔn)站的距離對精度的影響

由于在流動(dòng)站接收機(jī)和基準(zhǔn)站接收機(jī)之間不需要建立通訊鏈接，PPK測量的作業(yè)半徑要比RTK測量要大，測試中最近的點(diǎn)位距離基準(zhǔn)站為 1.47 km，最遠(yuǎn)的點(diǎn)位距離基準(zhǔn)站為 59.72 km，對各點(diǎn)觀測 30 s時(shí)的精度進(jìn)行分析，水平精度和垂直精度統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示：

圖4 PPK測量精度與距離關(guān)系圖

從圖4可以看出，在觀測同樣時(shí)間長度下，隨著與基準(zhǔn)站距離的增加，PPK的觀測水平精度和垂直精度隨之降低，精度降低的速度與距離增加的程度大致呈線性趨勢，對外業(yè)觀測的數(shù)據(jù)用TBC進(jìn)行解算，并將解算結(jié)果與真值進(jìn)行對比，較差分析結(jié)果如圖5所示：

圖5 PPK測量解算結(jié)果較差與距離關(guān)系圖

由圖5可以看出，隨著與基準(zhǔn)站距離的增加，PPK測量解算結(jié)果與真值的較差呈現(xiàn)不規(guī)則的波動(dòng)，并沒有明顯的變化趨勢，但在 60 km范圍，與真值較差在 2 cm～3 cm之內(nèi)。

作業(yè)時(shí)觀測環(huán)境與信號(hào)質(zhì)量的差異也會(huì)對PPK作業(yè)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)行基準(zhǔn)站選擇時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)射塔、高樓等遮擋物，保證足夠的衛(wèi)星高度角，并遠(yuǎn)離大面積水域，防止多路徑效應(yīng)、電磁波的干擾以及衛(wèi)星信號(hào)被遮擋和反射。

綜上分析，隨著PPK觀測時(shí)間長度的增加，測量精度會(huì)逐步提高，但提高的程度并不顯著，測量結(jié)果也隨著時(shí)間的增加由無規(guī)則變化趨于穩(wěn)定；隨著與基準(zhǔn)站距離的增加，PPK測量精度會(huì)逐步降低，但在 60 km范圍內(nèi)測量結(jié)果并沒有明顯變化，其精度完全滿足常規(guī)城市測量工作的需要。

4 結(jié) 語

(1)PPK測量技術(shù)無須在流動(dòng)站與基準(zhǔn)站接收機(jī)之間建立實(shí)時(shí)的通訊鏈接，因此其測量作業(yè)半徑更大，觀測更為靈活，各個(gè)流動(dòng)站之間點(diǎn)位誤差互不傳遞、不累積，其外業(yè)作業(yè)模式與RTK相似，數(shù)據(jù)處理方法與靜態(tài)測量基本相同，定位精度高。作業(yè)時(shí)可通過多基站或聯(lián)測CORS、加入精密星歷參與解算等方法來提高測量精度、確保測量成果的可靠性。作業(yè)時(shí)應(yīng)就近檢核已有的控制點(diǎn)，確保成果的準(zhǔn)確性。

(2)為了確保PPK作業(yè)模式的準(zhǔn)確性，以及整周模糊度的準(zhǔn)確解算，在流動(dòng)站接收機(jī)進(jìn)行觀測之前，需進(jìn)行至少 5 min的初始化測量。由于是事后處理得到測量結(jié)果，PPK作業(yè)無法在實(shí)地放樣，流動(dòng)站接收機(jī)在遷站過程中需保持對GNSS信號(hào)的持續(xù)跟蹤，不然失鎖后接收機(jī)需再次初始化，在實(shí)際測繪作業(yè)中，該測量技術(shù)可以作為RTK技術(shù)的補(bǔ)充。

(3)PPK測量精度與觀測時(shí)間長度、基準(zhǔn)站距離等因素有關(guān)，觀測時(shí)間越長、距基準(zhǔn)站越近，PPK測量精度越高，但隨著時(shí)間的變化，改善地并不顯著，測量結(jié)果與時(shí)間、距離的變化并沒有明顯規(guī)律，但隨著觀測時(shí)間的增加會(huì)趨于穩(wěn)定，在 60 km作業(yè)范圍內(nèi)，PPK后處理差分定位精度可達(dá)到 2 cm～3 cm。