常 晶
(華北理工大學礦業(yè)工程學院,河北 唐山 063210)
王濤濤等[1]根據(jù)精密單點定位原理,對4種不同時長(30 min、1 h、2 h、24 h)的GNSS觀測數(shù)據(jù)進行了RTKLIB精密單點定位測試,分析了RTKLIB單點定位精度與時長的量化關系,并給出了實用性高的參數(shù)組合。管真等[2]分析了GNSS衛(wèi)星星歷幾種類型的精度,并對精密星歷進行了詳細分析,將超快星歷、快速星歷和最終星歷對比后得出,快速星歷在精度上比較接近最終星歷,通過對比常用的幾種衛(wèi)星坐標插值擬合方法,認為采用Chebyshev多項式擬合方法對精密星歷進行擬合插值,擬合效果比較好。何一辛等[3]利用IGS不同分析中心提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品,對全球分布的15個跟蹤站進行精密單點定位解算得到了德國地學研究中心(GFZ)、歐洲航天局(ESA)及歐洲定軌中心(CODE)的產(chǎn)品較為優(yōu)秀而且在實際PPP解算時應注意提高軌道產(chǎn)品精度。程贇等[4]利用ICS提供的綜合精密產(chǎn)品和不同分析中心的精密產(chǎn)品,比較分析了不同分析中心精密軌道和精密鐘差產(chǎn)品的區(qū)別,并基于RTKLIB比較不同分析中心精密產(chǎn)品PPP單天解相對于IGSPPP單天解的點位分量誤差,得出盡管不同分析中心的精密軌道和精密鐘差產(chǎn)品存在差異,但采用同一分析中心精密產(chǎn)品進行精密單點定位時,其X、Y、Z坐標分量偏差均在mm級,其點位定位誤差在2 mm~8 mm之間波動,而且同一分析中心的軌道和鐘差產(chǎn)品具有自洽性和一致性。
RTKLIB軟件選擇精密單點定位算法的情況下,解算步驟包含資料提取和處理、信息預處理、觀測建模以及誤差修復等。
在全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS中,RTKLIB屬于重要標準,其來源于日本東京海洋大學,關鍵的功能如下。
1)允許各類GNSS系統(tǒng)的基礎以及精密定位算法,尤其是GPS、GLONASS等。
2)允許各類GNSS實時以及后處理模式,具體有單點定位、DGPS/DGNSS等。
3)允許各類GNSS標準格式以及協(xié)議:RINEX2.10、RINEX2.11等。
4)允許各類GNSS接收裝置專用數(shù)據(jù)協(xié)議模式:OEMStar、NVS等。
RTKLIB內部借助GPST(GPST時間)應用到GNSS的數(shù)據(jù)處置以及定位算法方面。數(shù)據(jù)從RTKLIB內展開處置前,應當調整成GPST時間。選擇GPST的主要因素在于防范處理潤秒。接收裝置以及衛(wèi)星的方位從RTKLIB內體現(xiàn)成ECEF坐標體系里的X、Y、Z軸。但是,能夠評估精密單點定位準確性的坐標屬于接收裝置方位的本地坐標,即ENU坐標,這一坐標基本從GNSS導航處理?;诖?,ECEF坐標至本地ENU坐標存在轉換的問題,其轉換能夠借助旋轉矩陣解決。
RTKLIB的算法完善,導航以及定位能力卓越,能夠解決各類GNSS定位解算。從該軟件內執(zhí)行精密單點定位需要依賴于RTKPOST功能組,其中涉及六個方面,能夠實現(xiàn)資料提取和處理、模糊度運算等功能。RTKLIB精密單點定位的算法流程如圖1所示。
圖1 RTKLIB精密單點定位算法流程圖
本實驗采用2015年1月1日JFNG站的觀測數(shù)據(jù)。試驗的具體策略如下。
1)先后借助向前、向后濾波展開了GPS-PPP靜態(tài)定位。
2)分別選取了15°、20°、30°和45°四個值進行GPSPPP靜態(tài)定位。
3)分別使用精密單點定位靜態(tài)解算模式(PPP Static)、精密單點定位動態(tài)模式(PPPKinematic)進行比較。
4)不同對流層模型GPS-PPP靜態(tài)定位。
為研究各種濾波方式在PPP收斂效率以及定位準確性上的作用,圖2提到測站前/后向濾波GPS-PPP的定位情況。具體來看,E、N、U三種路徑當中,前向濾波方式收斂效果優(yōu)于后向濾波,但是從穩(wěn)定性以及精度兩個層面的差異不明顯,對于RMS值,在測站前向濾波GPS-PPP當中,RMS數(shù)據(jù)均低于后向濾波,并且,兩種測站RMS數(shù)據(jù)也沒有超過3 cm。所以,前向濾波法有利于增強收斂效率。在RMS數(shù)據(jù)來看,E路徑中,前向濾波法可以實現(xiàn)更低的RMS值,由此讓PPP精度有所提高,然而,N和U方向前向濾波法對PPP精度改善略差于E方向。所以,從展開PPP數(shù)據(jù)處理的階段借助前向濾波法能夠提升PPP收斂效率,降低收斂的時間損耗,并且在精度方面起到了優(yōu)化作用。
圖2 前/后向濾波PPP定位解算精度對比分析
衛(wèi)星截止高度角主要作用在于限制遮擋物,或者多線路效應下建立的蔽遮高度角,沒有達到這一角視空域的衛(wèi)星無需追蹤。
從展開精密單點定位靜態(tài)運算階段,衛(wèi)星截止高度角能夠干預測站關于衛(wèi)星的觀察時間,并且還能影響觀測信息,而觀測信息屬于精密單點定位的重要參考依據(jù)。另一方面,衛(wèi)星截止高度角有差異的情況下,精密單點定位階段各方面誤差也會有一定的區(qū)別,其共同干預精密單點定位最后的運算精確性。
本實驗選擇2015年1月1日JFNG站的觀測值,展開PPP靜態(tài)解算,確定15°、20°、30°、45°四個高度角,F(xiàn)NG測站的不同衛(wèi)星截止高度角下PPP定位解算精度對比分析如圖3所示。
圖3 JFNG測站不同衛(wèi)星截止高度角下PPP定位解算精度對比分析
根據(jù)上圖能夠得知,在各種截止高度角中,PPP收斂時間有一定的拉長,15°、20°的收斂時間較為相同,在0.5 h左右,如果高度角設定成30°的情況下,收斂時間拉長,基本處在1 h,如果高度角在45°情況下,解算缺乏穩(wěn)定性,定位同樣也面臨干預。
RTKLIB中有三類PPP解算方式,具體為靜態(tài)解算模式、動態(tài)模式和固定模式。
1)靜態(tài)精密單點定位屬于目前最為普遍的一種定位模式,借助各個頻率觀測數(shù)據(jù)的相互結合,產(chǎn)生組合觀測值,應對其中誤差,增強定位精度,不過考慮到參數(shù)估算方式難以解決高動態(tài)數(shù)據(jù),從實踐上存在局限。
2)動態(tài)精密單點定位模式。主要的原理在于借助MGEX精密星歷等,基于接收裝置的觀測信息展開動態(tài)非差處置,實現(xiàn)精度要求。因為在獨立性、動態(tài)性等方面的優(yōu)勢,該技術從高精度動態(tài)應用方面體現(xiàn)了不可替代的作用。
實驗納入了JFNG站2015年1月1日的測量信息,精密星歷主要選擇IGS提到的15 min間距的軌道以及鐘差產(chǎn)品,具體名為igs18775.sp3。
本實驗依托于GPS單系統(tǒng)實施,而最后的結果儲存于格式為.pos的文件內,結合RTKPLOT系統(tǒng)表現(xiàn)詳細的定位結果,F(xiàn)NG測站的不同定位模式下PPP定位結果精度分析如圖4所示。
圖4 JFNG測站的不同定位模式下PPP定位結果精度分析
根據(jù)上圖能夠發(fā)現(xiàn),兩類定位模式均可以實施PPP解算,不過,E、N、U三種路徑當中的誤差圖顯示,基于PPPStatic模式,輸出結果相對PPPKinematic更平穩(wěn)。在誤差程度上展開對比,PPPKinematic僅可以滿足亞米級精度要求,不過PPPStatic可以達成厘米級精度需求。
涉及對流層干延遲誤差的問題,一般應用ztd-est等模型,而對流層濕延遲誤差更加適用于隨機游走。
圖5先后體現(xiàn)了JFNG測站不同模型的GPS-PPP靜態(tài)定位誤差情況?;趫D5,選擇Saastamoinen模型的情況下,表現(xiàn)在PPP收斂速度以及精度方面的作用明顯,誤差和其余模型對比之下更差,尤其是U路徑中的誤差和其余兩條路徑對比更大,而選擇Estimate ZTD、Estimate ZTD+Grad的情況下,誤差更加可控,收斂效率更高,同時,兩個對流層模型收斂周期以及精度基本一致,Estimate ZTD+Grad表現(xiàn)出輕微的優(yōu)勢,且兩個模型的RMS數(shù)據(jù)都不超過2 cm,而Saastamoinen模型無法控制到3 cm內。
圖5 JFNG測站的不同對流層改正模型下PPP定位結果
通過不同解算策略對精密單點定位功能的影響探究,發(fā)現(xiàn)在實施PPP數(shù)據(jù)處理的階段,借助前向濾波法能夠增強PPP收斂能力,并且在定位精度方面存在優(yōu)化作用;衛(wèi)星截止高度角在30°范圍內幾乎不考慮PPP收斂方面的影響,若大于30°,則收斂速度和高度角反向變動;在PPP解算中,如果與Kinematic模式對比,Static模式定位存在一定的精度優(yōu)勢;選擇Saastamoinen模型的情況下,PPP收斂速度、精度將面臨顯著的影響。從RTKLIB軟件來看,主要對周跳展開測量,但不展開修正,其算法的優(yōu)化有待探究。