(精密单点定位).doc

1、简介 精密单点定位 -precise point positioning（ PPP） 所谓的精密单点定位指的是利用全球若干地面跟踪站的 GPS 观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差 , 对单台 GPS 接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算。利用这种预报的 GPS 卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据 ; 同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户 GPS 定位观测值方程中的卫星钟差参数 ; 用户利用单台 GPS 双频双码接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以 2- 4dm 级的精度 , 进行实时动态定位或 2- 4cm 级的精度进行较快速的静态定

2、位 , 精密单点定位技术 是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技术 ,也是 GPS 定位方面的前沿研究方向。 编辑本段 精密单点定位基本原理 GPS 精密单点定位一般采用单台双频 GPS 接收机 , 利用 IGS 提供的精密星历和卫星钟差 ,基于载波相位观测值进行的高精度定位。所解算出来的坐标和使用的 IGS 精密星历的坐标框架即 ITRF 框架系列一致 , 而不是常用的 WGS- 84 坐标系统下的坐标 ,因此 IGS 精密星历与 GPS 广播星历所对应的参考框架不同。 编辑本段 密单点定位的主要误差及其改正模型 在精密单点定位中 , 影响其定位结果的主要的误差包括 :与卫星有关的误差 (

3、卫星钟差、卫星轨道误差、相对论效应 );与接收机和测站有关的误差 (接收机钟差、接收机天线相位误差、地球潮汐、地球自转等 );与信号传播有关的误差 (对流层延 迟误差、电离层延迟误差和多路径效应 )。由于精密单点定位没有使用双差分观测值 , 所有很多的误差没有消除或削弱 ,所以必须组成各项误差估计方程来消除粗差。有两种方法来解决 :a.对于可以精确模型化的误差 ,采用模型改正。 b.对于不可以精确模型化的误差 ,加入参数估计或者使用组合观测值。如双频观测值组合 ,消除电离层延迟 ;不同类型观测值的组合 ,不但消除电离层延迟 ,也消除了卫星钟差、接收机钟差 ;不同类型的单频观测值之间的线性组合消

4、除了伪距测量的噪声 ,当然观测时间要足够的长 ,才能保证精度。 什么是 PPP（精密单点定位 ）？ (2009-08-02 13:58:03) GPS 从投入使用以来，其相对定位的定位方式发展得很快，从最先的码相对定位到现在的RTK，使 GPS 的定位精度不断升高。而绝对定位即单点定位发展得相对缓慢，传统的 GPS 单点定位是利用测码伪距观测值以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟改正数进行的。其优点是 数据采集和数据处理较为方便、自由、简单 , 用户在任一时刻只需用一台 GPS 接收机就能获得 WGS284 坐标系中的三维坐标。但由于伪距观测值的精度一般为数分米至数米 ;用广播星历所求得

5、的卫星位置的误差可达数米至数十米 , 卫星钟改正数的误差为 20 ns 左右 , 只能用于导航及资源调查、勘探等一些低精度的领域中。随着我国海洋战略的实施 ,海洋科研、海洋开发、海洋工程等海上活动日益增加 ,对定位精度的要求也呈现出多样化 ,如精密的海洋划界、精密海洋工程测量等 ,要求能够达到十几或几十厘米的定位精度 ,而采用伪距差分定位只能提 供米级的定位精度 ,如果使用 RTK 功能 ,作用距离又不能达到 ;对于这部分定位需求 ,现有的定位手段无法满足要求 ,需要寻求新的定位方式或技术。 精密单点定位 (Precise Point Positioning, PPP)技术由美国喷气推进实验室

6、 ( JPL ) 的Zumberge 于 1997 年提出。 20 世纪 90 年代末 ,由于全球 GPS 跟踪站的数量急剧上升 ,全球GPS 数据处理工作量不断增加 ,计算时间呈指数上升。为了解决这个问题 ,作为国际 GPS 服务组 ( IGS)的一个数据分析中心 , JPL 提出了这一方法 ,用于非核心 GPS 站的数据处理。该技术的思路非常简单 ,在 GPS 定位中 ,主要的误差来源于三类 ,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机 ,可以利用 LC 相位组合 ,消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道 ,计算的参考框架同为地心地固系 ,可以消去观测方程中的地球自

7、转参数。于是 ,只要给定卫星的轨道和精密钟差 ,采用精密的观测模型 ,就能像伪距一样 ,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。 根据 PPP 技术的要求 ,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。目前 ,国际 GPS 服务组织 ( IGS)的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差 ,但是 ,这些都是后处理结果。根据 IGS 的产品报告 , IGS 提供的卫星轨道精度能够达到 2 3cm,卫星钟差的精度优于 0. 02ns,这种精度的卫星钟差和轨道 ,能够满足任何精度的定位要求。近 10 年 ,由于IGS 的努力 , GPS 卫星预报轨道的精度已经达到十几厘米

8、 ,预报轨道的时间也由 24h 预报缩短到 3h 预报 ,卫星轨道的精度已经能够满足一般定位的要求。由于 IGS 现在不能提供实时和外推的精密卫星钟差 ,制约了实时 PPP技术的应用 ;精密的卫星钟差仍然是 PPP技术实时应用瓶颈 ,目前 IGS 只有后处理卫星钟差 , JPL 和 GFZ 已经有能力提供快速卫星钟差。 实时 PPP 网络介绍 -StarFire StarFire 是一个全球 GPS 差分网络，能为世界上任何位置的用户提供可靠的，史无前例的分米级定位精度。由于广域差分 GPS 修正系统通过 Inmarsat 地球同步通信卫星作为通信链路，所以用户不用搭建本地参考站或数据后处理，

9、就可获得很高的精度。此外，由于采用覆盖全球的地球同步卫星作为差分通信链路，则可以在地球表面从北纬 75到南纬 75都可获得相同的精度。 StarFire 系统由 GPS 卫星星座， L 波段通信卫星，和一个分布在世界各地的参考站网络组成，并由该系统提供实时的高精度定位信息。为提供这一独特定位服务， StarFire 搭建了一个全球双频参考站网络，这些参考站不断地接收来自 GPS 卫星信号。参考站接收的信号被传送到分别位于 California， Torrance 和位于 Illinois， Moline 的网络处理中心，并在这两处生成差分改正信息。上述两处网络处理中心的差分信息，通过独立的通信

10、链路，被传送到卫星上行链路站。这些站分别位 于加拿大的 Laurentides，英格兰的 Goonhilly 和新西兰的Aucklang。在这些卫信上行链路站，修正信号被上传给地球同步通信卫星。 实时 PPP 工作流程 StarFireTM 系统之所以方便地实现高精度定位，关键在于 GPS 修正源。 GPS 卫星在两个 L 波段上传输导航数据。各个参考站都装有测量级的双频接收机。这些参考站的接收机解码 GPS 信号并将高质量的双频伪距和载波相位测量数据，连同所有 GPS 卫星都广播的数据信息，发送回网络处理中心。在网络处理中心，利用 NavCom 的专有差分处理 技术，生成实时 GPS 卫星星

11、座的精密轨道信息和星种改正数据。该专有广域 DGPS 算法，优化了双频系统。在双频系统中，参考站接收机和用户接收机都能使用双频电离层测量数据。正因为在参考站和用户端都使用双频接收机，连同先进的数据处理算法，才使系统实现高精度成为可能。 计算出改正数据只是第一步。而后需要将网络处理中心的差分改正数据传送致陆地地球站（ LES），以便在那里将数据上传给 L 波段通信卫星。上行站装配有 NavCom 的调制设备，该调制设备作为卫星发射器的接口，将改正数据流上传给通信卫星，并由通信卫星广 播给覆盖地区。每个 L 波段卫星覆盖地球面积，都超过三分之一。 用户的 C-Nav 精确 GPS 接收机，事实上有

12、两个接收机，一个 GPS 接收机和一个 L 波段通信接收机，两接收机都是由 NavCom 为该系统设计的。系统中， GPS 接收机跟踪所有的在视卫星，并计算伪距测量数据。与此同时， L 波段接收机接收由 L 波段通信卫信播发的改正信息。将改正信息应用于 GPS 测量数据，就生成了精确的定位测量。 GPS 精密单点定位（ PPP）技术在测量中的应用 摘要 PPP 是一种技术，是相对应单点定 位（ SPP)提出来的。 PPP 利用精密轨道和时钟来消除卫星轨道和时钟误差，利用双频观测值来消除电离层的影响，通过相位观测值来估计对流层延迟，由于上述误差都可以削弱到厘米级左右， PPP 利用单站 GPS

13、观测值就可以达到几个厘米的定位精度，即传统 RTK 的精度，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本，而且 PPP 可以精确地估计对流层的延迟和接收机钟差 ,这些信息广泛用于气象和授时守时服务，这些优点都是差分定位技术无可比拟的。 本文主要介绍利用精密单点定位技术及 TRIP 软件进行动态数据后处理，提高双频 GPS接收机的利用效率及提高生产功效。 一、精密单点定位技术的定位原理 精密单点定位 (Precise Point Positioning, PPP)技术由美国喷气推进实验室 ( JPL ) 的 Zumberge 于 1997 年提出。该技术的思路非常简单 ,在 GPS 定

14、位中 ,主要的误差来源于三类 ,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机 ,可以利用 LC 相位组合 ,消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道 ,计算的参考框架同为地心地固系 ,可以消去观测方程中的地球自转参数。于是 ,只要给定卫星的轨道和精密钟差 ,采用精密的观测模型 ,就能像伪距一样 ,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延迟参数。随着高精度的精密卫星轨道和时钟的出现。 利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户 GPS定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台 GPS双频双码接收机的观测数据在数千公里乃至全球范围内的任意位置都可以分米级的精度进行实

15、时动态定位或以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一导航定位方法称为精密单点定位（ Precise Point Positioning），简称为（ PPP）。 在精密单点定位中，一般是利用 IGS的精密卫 星钟差估计值消去卫星钟差项，并且采用双频观测值消除电离层影响，其观测值误差方程如下： 线性化： 式中： A为相应的设计矩阵， L（ i）为相应的观测值减去概略理论计算值得到的常数项， 为待估计参数，其中 x、 y、 z 为三维位置参数， 为接收机钟差参数、 为对流层延迟参数、 为整周未知数参数。 利用上述推导的观测模型，即可采用卡尔曼滤波的方法或最小二乘法进行非差精密单点定位计算，在解算时，

16、位置参数在静态情况下可以作为常未知数处理；在未发生周跳或修复周跳的情况下，整周未知数当作常数处理，在发生周跳的情况下，整 周未知数当作一个新的常数参数进行处理；由于接收机钟较不稳定，且存在着明显的随机抖动，因此将接收机钟差参数当作白噪声处理；而对流层影响变化较为平缓，可以先利用 Saastamonen 或其他模型改正，再利用随机游走的方法估计其残余影响。的卫星钟差和测站 三、精密单点定位与 RTK 比较 精密单点定位采用非差观测值模型，可用观测值多，保留了所有观测信息；能直接得到测站坐标；不同测站的观测值不相关，显然误差也不相关，测站与测站之间无距离限制 其不利之处是未知参数多；无法采用站间或

17、星间差分的方法消除误差影响， 必须利用完善的改正模型加以改正。整周未知数不具有整数特性。 RTK 采用双差模型观测模型，其重要优点是消除卫星钟差、接收机钟差的影响。对于短基线情况，可以进一步消除电离层和对流层延迟的影响，整周未知数具有整数特性。缺点是观测值减少且相关必须至少在一个已知站上进行同步观测才能求解测站坐标。 精密单点定位 优点： 处理非差伪距和相位观测值 估计位置、接收机钟差、对流层延迟 支持静态和动态定位 支持全球定位 与坐标框架直接联系 无需基准站支持即可实现厘米级到分米级定位 提高效益，降低成本 四、精密单点定位应用实例 1、静态定位 观测数据采用我院 2006 年 5 月至

18、6 月部分 GPS 静态控制网的观测数据（仪器采用 Topcon Hiper、 Trimble 5800 双频 GPS 接收机按 10 秒采样率观测 1 小时），将观测数据转为标准RINEX 格式的数据文件，利用对应的事后精密星历文件与精密钟差文件，采用武汉大学研制的 TriP（ 1.0）软件进行精密单点定位计算，结果如下： 点号 观测日期 历 元（ GPS 周秒） 精 度 指 标（ m） 坐标系统 开始 结束 加权均方根误差 未加权均方根误差 24 5-19 437170 443220 0.028 0.098 ITRF 2000 24 5-19 451150 455465 0.036 0.0

19、65 321 5-19 437245 443255 0.017 0.047 321 5-19 451155 455540 0.019 0.056 16 5-21 4300 9230 0.015 0.028 19 5-19 439560 443290 0.016 0.033 327 5-19 450915 457070 0.017 0.032 21 5-19 451020 455550 0.017 0.032 306 5-21 16670 21730 0.021 0.034 317 5-21 27800 31530 0.020 0.032 314 5-21 16680 22850 0.020 0

20、.037 13 5-21 14595 21990 0.021 0.037 ITRF 2000 18 5-21 14515 22930 0.020 0.041 251 5-26 435610 439280 0.013 0.031 17 5-26 444950 450050 0.018 0.040 305 5-26 434270 438090 0.014 0.046 305 5-26 445050 450470 0.018 0.046 11 5-26 434210 438160 0.012 0.040 11 5-26 445650 450280 0.018 0.041 303 5-26 43566

21、0 439330 0.013 0.033 332 5-26 445700 450140 0.018 0.044 注：精度指标中加权均方根误差的参考值为 0.03m，未加权均方根误差的参考值为 0.05m。 由于 ITRF 2000 坐标与 WGS-84 坐标差异不大，因此可利用 WGS-84 坐标与 1980 西安坐标的转换关系将精密单点软件解算的结果转换为 1980 西安坐标的成果，此成果与我院采用常规静态所测结果比较如下： 点号 平面坐标差（ m） 点位误差（ m） 高程较差（ m） X Y 251 -0.045 -0.166 0.172 0.774 11 -0.181 0.478 0.5

22、11 0.259 11 -0.236 0.071 0.247 0.089 13 -0.187 0.332 0.380 0.245 16 -0.152 0.200 0.251 0.192 17 -0.125 0.248 0.278 0.105 18 -0.118 0.213 0.244 0.152 19 -0.130 0.206 0.244 0.204 21 -0.116 0.186 0.219 0.077 303 -0.079 -0.106 0.133 0.379 305 -0.102 0.323 0.339 0.232 305 -0.229 -0.180 0.291 0.209 306 -0

23、.200 0.430 0.474 0.114 312 -0.071 0.170 0.184 -0.076 314 -0.125 0.228 0.260 0.043 317 -0.081 0.282 0.293 0.047 321 -0.129 0.096 0.161 0.051 321 -0.108 0.123 0.164 0.049 327 -0.088 0.160 0.183 0.018 332 -0.166 0.445 0.475 0.247 从上表可以看出，精密单点定位软件在静态定位时可以达到 0.5m 的定位精度，当然其中有部分误差也可能来自于 80 西安坐标系中已知坐标的误差。若需

24、要达到更高的静态定位精度需观测 6 小时以上。 2、动态定位试验 试验区选择在我院，观测条件不是太好。采用拓扑康双频 GPS 接收机，卫星高度截止角设定为 5 度，采样率为 1 秒，首先在地上画一半径为 2 米的圆，用接收机沿圆周走一圈，其点位轨迹如下图： 水池边 半径 2 米的圆 动态观测数据采用快速星历进行解算，将定位解算完成后的各历元的空间大地坐 标利用七参数转换关系将其转换为平面直角坐标，其特征点与数字化地形图相互关系如下： 经计算，点位偏离圆周最大为 0.13 米（手扶对中杆）。 综上所述，精密单点定位技术完全可以达到 0.01 0.5m 的后处理精度，因此采用动态测量模式对线状地物进行测量，可实现走走停停的测量方法。由于精密单点定位技术可不受作业距离的限制及不需要基准站，采用单台双频 GPS 接收机就可进行作业，可大大提高 GPS接收机利用效率及作业功效。 五、结论 采用精密单点定位技术，利用单站 GPS 就可以达到几个厘米的精度，即传统 RT K的精度，其作业不受作业距离限制、不需要基准站支持，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本。在 RTK作业盲区、精密海洋工程测量、海岸线测量、海洋测量、大面积航空摄影测量、土地测量（开发造地、土地整理）等方面具有较广泛的应用。