摘 要：首先介紹了GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)的工作原理，并與RTK技術(shù)進(jìn)行了比較，隨后分析了GPS精密單點(diǎn)定位測(cè)量的誤差源及誤差改正。最后對(duì)GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中的精度進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。
關(guān)鍵詞：GP精密單點(diǎn)定位；誤差改正；精度分析
1 概述
隨著計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的衛(wèi)星定位技術(shù)正向著實(shí)時(shí)、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、集中式的數(shù)據(jù)服務(wù)是這些技術(shù)的典型特征。傳統(tǒng)GPS單點(diǎn)定位的精度僅僅能達(dá)到10m左右，很難滿足高精度導(dǎo)航定位的要求。精密單點(diǎn)定位是利用高精度的GPS衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差以及單臺(tái)接收機(jī)的雙頻載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于PPP僅利用單臺(tái)接收機(jī)即可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)高精度定位，并且能直接得到高精度的ITRF框架坐標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)了全球高精度無(wú)縫觀測(cè)。因此它在高精度工程測(cè)量和動(dòng)態(tài)高精度的導(dǎo)航與定位等方面都具有不可限量的應(yīng)用前景。
2 精密單點(diǎn)定位技術(shù)簡(jiǎn)介
精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning,簡(jiǎn)稱PPP）技術(shù)是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Zumberge于1997年提出。該技術(shù)的思路非常簡(jiǎn)單，在GPS定位中，主要誤差來(lái)源于三類，即軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時(shí)。如果采用雙頻接收機(jī)，可以利用LC相位組合，消除電離層延時(shí)的影響。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道，計(jì)算的參考框架同為地心地固系，可以消除去觀測(cè)方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。于是，只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測(cè)模型，就能像偽距一樣，單站計(jì)算出接收機(jī)的精確位置、鐘差、模糊度以及對(duì)流層延遲參數(shù)。
精密單點(diǎn)定位是利用高精度的GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差以及雙頻載波相位觀測(cè)值 采用非差模型進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法精密單點(diǎn)定位的解算過(guò)程如下：到IGS官方網(wǎng)站下載精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差輸入精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差然后利用非差相位觀測(cè)值解算測(cè)站的位置參數(shù)同時(shí)解算非差整周模糊度、接收機(jī)鐘差及對(duì)流層延遲等參數(shù),然后進(jìn)行一系列的解算。
3 精密單點(diǎn)定位技術(shù)與RTK比較
精密單點(diǎn)定位采用非差觀測(cè)值模型，可用觀測(cè)值多，保留了所有觀測(cè)信息，能直接得到觀測(cè)坐標(biāo)。不同測(cè)站的觀測(cè)值不相關(guān)，顯然誤差也不相關(guān)，測(cè)站與測(cè)站之間的距離無(wú)限制。
其不利之處是未知參數(shù)多，無(wú)法采用站間差分或星間差分的方法消除誤差影響，必須利用完善的改正模型加以改正。整周未知參數(shù)不具有整數(shù)特性。
RTK采用雙差模型觀測(cè)模型，其重要優(yōu)點(diǎn)是消除衛(wèi)星鐘差、接受機(jī)鐘差的影響。對(duì)于短基線情況，可以進(jìn)一步消除電離層和對(duì)流層延遲的影響，整周未知數(shù)具有整數(shù)特性。缺點(diǎn)是觀測(cè)值減少且相關(guān)，必須至少在一個(gè)已知站上進(jìn)行同步觀測(cè)才能求解測(cè)站坐標(biāo)。
4 精密單點(diǎn)定位技術(shù)的誤差改正
有別于雙差定位模式，非差觀測(cè)模型是描述非差觀測(cè)值與其它物理影響因素的函數(shù)關(guān)系，因此需要精確估計(jì)3類誤差源的影響：①與測(cè)站相關(guān)；②與衛(wèi)星相關(guān)；③與信號(hào)傳播路徑相關(guān)。
4.1 與測(cè)站相關(guān)的誤差改正
4.1.1 接收機(jī)鐘差。以接收機(jī)鐘差及其變化量作為待定參數(shù)，并認(rèn)為各歷元之間是相互獨(dú)立的，看成一種白噪聲，和測(cè)站位置、速度一起進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。
4.1.2 地球固體潮改正。地球固體潮改正由和緯度相關(guān)的長(zhǎng)期項(xiàng)與周期項(xiàng)組成。PPP利用單天解消除周期性誤差后的殘差影響在水平方向可達(dá)5cm，在垂直方向可達(dá)12cm，還需利用模型加以改正。
4.1.3 海洋潮汐改正。當(dāng)測(cè)站離海岸線大于1000km時(shí)，其影響可忽略不計(jì)；對(duì)單歷元解的影響可達(dá)5cm。
4.2 與衛(wèi)星相關(guān)的誤差改正
4.2.1 衛(wèi)星鐘差改正。可在非差相位精密單點(diǎn)定位基準(zhǔn)站上利用相對(duì)衛(wèi)星鐘差，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)分析中心將所計(jì)算的1s更新率的精密相對(duì)衛(wèi)星鐘差傳輸給用戶，用戶利用這些數(shù)據(jù)，計(jì)算的定位結(jié)果可以滿足精度要求。
4.2.2 衛(wèi)星軌道誤差�；鶞�(zhǔn)站數(shù)據(jù)分析中心根據(jù)IGS實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)精密星歷的軌道誤差有25-40cm，可以滿足實(shí)時(shí)PPP的0.5m以內(nèi)的定位精度要求，而事后精密星歷的精度更可以達(dá)到3-5cm。
4.2.3 相對(duì)論效應(yīng)。由于衛(wèi)星和接收機(jī)所在位置的地球引力位及在慣性空間中的運(yùn)動(dòng)速度不同，將導(dǎo)致衛(wèi)星鐘頻率產(chǎn)生視漂移。因此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，有意將衛(wèi)星鐘基準(zhǔn)頻率降低0.00455Hz來(lái)解決頻率偏差，對(duì)于非常數(shù)部分，則采用數(shù)學(xué)模型改正。
4.3 與信號(hào)傳播路徑相關(guān)的誤差改正
4.3.1 對(duì)流層延遲。Niell模型是高精度GPS定位中廣泛采用的投影函數(shù)。PPP單點(diǎn)定位采用Niell模型改正后，一般仍會(huì)有數(shù)cm的殘差，因此還需要一階高斯馬爾可夫過(guò)程等方法來(lái)進(jìn)行模擬。
4.3.2 電離層延遲改正。對(duì)于雙頻碼相位接收機(jī)來(lái)說(shuō)，通常利用雙頻觀測(cè)值的組合消除電離層影響項(xiàng)。
4.3.3 多路徑效應(yīng)。消除此項(xiàng)誤差的措施主要有：選擇測(cè)站位置時(shí)注意避開信號(hào)反射物；接收機(jī)天線配備抑徑板或抑徑圈。
5 精密單點(diǎn)定位技術(shù)的精度分析
5.1 在定位過(guò)程中需同時(shí)采用相位和偽距觀測(cè)值
5.2 需使用精密衛(wèi)星星歷和精密衛(wèi)星鐘差等重要數(shù)據(jù)。目前靜態(tài)或事后處理的動(dòng)態(tài)用戶已經(jīng)可以無(wú)償從IGS JPL等網(wǎng)站上獲取 事后精密衛(wèi)星星歷的精度已優(yōu)于5cm,精密衛(wèi)星鐘差的精度已達(dá)0.1ns。
5.3 在解算模型中需考慮固體潮、大洋負(fù)荷、衛(wèi)星天線相位偏差等誤差的精確改正模型。
5.4 精密單點(diǎn)定位無(wú)法固定整周模糊度，并且其定位質(zhì)量依賴于的非差觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，非差觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理顯得尤為關(guān)鍵。
P3解算軟件是精密單點(diǎn)定位解算軟件，P3解算軟件可以進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)解算。有兩種處理模式供選擇，SPP(只使用碼測(cè)量)和PPP(主要運(yùn)用相位測(cè)量)。
對(duì)于對(duì)流層和電離層延遲，P3軟件利用模型和隨機(jī)參數(shù)估計(jì)共同改正對(duì)流層延遲誤差，使用Hopfield模型和Niell函數(shù)改正對(duì)流層延遲誤差，將模型改正后的對(duì)流層延遲殘差作為一個(gè)參數(shù)，使用隨機(jī)游走法進(jìn)行估計(jì)；使用雙頻非差載波相位觀測(cè)值消除電離層延遲誤差，提出了一種新的消除電離層延遲的方法[3]。
根據(jù)一系列的對(duì)比試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：IGS提供的快速星歷鐘差產(chǎn)品和最終星歷鐘差產(chǎn)品均能滿足精密單點(diǎn)定位要求，使用快速產(chǎn)品或最終產(chǎn)品對(duì)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度幾乎沒(méi)有影響，兩者精度一致。
衛(wèi)星鐘差改正采樣間隔是影響靜態(tài)精密單點(diǎn)定位收斂時(shí)間的重要因素，使用JPL提供的30S采樣間隔的衛(wèi)星鐘差改正可以顯著加快三維坐標(biāo)的收斂速度，改善定位精度。
星況良好時(shí)，使用P3軟件解算單臺(tái)接收機(jī)靜態(tài)定位結(jié)果時(shí)，在三維坐標(biāo)方向均可達(dá)到cm級(jí)精度。使用P3軟件解算單臺(tái)接收機(jī)靜態(tài)定位結(jié)果時(shí)，三維坐標(biāo)方向上的收斂速度有所不同。
結(jié)論
借助IGS的精密星歷和衛(wèi)星鐘差信息，PPP精密單點(diǎn)定位在定位精度上要優(yōu)于傳統(tǒng)單點(diǎn)定位幾十倍，甚至幾百倍；與差分GPS比較而言，便于質(zhì)量控制、節(jié)省作業(yè)開支、不受距離限制。由此可知，GPS精密單點(diǎn)定位具有廣闊的應(yīng)用前景，利用單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)作業(yè)，可直接得到高精度的ITRF框架坐標(biāo)，在區(qū)域高精度坐標(biāo)框架的維持、海洋戰(zhàn)略的實(shí)施、區(qū)域或全球性的科學(xué)考察、高精度動(dòng)態(tài)導(dǎo)航及低軌衛(wèi)星的定軌等方面都具有不可估量的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]葉世榕.GPS非差相位精密單點(diǎn)定位理論與實(shí)現(xiàn)[D].武漢大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.
[2]韓保民，歐吉坤.基于GPS非差觀測(cè)值進(jìn)行精密單點(diǎn)定位研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào).信息科學(xué)版，2003,28（4）：409-412.
關(guān)鍵詞：GP精密單點(diǎn)定位；誤差改正；精度分析
1 概述
隨著計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的衛(wèi)星定位技術(shù)正向著實(shí)時(shí)、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化、集中式的數(shù)據(jù)服務(wù)是這些技術(shù)的典型特征。傳統(tǒng)GPS單點(diǎn)定位的精度僅僅能達(dá)到10m左右，很難滿足高精度導(dǎo)航定位的要求。精密單點(diǎn)定位是利用高精度的GPS衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差以及單臺(tái)接收機(jī)的雙頻載波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位。由于PPP僅利用單臺(tái)接收機(jī)即可在全球范圍內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)高精度定位，并且能直接得到高精度的ITRF框架坐標(biāo)，真正實(shí)現(xiàn)了全球高精度無(wú)縫觀測(cè)。因此它在高精度工程測(cè)量和動(dòng)態(tài)高精度的導(dǎo)航與定位等方面都具有不可限量的應(yīng)用前景。
2 精密單點(diǎn)定位技術(shù)簡(jiǎn)介
精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning,簡(jiǎn)稱PPP）技術(shù)是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Zumberge于1997年提出。該技術(shù)的思路非常簡(jiǎn)單，在GPS定位中，主要誤差來(lái)源于三類，即軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時(shí)。如果采用雙頻接收機(jī)，可以利用LC相位組合，消除電離層延時(shí)的影響。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道，計(jì)算的參考框架同為地心地固系，可以消除去觀測(cè)方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。于是，只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測(cè)模型，就能像偽距一樣，單站計(jì)算出接收機(jī)的精確位置、鐘差、模糊度以及對(duì)流層延遲參數(shù)。
精密單點(diǎn)定位是利用高精度的GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差以及雙頻載波相位觀測(cè)值 采用非差模型進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法精密單點(diǎn)定位的解算過(guò)程如下：到IGS官方網(wǎng)站下載精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差輸入精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差然后利用非差相位觀測(cè)值解算測(cè)站的位置參數(shù)同時(shí)解算非差整周模糊度、接收機(jī)鐘差及對(duì)流層延遲等參數(shù),然后進(jìn)行一系列的解算。
3 精密單點(diǎn)定位技術(shù)與RTK比較
精密單點(diǎn)定位采用非差觀測(cè)值模型，可用觀測(cè)值多，保留了所有觀測(cè)信息，能直接得到觀測(cè)坐標(biāo)。不同測(cè)站的觀測(cè)值不相關(guān)，顯然誤差也不相關(guān)，測(cè)站與測(cè)站之間的距離無(wú)限制。
其不利之處是未知參數(shù)多，無(wú)法采用站間差分或星間差分的方法消除誤差影響，必須利用完善的改正模型加以改正。整周未知參數(shù)不具有整數(shù)特性。
RTK采用雙差模型觀測(cè)模型，其重要優(yōu)點(diǎn)是消除衛(wèi)星鐘差、接受機(jī)鐘差的影響。對(duì)于短基線情況，可以進(jìn)一步消除電離層和對(duì)流層延遲的影響，整周未知數(shù)具有整數(shù)特性。缺點(diǎn)是觀測(cè)值減少且相關(guān)，必須至少在一個(gè)已知站上進(jìn)行同步觀測(cè)才能求解測(cè)站坐標(biāo)。
4 精密單點(diǎn)定位技術(shù)的誤差改正
有別于雙差定位模式，非差觀測(cè)模型是描述非差觀測(cè)值與其它物理影響因素的函數(shù)關(guān)系，因此需要精確估計(jì)3類誤差源的影響：①與測(cè)站相關(guān)；②與衛(wèi)星相關(guān)；③與信號(hào)傳播路徑相關(guān)。
4.1 與測(cè)站相關(guān)的誤差改正
4.1.1 接收機(jī)鐘差。以接收機(jī)鐘差及其變化量作為待定參數(shù)，并認(rèn)為各歷元之間是相互獨(dú)立的，看成一種白噪聲，和測(cè)站位置、速度一起進(jìn)行估計(jì)計(jì)算。
4.1.2 地球固體潮改正。地球固體潮改正由和緯度相關(guān)的長(zhǎng)期項(xiàng)與周期項(xiàng)組成。PPP利用單天解消除周期性誤差后的殘差影響在水平方向可達(dá)5cm，在垂直方向可達(dá)12cm，還需利用模型加以改正。
4.1.3 海洋潮汐改正。當(dāng)測(cè)站離海岸線大于1000km時(shí)，其影響可忽略不計(jì)；對(duì)單歷元解的影響可達(dá)5cm。
4.2 與衛(wèi)星相關(guān)的誤差改正
4.2.1 衛(wèi)星鐘差改正。可在非差相位精密單點(diǎn)定位基準(zhǔn)站上利用相對(duì)衛(wèi)星鐘差，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)分析中心將所計(jì)算的1s更新率的精密相對(duì)衛(wèi)星鐘差傳輸給用戶，用戶利用這些數(shù)據(jù)，計(jì)算的定位結(jié)果可以滿足精度要求。
4.2.2 衛(wèi)星軌道誤差�；鶞�(zhǔn)站數(shù)據(jù)分析中心根據(jù)IGS實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)精密星歷的軌道誤差有25-40cm，可以滿足實(shí)時(shí)PPP的0.5m以內(nèi)的定位精度要求，而事后精密星歷的精度更可以達(dá)到3-5cm。
4.2.3 相對(duì)論效應(yīng)。由于衛(wèi)星和接收機(jī)所在位置的地球引力位及在慣性空間中的運(yùn)動(dòng)速度不同，將導(dǎo)致衛(wèi)星鐘頻率產(chǎn)生視漂移。因此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，有意將衛(wèi)星鐘基準(zhǔn)頻率降低0.00455Hz來(lái)解決頻率偏差，對(duì)于非常數(shù)部分，則采用數(shù)學(xué)模型改正。
4.3 與信號(hào)傳播路徑相關(guān)的誤差改正
4.3.1 對(duì)流層延遲。Niell模型是高精度GPS定位中廣泛采用的投影函數(shù)。PPP單點(diǎn)定位采用Niell模型改正后，一般仍會(huì)有數(shù)cm的殘差，因此還需要一階高斯馬爾可夫過(guò)程等方法來(lái)進(jìn)行模擬。
4.3.2 電離層延遲改正。對(duì)于雙頻碼相位接收機(jī)來(lái)說(shuō)，通常利用雙頻觀測(cè)值的組合消除電離層影響項(xiàng)。
4.3.3 多路徑效應(yīng)。消除此項(xiàng)誤差的措施主要有：選擇測(cè)站位置時(shí)注意避開信號(hào)反射物；接收機(jī)天線配備抑徑板或抑徑圈。
5 精密單點(diǎn)定位技術(shù)的精度分析
5.1 在定位過(guò)程中需同時(shí)采用相位和偽距觀測(cè)值
5.2 需使用精密衛(wèi)星星歷和精密衛(wèi)星鐘差等重要數(shù)據(jù)。目前靜態(tài)或事后處理的動(dòng)態(tài)用戶已經(jīng)可以無(wú)償從IGS JPL等網(wǎng)站上獲取 事后精密衛(wèi)星星歷的精度已優(yōu)于5cm,精密衛(wèi)星鐘差的精度已達(dá)0.1ns。
5.3 在解算模型中需考慮固體潮、大洋負(fù)荷、衛(wèi)星天線相位偏差等誤差的精確改正模型。
5.4 精密單點(diǎn)定位無(wú)法固定整周模糊度，并且其定位質(zhì)量依賴于的非差觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。因此，非差觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理顯得尤為關(guān)鍵。
P3解算軟件是精密單點(diǎn)定位解算軟件，P3解算軟件可以進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)解算。有兩種處理模式供選擇，SPP(只使用碼測(cè)量)和PPP(主要運(yùn)用相位測(cè)量)。
對(duì)于對(duì)流層和電離層延遲，P3軟件利用模型和隨機(jī)參數(shù)估計(jì)共同改正對(duì)流層延遲誤差，使用Hopfield模型和Niell函數(shù)改正對(duì)流層延遲誤差，將模型改正后的對(duì)流層延遲殘差作為一個(gè)參數(shù)，使用隨機(jī)游走法進(jìn)行估計(jì)；使用雙頻非差載波相位觀測(cè)值消除電離層延遲誤差，提出了一種新的消除電離層延遲的方法[3]。
根據(jù)一系列的對(duì)比試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：IGS提供的快速星歷鐘差產(chǎn)品和最終星歷鐘差產(chǎn)品均能滿足精密單點(diǎn)定位要求，使用快速產(chǎn)品或最終產(chǎn)品對(duì)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度幾乎沒(méi)有影響，兩者精度一致。
衛(wèi)星鐘差改正采樣間隔是影響靜態(tài)精密單點(diǎn)定位收斂時(shí)間的重要因素，使用JPL提供的30S采樣間隔的衛(wèi)星鐘差改正可以顯著加快三維坐標(biāo)的收斂速度，改善定位精度。
星況良好時(shí)，使用P3軟件解算單臺(tái)接收機(jī)靜態(tài)定位結(jié)果時(shí)，在三維坐標(biāo)方向均可達(dá)到cm級(jí)精度。使用P3軟件解算單臺(tái)接收機(jī)靜態(tài)定位結(jié)果時(shí)，三維坐標(biāo)方向上的收斂速度有所不同。
結(jié)論
借助IGS的精密星歷和衛(wèi)星鐘差信息，PPP精密單點(diǎn)定位在定位精度上要優(yōu)于傳統(tǒng)單點(diǎn)定位幾十倍，甚至幾百倍；與差分GPS比較而言，便于質(zhì)量控制、節(jié)省作業(yè)開支、不受距離限制。由此可知，GPS精密單點(diǎn)定位具有廣闊的應(yīng)用前景，利用單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)在全球范圍內(nèi)進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)作業(yè)，可直接得到高精度的ITRF框架坐標(biāo)，在區(qū)域高精度坐標(biāo)框架的維持、海洋戰(zhàn)略的實(shí)施、區(qū)域或全球性的科學(xué)考察、高精度動(dòng)態(tài)導(dǎo)航及低軌衛(wèi)星的定軌等方面都具有不可估量的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]葉世榕.GPS非差相位精密單點(diǎn)定位理論與實(shí)現(xiàn)[D].武漢大學(xué)博士學(xué)位論文，2002.
[2]韓保民，歐吉坤.基于GPS非差觀測(cè)值進(jìn)行精密單點(diǎn)定位研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào).信息科學(xué)版，2003,28（4）：409-412.
