GNSS精密數(shù)據(jù)處理的關鍵策略與方法

韓志云，錢 進，錢曙光，吳 星

（1.中國空間技術研究院，北京 100094；2.北京衛(wèi)星導航中心,北京100094；3.中國科學院大學 地球科學學院，北京 100088；4.總裝備部工程設計研究總院，北京 100077）

目前GNSS正向著精密化、實時化發(fā)展，已經(jīng)為現(xiàn)階段無縫高精度導航定位提供了良好的鋪設。GNSS系統(tǒng)高精度實時精密定位服務從系統(tǒng)發(fā)展角度主要可分為2類：基于網(wǎng)絡RTK技術的區(qū)域連續(xù)運行參考系統(tǒng)（CORS）和基于實時精密單點定位技術的實時精密定位系統(tǒng)。與此同時，多系統(tǒng)的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)也逐步發(fā)展起來，可以有效克服單系統(tǒng)存在的問題，增強導航定位服務的穩(wěn)定性和可靠性。

1 研究現(xiàn)狀分析

現(xiàn)階段的網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)都是在CORS基礎上建立起來的，也就是說大部分的CORS包含了網(wǎng)絡RTK的定位功能。因而CORS的發(fā)展現(xiàn)狀也反映了網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。目前全球范圍內的CORS主要有美國CORS，最初由美國國家大地測量局NGS的跟蹤站網(wǎng)、海岸警衛(wèi)隊USCG差分網(wǎng)、聯(lián)邦航空局FAA的WAAS網(wǎng)、工程兵團USACE的跟蹤網(wǎng)等137個GPS基準站組成了CORS雛形，現(xiàn)已發(fā)展到400個左右的基準站，來建立和維持國家參考框架、差分GPS服務、氣象、地震等研究；歐洲的EPN覆蓋整個歐洲大陸，由連續(xù)觀測的高精度GPS/GLONASS接收機構成的若干站組成，是歐洲參考框架EUREF建立的基礎，擁有基準站122個左右，用于建立和維持歐洲區(qū)域參考框架、精密定位、RTK和差分服務等研究；日本的CORS為GeoNET，其前身是由日本國家地理院GSI從20世紀90年代初開始布設用于地殼應變監(jiān)測的COSMOS系統(tǒng)，目前基準站達1 200個左右，用于地殼運動監(jiān)測網(wǎng)絡、大地控制網(wǎng)、大地測量、RTK、氣象、地震等研究；我國的CORS建立于2006年，目前也已建成1 200個左右的基準站；澳大利亞的CORS網(wǎng)絡完成度也較高；德國的SAPOS網(wǎng)由德國國家測量部門聯(lián)合德國測量、運輸、建筑、房屋等部門的差分GPS計劃，建立起一個長期連續(xù)運行的、覆蓋全球的多功能差分GPS定位導航服務體系，基本服務是實時為用戶提供cm級精度的改正數(shù)據(jù)[1]。

以實時精密單點定位技術為核心發(fā)展起來的全球高精度實時動態(tài)定位服務系統(tǒng)，可利用全球或區(qū)域稀疏分布的基準站，提供覆蓋全球范圍的高精度實時定位服務，能有效彌補網(wǎng)絡RTK 服務系統(tǒng)在上述應用領域的不足。自1997年美國噴氣推進實驗室（JPL）的Zumberge等人利用IGS精密星歷和GIPSY軟件成功地驗證了精密單點定位技術的可行性以來，精密單點定位誤差改正模型被不斷精化，精度顯著提高。目前采用IGS等組織提供的高精度衛(wèi)星軌道及鐘差改正，精密單點定位可以達到靜態(tài)定位cm至mm級精度，動態(tài)定位dm至cm級精度，其后處理的定位精度正逐漸向網(wǎng)絡RTK服務的定位精度水平接近，廣泛應用于GPS地面網(wǎng)解算、車輛導航、大氣探測、精密授時以及星載GPS精密定軌等領域。隨著實時基準站的增加與實時通信水平的提高，基于廣域跟蹤站網(wǎng)絡的實時精密定位應用服務已經(jīng)成為了國際上研究的熱點。IGS組織2002年專門成立了實時工作組，并確定在2007～2010年開展IGS實時實驗計劃。該計劃的目的在于能初步形成IGS的實時產(chǎn)品服務，參加機構包括NRCan、ESOC、BKG等多家知名研究機構（IGS-RT-PP）。目前RT-PP計劃已經(jīng)實現(xiàn)了初步目標，BKG、GSOC、NRCan、ESA、TUW、GFZ、GMV、CNES、Geo++以及Wuhan GNSS Center等多家機構已開始向IGS發(fā)布實時精密軌道、鐘差產(chǎn)品。各分析中心產(chǎn)品采用RTCM-SRR格式編碼發(fā)送給IGS，用戶可通過BNC軟件實時獲取精密軌道和鐘差產(chǎn)品進行實時精密單點定位[2]。

多系統(tǒng)GNSS提供了多頻的衛(wèi)星信號，這就為觀測值線性組合提供了更多的選擇。較經(jīng)典的雙頻載波相位混合偽距線性組合——MW組合可以消去一階電離層、對流層、接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差等影響，不受基線長度限制，多歷元平滑后，取整即可獲得雙差寬巷的整周模糊度值。隨著GNSS系統(tǒng)提供的衛(wèi)星信號頻率的增多，三頻組合觀測值為消除電離層一階與二階項提供了可能。同時，對于周跳探測、誤差削弱和整周模糊度固定也可以通過不同觀測值組合得到幫助。多系統(tǒng)GNSS也為用戶提供了更大的衛(wèi)星覆蓋范圍、更好的衛(wèi)星空間幾何分布，增強了導航定位服務的完好性、可靠性和精度保證[3]。

2 關鍵技術

2.1 網(wǎng)絡RTK關鍵技術

網(wǎng)絡RTK關鍵技術主要包括基準站網(wǎng)模糊度確定、區(qū)域誤差模型建立和流動站誤差的計算、流動站雙差模糊度的確定和大規(guī)模基準站組網(wǎng)技術、網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)完備性監(jiān)測技術5個方面[4,5]。

網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)基準站間距離較大，電離層和對流層相關性比較低，雙差后殘余誤差很大，模糊度與誤差難以分離。要得到cm級的誤差分布，必須先固定好模糊度。基準站網(wǎng)模糊度確定的常用方法有：韓紹偉的長距離GPS靜態(tài)基線模糊度求解法、高星偉的單歷元整周模糊度搜索算法、唐衛(wèi)明的快速確定長距離基準站網(wǎng)模糊度的三步法等。

影響GPS定位的誤差中，與距離相關的電離層誤差、對流層誤差和軌道誤差是網(wǎng)絡RTK誤差處理的主要內容。其中，軌道誤差可以使用IGS的快速預報星歷較好地解決，對流層誤差一般首先通過模型改正后，用參數(shù)進行估計。電離層誤差是最為復雜的，也是最主要的誤差，國內外很多學者對電離層誤差的模型化和內插方法做了研究。在網(wǎng)絡RTK定位中，廣泛應用的方法主要有2種：一種是把各種誤差分開建立模型，然后根據(jù)流動站的位置計算出相應的誤差；另一種是把各種誤差放在一起，直接根據(jù)流動站相對于基準站的坐標內插其誤差。

網(wǎng)絡RTK中雙差后的殘差仍然較大，需要通過基準站網(wǎng)數(shù)據(jù)進行改正，消除其對定位的影響。Hatch提出了雙頻P碼偽距法和最小二乘搜索法；陳小明提出了附加模糊度參數(shù)的卡爾曼濾波法；孫紅星提出了雙頻數(shù)據(jù)相關法；高星偉提出了單歷元流動站整周模糊度搜索法等。

網(wǎng)絡RTK技術需要首先進行基線解算，并以此為基準計算誤差改正數(shù)。一般是以計算量較小或最鄰近的點選擇最佳基線，選取Delaunay三角形構建基準站三角網(wǎng)。

網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)完備性是保證用戶安全性的一個重要組成，當系統(tǒng)不能提供用戶需要的服務時，系統(tǒng)在預定的時間范圍內給用戶提供及時有效的警告信息和這些信息可靠性指標。另外，完備性還包括用戶對系統(tǒng)提供的信息進行保護水平計算，檢查是否超過報警限值。很多學者為完備性研究作了很大的貢獻，但還沒有專門為網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)的完備性進行系統(tǒng)的研究，沒有能從理論上解決目前網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)存在的問題。

2.2 實時精密單點定位關鍵技術

實時PPP技術目前存在兩大問題亟待解決，即實時PPP快速初始化和實時PPP質量評估方法。

對于實時精密單點定位用戶來說，由于無法采用后處理中的整體解算、反向濾波等方法來提高初始定位階段的定位精度，在獲得高精度的定位精度之前必然存在一個初始化過程，初始化時間主要取決于初始觀測過程中的衛(wèi)星幾何分布、接收機質量和觀測環(huán)境等。目前實時動態(tài)達到dm級定位精度一般需要約15～30 min的收斂時間，當初始觀測條件較差時可能需要更長的收斂時間。在實時PPP初始化階段，由于其定位結果精度得不到保障，因此實時PPP用戶需要額外等待較長的初始化時間。對于實時動態(tài)PPP用戶，還會遇到信號遮擋而導致PPP頻繁地重新初始化。這些都嚴重制約了實時PPP技術的推廣應用。如何加快PPP的收斂速度，實現(xiàn)與RTK技術相當?shù)氖諗克俣仁菍崟rPPP技術應用推廣亟待解決的問題。

實時PPP質量評估包括初始化判定與精度評定，RTK技術主要是通過雙差模糊度是否固定來判定是否完成初始化過程，而PPP技術尚沒有一種可靠的初始化判定標準。目前PPP的收斂時間是基于大量觀測數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計得到的一個經(jīng)驗值，實際定位所需要的收斂時間則會因具體的觀測環(huán)境而有所不同。為了使用戶獲得可靠的高精度定位結果，往往需要用戶等待更長的時間以確保定位結果達到要求的定位精度。另一方面，實時動態(tài)定位中，PPP與RTK技術實際上都沒有給出定位精度，而是采用事后分析的方法，這顯然不合理，因此研究實時PPP的質量評估方法也是實時PPP技術應用推廣所亟待解決的關鍵問題。

2.3 多頻GNSS導航定位關鍵技術

各GNSS系統(tǒng)之間都有異同，若要實現(xiàn)多系統(tǒng)GNSS導航定位，就必須利用多系統(tǒng)之間的相同點，同時解決之間的差異，才可能將多系統(tǒng)完全意義上地組合使用。因而，要實現(xiàn)多系統(tǒng)的兼容使用，需要分析各個系統(tǒng)的特性，考慮系統(tǒng)間的異同點，充分利用不同系統(tǒng)組合使用的優(yōu)勢，提高導航定位服務性能；還需要考慮干擾問題，包括系統(tǒng)間的干擾和各自系統(tǒng)內部的干擾，在導航定位接收機端，需為這些干擾留有一定的余量。

3 主要技術和數(shù)據(jù)處理策略

3.1 網(wǎng)絡RTK

目前網(wǎng)絡RTK主要技術和方法有：虛擬參考站法、主輔站技術、區(qū)域改正參數(shù)法、綜合誤差內插法和改進的綜合誤差內插方法。

虛擬參考站法由Herbert Landau等提出，基本思想是利用參考站網(wǎng)數(shù)據(jù)建立起各種誤差模型；流動站先發(fā)送概略坐標給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心生成虛擬參考站觀測值，并回傳給流動站；流動站利用虛擬參考站數(shù)據(jù)和流動站數(shù)據(jù)進行差分，得到高精度定位結果。作業(yè)模式是雙向數(shù)據(jù)通信。

主輔站技術由徠卡公司基于“主輔站概念”提出，基本思想是計算出輔站相對于主站的彌散性的和非彌散性的差分改正數(shù)；利用主站的改正數(shù)和輔站的相對改正數(shù)計算流動站的誤差；流動站觀測值進行改正后，進行高精度定位。作業(yè)模式分為單向數(shù)據(jù)通信和雙向數(shù)據(jù)通信。

區(qū)域改正參數(shù)法由德國的Geo++ GmbH最早提出，基本思想是計算出網(wǎng)內電離層和幾何信號的誤差影響；把誤差影響描述成南北方向和東西方向區(qū)域參數(shù)；流動站根據(jù)參數(shù)計算出誤差并進行改正。作業(yè)模式是單向數(shù)據(jù)通信。

綜合誤差內插法由武漢大學衛(wèi)星導航定位技術研究中心提出，基本思想是計算出網(wǎng)內基準站間雙差綜合誤差；內插出流動站的綜合誤差；對觀測值進行改正，高精度定位。作業(yè)模式分為單向數(shù)據(jù)通信和雙向數(shù)據(jù)通信。而改進的綜合誤差內插法主要分為2個方面：一是內插的L1載波相位電離層誤差；二是對電離層誤差之外的誤差，如對流層模型殘差、軌道誤差等與信號頻率無關的誤差進行綜合內插。

3.2 實時精密單點定位

實時PPP收斂后能夠達到dm級甚至cm級定位精度，但是達到此精度需要15～30 min的收斂時間,且在遇到信號中斷后，PPP需要重新進行初始化,嚴重制約了實時PPP的應用推廣。PPP收斂速度主要取決于鐘差軌道精度、衛(wèi)星幾何構形變化、觀測值噪聲及觀測環(huán)境等。近幾年國內外學者期望通過固定非差PPP相位觀測值模糊度的方法來加快PPP收斂，非差模糊度固定的關鍵是如何分析接收機和GPS衛(wèi)星硬件延遲（包括碼硬件延遲和相位硬件延遲）對接收機位置、鐘差以及模糊度的影響，然后尋求有效的估計或者分離方法，進而恢復非差整周模糊度的整數(shù)特性。Ge等將非差模糊度分解為寬巷與窄巷模糊度，通過地面觀測網(wǎng)估計衛(wèi)星端硬件延遲部分，將其代入星間單差實現(xiàn)單差模糊度的固定，且適用于目前IGS發(fā)布的鐘差產(chǎn)品。另外經(jīng)多位學者研究發(fā)現(xiàn)，利用密集的區(qū)域參考站來精化誤差模型可以實現(xiàn)PPP的快速初始化，達到與RTK相當?shù)氖諗克俣取?/p>

質量評估主要包括PPP初始化判定和精度評定2部分。目前精密單點定位的質量評估一般采用事后模式，靜態(tài)觀測通過與測站準確坐標比較，動態(tài)則與RTK結果或高精度定位軟件結果比較分析，關于實時動態(tài)PPP質量評估的研究較少。RTK實時動態(tài)定位一般通過在觀測前后與已知點進行校準，觀測過程中通過模糊度固定信息給出解的狀態(tài)，以此作為質量評估方法，但是該方法對于定位精度的評定實際上是假設雙差模糊度固定正確，雙差定位理論上可以獲得cm級甚至更高的定位精度。對于實時動態(tài)PPP而言，若模糊度可以固定，可借鑒RTK的評估方法進行質量評估；但在模糊度無法固定時，目前仍沒有較好的實時質量評估方法。因此研究實時動態(tài)PPP初始化判定標準、實時定位精度，建立統(tǒng)一、完善的實時動態(tài)PPP質量評估方法是實時PPP推廣應用亟待解決的問題。

3.3 多頻GNSS導航定位

針對不同GNSS系統(tǒng)之間的差異，在不同的參考時間和坐標系統(tǒng)情況下，首先是考慮統(tǒng)一時空基準。對于不同的時間系統(tǒng)，需要考慮之間的偏差。由于多系統(tǒng)導航定位采用的定位算法是在單系統(tǒng)各自獨立定位的基礎上擴展而來的，因而可以采用增加狀態(tài)變量法把各個系統(tǒng)的接收機時鐘誤差當作未知量一并求解，最終使得組合系統(tǒng)的時間統(tǒng)一，減小系統(tǒng)誤差。對于不同坐標系之間的系統(tǒng)偏差，需要對不同坐標系之間的直角坐標進行轉換，綜合考慮坐標原點的平移、坐標軸之間的旋轉，一般采用七參數(shù)布爾薩（Bursa）轉換公式來統(tǒng)一坐標系。同時，統(tǒng)一的機構及時播發(fā)不同坐標的轉換參數(shù)，可更好地方便用戶使用。對于不同的星歷內容，廣播星歷在計算軌道時需要考慮其特殊的計算方法要求；而精密星歷，隨著GNSS的綜合發(fā)展，IGS最終需將各系統(tǒng)的精密星歷統(tǒng)一播發(fā)起來。對于不同的區(qū)分衛(wèi)星方式，主要是由于GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址方式區(qū)分衛(wèi)星，而其他系統(tǒng)則是碼分多址方式。在多系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中涉及到GLONASS衛(wèi)星信號發(fā)射頻率計算時，應依據(jù)其衛(wèi)星的頻率通道數(shù)計算相應的頻率。不過GLONASS計劃將發(fā)射碼分多址的衛(wèi)星，最終將全部代替頻分多址的衛(wèi)星，將這方面的差異消除。

在不同系統(tǒng)融合算法上，不僅需要考慮上述差異，同時在綜合使用更多的來自不同GNSS系統(tǒng)的觀測值時，需要根據(jù)衛(wèi)星空間幾何構型、削弱誤差以及固定模糊度等目的，合理進行處理。在選星算法上，主要是傳統(tǒng)的最小GDOP選星算法，但是其僅考慮了衛(wèi)星空間幾何分布，而沒有考慮衛(wèi)星信號和測量誤差精度差異的影響，因而學者研究了改進的選星算法。在多頻組合觀測值方面，主要考慮載波相位寬巷、無電離層或削弱電離層、低噪聲組合觀測值。在數(shù)據(jù)預處理方面，需要準確地探測和修復周跳。雙頻載波相位周跳探測與修復的方法中，TurboEdit方法是用MW組合和電離層組合探測與修復周跳，方法簡單且不受接收機的運動狀態(tài)影響，可直接探測原始載波相位觀測值的周跳；但是對于多頻觀測值，需要拓展該方法，尋找出相對應的MW組合觀測值與電離層組合觀測值，進而探測所有頻率的周跳。在模糊度解算方面，Teunissen提出的LAMBDA方法是國際公認的理論最嚴密、效率最高的模糊度解算方法，其主要包含多維整數(shù)高斯變換和球形模糊度搜索2部分。

4 結 語

網(wǎng)絡RTK技術為區(qū)域內用戶提供了實時高精度的GPS誤差改正信息；實時精密單點定位技術打破了網(wǎng)絡RTK的作用距離限制，可以為用戶提供實時高精度的定位結果；而多頻GNSS技術使精密單點定位變得多樣化、更靈活，也提高了用戶使用的效率。

隨著多頻GNSS系統(tǒng)的完善、全球連續(xù)運行參考站的不斷建立、網(wǎng)絡技術等的發(fā)展，網(wǎng)絡RTK技術的發(fā)展趨勢主要是實現(xiàn)長距離和大規(guī)模的覆蓋范圍，使用多頻多模，實現(xiàn)高可靠的單歷元高精度定位，并且加強完備性。來自IGS的實時精密數(shù)據(jù)也將包含各GNSS系統(tǒng)的軌道鐘差等，并且打算將實時的電離層改正也加入進來；在PPP算法方面，非差模糊度的固定和快速初始化也在不斷地研究和發(fā)展當中。與此同時，多頻GNSS為消除誤差、探測周跳和固定模糊度等方面的研究也在不斷進行中，這些都將使用戶能更高效率地獲得更精確的導航定位結果。在質量評估和完備性監(jiān)測方面，各算法的完善和完備性監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理與操作，都將促進這一方面的進展。

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