GNSS精密單點(diǎn)定位基本原理及應(yīng)用

高云峰

【摘 要】文中詳細(xì)介紹了GN SS精密單點(diǎn)定位技術(shù)的基本原理及在各領(lǐng)域中的應(yīng)用前景，供國(guó)土測(cè)繪界同行參考。

【關(guān)鍵詞】GN SS；精密單點(diǎn)定位；大地測(cè)量

1.前言

精密單點(diǎn)定位是指利用全球若干地面跟蹤站的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的精密衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差，對(duì)單臺(tái)GNSS接收機(jī)所采集的相位和偽距觀測(cè)值進(jìn)行定位解算，利用這種預(yù)報(bào)的GNSS衛(wèi)星的精密星歷或事后的精密星歷作為已知坐標(biāo)起算數(shù)據(jù)；同時(shí)利用某種方式得到的精密衛(wèi)星鐘差來替代用戶GNSS定位觀測(cè)值方程中的衛(wèi)星鐘差參數(shù)；用戶利用單臺(tái)GNSS雙頻雙碼接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)千萬平方公里乃至全球范圍內(nèi)的任意位置都可以2- 4dm級(jí)的精度，進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位或2- 4cm級(jí)的精度進(jìn)行較快速的靜態(tài)定位，精密單點(diǎn)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全球精密實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位與導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，也是GNSS 定位方面的前沿研究方向。

2.精密單點(diǎn)定位基本原理

單點(diǎn)定位是利用衛(wèi)星星歷和一臺(tái)接收機(jī)確定待定點(diǎn)在地固坐標(biāo)系中絕對(duì)位置的方法，其優(yōu)點(diǎn)是一臺(tái)接收機(jī)單獨(dú)定位，觀測(cè)組織和實(shí)施方便，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是精度主要受系統(tǒng)性偏差（衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星鐘差、大氣傳播延遲等）的影響，定位精度低。應(yīng)用領(lǐng)域：低精度導(dǎo)航、資源普查、軍事等。對(duì)于單點(diǎn)定位的幾何描述，保持GNSS衛(wèi)星鐘同GNSS接收機(jī)鐘同步；GNSS衛(wèi)星和接收機(jī)同時(shí)產(chǎn)生相同的信號(hào)；采用相關(guān)技術(shù)獲得信號(hào)傳播時(shí)間；GNSS衛(wèi)星鐘和GNSS接收機(jī)鐘難以保持嚴(yán)格同步，用相關(guān)技術(shù)獲得的信號(hào)傳播時(shí)間含有衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘同步誤差的影響。單點(diǎn)定位雖然是只需要一臺(tái)接收機(jī)即可，但是單點(diǎn)定位的結(jié)果受衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差以及衛(wèi)星信號(hào)傳播過程中的大氣延遲誤差的影響較為顯著，故定位精度一般較差。

精密單點(diǎn)定位為技術(shù)針對(duì)單點(diǎn)定位中的影響，采用了精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差、高精度的載波相位觀測(cè)值以及較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)模型的技術(shù)，如用戶利用單臺(tái)GNSS 雙頻雙碼接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)千萬平方公里乃至全球范圍內(nèi)，點(diǎn)位平面位置精度可達(dá)1- 3cm，高程精度可達(dá)2- 4cm，實(shí)時(shí)定位的精度可達(dá)分米級(jí)。

利用上述推導(dǎo)的觀測(cè)模型，即可采用卡爾曼濾波的方法或最小二乘法進(jìn)行非差精密單點(diǎn)定位計(jì)算，在解算時(shí)，位置參數(shù)在靜態(tài)情況下可以作為常未知數(shù)處理；在未發(fā)生周跳或修復(fù)周跳的情況下，整周未知數(shù)當(dāng)作常數(shù)處理，在發(fā)生周跳的情況下，整周未知數(shù)當(dāng)作一個(gè)新的常數(shù)參數(shù)進(jìn)行處理；由于接收機(jī)鐘較不穩(wěn)定，且存在著明顯的隨機(jī)抖動(dòng)，因此將接收機(jī)鐘差參數(shù)當(dāng)作白噪聲處理；而對(duì)流層影響變化較為平緩，可以先利用Saastamonen或其他模型改正，再利用隨機(jī)游走的方法估計(jì)其殘余影響。

精密單點(diǎn)定位的最主要的一項(xiàng)就是IGS提供的精密數(shù)據(jù)改正。IGS提供的產(chǎn)品包括：GNSS衛(wèi)星星歷，GLONASS星歷，地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，站坐標(biāo)和速度，衛(wèi)星鐘和跟蹤站原子鐘信息，天頂對(duì)流層延遲參數(shù)，全球電離層變化圖。利用IGS 提供的精密星歷和衛(wèi)星鐘差，基于載波相位觀測(cè)值進(jìn)行的高精度定位。所解算出來的坐標(biāo)和使用的IGS 精密星歷的坐標(biāo)框架即ITRF 框架系列一致，而不是常用的WGS- 84 坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)，因此IGS 精密星歷與GNSS 廣播星歷所對(duì)應(yīng)的參考框架不同。

3.進(jìn)行精密單點(diǎn)定位要解決的問題

3.1對(duì)精密星歷和衛(wèi)星鐘差進(jìn)行內(nèi)插。實(shí)時(shí)精密星歷可采用由IGS所提供的間隔為15 min的精密預(yù)報(bào)星歷，其精度估計(jì)約為25- 40 cm左右。由于衛(wèi)星軌道變化較為平緩，故可用高階的拉格朗日多項(xiàng)式進(jìn)行內(nèi)插，求得觀測(cè)瞬間的衛(wèi)星位置的預(yù)報(bào)值。雖然IGS也提供間隔為15 min的衛(wèi)星鐘鐘差的預(yù)報(bào)值，但這些預(yù)報(bào)值的精度偏低，且在15min的間隔內(nèi)鐘差還存在不規(guī)則變化，內(nèi)插值的精度將進(jìn)一步下降，從而影響精密單點(diǎn)定位的精度。

3.2 整周跳變的探測(cè)與修復(fù)、粗差觀測(cè)值的檢驗(yàn)及剔除、整周模糊度的確定。在雙差觀測(cè)值中，各種誤差已經(jīng)消除，僅包含可認(rèn)為是白噪聲的觀測(cè)噪聲的影響，因此，其探測(cè)和修復(fù)周跳比較容易。而精密單點(diǎn)定位中只能利用單站數(shù)據(jù)進(jìn)行周跳的探測(cè)和修復(fù)，其修復(fù)質(zhì)量的好壞依賴于碼觀測(cè)值質(zhì)量的好壞。由于精密單點(diǎn)定位要采用載波相位測(cè)量值，模糊度解算就成為一個(gè)重點(diǎn)間題。特別是在精密單點(diǎn)動(dòng)態(tài)定位中難度較大。

3.3 精確地施加各種必要的改正。由于精密單點(diǎn)定位一般采用非差模型，這樣它的數(shù)學(xué)模型就相對(duì)比較復(fù)雜，與雙差不同，非差定位模式方式無法利用站間差分或星間差分消除觀測(cè)中的各種誤差，如對(duì)流層、電離層、接收機(jī)鐘差及衛(wèi)星鐘差等的影響，定位時(shí)必須利用模型估計(jì)的方法消除這些誤差的影響。

4.精密單點(diǎn)定位對(duì)比RTK的優(yōu)勢(shì)

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；能直接得到測(cè)站坐標(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)站之間無距離限制。其不利之處是未知參數(shù)多；無法采用站間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、接收機(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)。

采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)，利用單站GNSS就可以達(dá)到幾個(gè)厘米的精度，即傳統(tǒng)RTK的精度，其作業(yè)不受作業(yè)距離限制、不需要基準(zhǔn)站支持，這無疑大大提高了高精度定位作業(yè)的靈活性，降低了作業(yè)成本。

5.結(jié)論及應(yīng)用領(lǐng)域

采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)，利用單站GNSS就可以達(dá)到幾個(gè)厘米的精度，即傳統(tǒng)RTK的精度，其作業(yè)不受作業(yè)距離限制、不需要基準(zhǔn)站支持，這無疑大大提高了高精度定位作業(yè)的靈活性，降低了作業(yè)成本。在RTK作業(yè)盲區(qū)、精密海洋工程測(cè)量、海岸線測(cè)量、海洋測(cè)量、大面積航空攝影測(cè)量、土地測(cè)量（開發(fā)造地、土地整理）等方面具有較廣泛的應(yīng)用。