實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位研究綜述

長安大學(xué) 陜西 西安 710054

摘 要：GPS精密單點(diǎn)定位（PPP）是一種利用高精度的GPS衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差以及雙頻載波相位觀測(cè)值，并采用非差模型進(jìn)行高精度單點(diǎn)定位的方法。實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)（RT-PPP）已成為當(dāng)前GNSS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也將是目前乃至未來實(shí)時(shí)高精度動(dòng)態(tài)定位的主要技術(shù)手段之一。本文對(duì)其從研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，以及發(fā)展前景等方面進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：GPS，實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位，研究背景，發(fā)展現(xiàn)狀，前景

1 研究背景

全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）是美國從上世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。目前，GPS以全天候、高精度、自動(dòng)億、高效益等顯著特點(diǎn)，諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。GPS的出現(xiàn)，給測(cè)繪領(lǐng)域帶來了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。傳統(tǒng)的GPS單點(diǎn)定位是指利用單臺(tái)接收機(jī)的測(cè)碼偽距及廣播星歷的衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘差改正進(jìn)行定位，因其較低的定位精度已不能滿足精密導(dǎo)航、大地測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、精密工程測(cè)量等的要求。

為了提高精度，出現(xiàn)了GPS相對(duì)定位，它是用兩臺(tái)以上接收機(jī)同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線端點(diǎn)的相對(duì)位置或基線向量。GPS相對(duì)定位通過組成差分觀測(cè)值來消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共鐘差以及減弱對(duì)流層延遲、電流層延遲等相關(guān)性的影響，因此，它是目前GPS定位中精度最好的一種方法。

PPP技術(shù)作為一種最近十幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)GPS定位新技術(shù)，在低軌衛(wèi)星精密定軌、高精度坐標(biāo)框架維持、區(qū)域或全球性科學(xué)考察、航空動(dòng)態(tài)測(cè)量和海洋測(cè)繪等方面具有不可估量的應(yīng)用前景，目前己經(jīng)成為GPS導(dǎo)航和定位界的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過近十幾年國內(nèi)外學(xué)者的研究，精密單點(diǎn)定位的事后處理算法及應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。與相對(duì)定位中的實(shí)時(shí)定位技術(shù)RTK相對(duì)應(yīng)，在實(shí)時(shí)GPS衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品的支持下，精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理可以在實(shí)時(shí)情況下進(jìn)行，得到實(shí)時(shí)定位結(jié)果，稱之為實(shí)時(shí)PPP技術(shù)。實(shí)時(shí)PPP定位技術(shù)與目前已有兩種GPS實(shí)時(shí)定位服務(wù)系統(tǒng)（基于單基準(zhǔn)站RTK技術(shù)系統(tǒng)和基于多基準(zhǔn)站的CORS系統(tǒng)）相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

1.系統(tǒng)服務(wù)覆蓋區(qū)域大；

2.總投資和運(yùn)營成本低。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

國際GPS服務(wù)組織IGS（International GPS Service）是國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)IAG（International Association of Geodesy）于1993年創(chuàng)建的一個(gè)為GPS提供應(yīng)用服務(wù)的國際組織。由于IGS能夠提供精密的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差，因此，就使得單點(diǎn)定位無需差分而獲得高精度成為可能。JPL的Zumberge等人在1997年就提出了利用雙頻接收機(jī)進(jìn)行非差單點(diǎn)定位。NRCan（Natural Resources Canada）的Kouba和Herous（2000）首先詳細(xì)地論述了利用雙頻接收機(jī)進(jìn)行非差單點(diǎn)定位技術(shù)。JPL的Muellerschoen（2000）等人提出了全球?qū)崟r(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)。加拿大Calgary大學(xué)的Gao Y和Shen X（2001）也對(duì)此作了詳細(xì)的論述，同時(shí)提出了一種新的觀測(cè)模型。除了以上的學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)外，幾個(gè)大的商業(yè)公司對(duì)精密單點(diǎn)定位技術(shù)也非常關(guān)注并且進(jìn)行了不同程度的研究，如NAVCOM公司的StarFire和Omnistar-HP系統(tǒng)就包含有精密單點(diǎn)定位的內(nèi)容（Bisnath，2003）。

在國內(nèi)方面，黃珹等人研究了采用GIPSY軟件的精密單點(diǎn)定位方法解算區(qū)域基準(zhǔn)網(wǎng)問題。武漢大學(xué)的時(shí)世榕博士對(duì)非差相位精密單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并利用自己提出的改進(jìn)模型及自行研制的定位軟件進(jìn)行了試算。武漢大學(xué)的張小紅副教授也對(duì)PPP作了深入的研究，并首次將PPP技術(shù)應(yīng)用到航空測(cè)量和極地科學(xué)考查中，并編制了Trip解算軟件。

從國內(nèi)外研究成果的分析來看，目前研究的重點(diǎn)主要集中在PPP定位模型的建立、大氣折射的影響分析、軟件實(shí)現(xiàn)和PPP靜態(tài)定位精度分析等方面，對(duì)于動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位的精度研究還不夠深入。與GPS相對(duì)定位技術(shù)不同，PPP技術(shù)由于采用非差觀測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，破壞了相位模糊度的整周特性，這使得不能進(jìn)行非差相位模糊度的固定。而相對(duì)定位技術(shù)由于采用站際星際二次差觀測(cè)值，UPD在二次差過程中被消去，從而使得雙差模糊度具有整數(shù)特性。因此，要使PPP能夠達(dá)到工程上的實(shí)時(shí)定位要求，就必須開展加快PPP定位收斂速度的研究。

國際上眾多學(xué)者嘗試進(jìn)行精密單點(diǎn)定位中相位模糊度固定，并取得了可喜的進(jìn)展。上述各種精密單點(diǎn)定位整周模糊度固定方法大致可以分為兩類：一類是估計(jì)破壞相位模糊度整數(shù)特性的硬件延遲非整周部分的方法，簡(jiǎn)稱為FCB方法；另一類則是不顯式估計(jì)硬件延遲非整周部分，而采用衛(wèi)星鐘差參數(shù)吸收這些硬件延遲，從而在定位計(jì)算中恢復(fù)了模糊度整數(shù)特性的方法，簡(jiǎn)稱為IRC方法。Geng等人從理論推導(dǎo)和算例分析兩個(gè)方面證明了這兩種方法是等價(jià)的。為與相對(duì)定位模式中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位RTK區(qū)別，GPS界將整周模糊度固定的實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位稱之為PPP-RTK。顯然，整周模糊度固定的FCB方法和IRC方法均可用于PPP-RTK。

綜上所述，當(dāng)前實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)得到了廣泛的重視和飛速的發(fā)展，一方面是實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位得到了廣泛的應(yīng)用，出現(xiàn)了多個(gè)成熟的商業(yè)系統(tǒng)；另一方面制約精密單點(diǎn)定位技術(shù)實(shí)時(shí)應(yīng)用的模糊度固定技術(shù)取得了重大進(jìn)展，發(fā)展了多種適用于PPP的整周模糊度固定方法。可以預(yù)見，實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)將取得重大突破，高精度GPS定位模式將恢復(fù)到最初GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的單點(diǎn)絕對(duì)定位模式。

3 發(fā)展前景與趨勢(shì)

由于其硬件構(gòu)成簡(jiǎn)便、定位靈活方便、不受作用距離限制等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前GNSS界的研究熱點(diǎn)之一。和靜態(tài)精密單點(diǎn)定位相比，動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位在對(duì)流層延遲改正、多路徑效應(yīng)等誤差改正方面更為復(fù)雜，在探測(cè)、修復(fù)周跳和整周模糊度的確定方面也更為困難。

但與靜態(tài)定位相比，動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)定位的研究不多。由于將來在GIS數(shù)據(jù)采集、精密導(dǎo)航、科研考察等領(lǐng)域中需要用到精密的動(dòng)態(tài)定位，GPS精密單點(diǎn)定位將會(huì)發(fā)揮更加重要的作用，動(dòng)態(tài)或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)GPS精密單點(diǎn)定位則會(huì)更具有實(shí)用價(jià)質(zhì)。此外，由于目前單頻GPS接收機(jī)價(jià)格較雙頻接收機(jī)低很多，基于單頻GPS精密單點(diǎn)定位也是值得研究的一個(gè)課題。

另外，開展除GPS之外的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如俄羅斯GLONASS、中國北斗系統(tǒng)COMPASS和歐盟GALILEO系統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位研究以及各系統(tǒng)之間的組合PPP定位研究，也將是一個(gè)值得研究的課題。

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作者簡(jiǎn)介：高喬（1991.12--） 男，陜西省西安市人，碩士研究生學(xué)歷，專業(yè)：大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程。