基于區(qū)域大氣增強PPP及其在交通運輸中的應用

孔建

（武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北武漢430079）

基于區(qū)域大氣增強PPP及其在交通運輸中的應用

孔建

（武漢大學中國南極測繪研究中心，湖北武漢430079）

加快收斂速度是目前實時動態(tài)精密單點定位研究的難題。通過已知點觀測數(shù)據(jù)驗證了非差非組合PPP定位方法與傳統(tǒng)消電離層組合PPP定位精度相當，具有一定實際應用價值。利用高精度CORS系統(tǒng)建立區(qū)域電離層模型并對非差非組合PPP進行約束，與消電離層組合PPP定位結(jié)果相比，E方向初始歷元定位偏差小于0.5 m，8 min內(nèi)定位偏差收斂至小于10 cm，定位精度得到明顯提高，完全能夠滿足交通運輸中動態(tài)定位導航的需求。

PPP；消電離層組合；非差非組合；電離層

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）具有全天候、全球性、高精度的導航、定位、授時、測速系統(tǒng)。GNSS主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、空間衛(wèi)星系統(tǒng)、用戶接收機三大部分組成，由于其具有實時動態(tài)、高效快捷等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于工程建設、交通運輸、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域［1］。精密單點定位（precise point positioning，PPP）是當前GNSS研究領(lǐng)域的熱點。PPP借助于高精度的衛(wèi)星軌道的鐘差產(chǎn)品，通過對各項誤差參數(shù)的估計和模型改正，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的單測站定位［2］。另外IGS實時服務（IGS real-time service，簡稱IGS RTS）使得實時PPP的應用成為可能，但是在實際應用中，實時PPP的收斂速度通常較慢，達到厘米級精度通常需要一個小時，且會受到衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量等的影響［3］。非差非組合PPP是未來多系統(tǒng)定位中的主要發(fā)展方向。

目前GPS技術(shù)在汽車導航和交通管理中已經(jīng)得到了廣泛應用，能夠為車輛提供實時的定位服務，尤其能為消防、急救、公安等車輛提供實時位置，以便找到最佳線路，更加快速的到達目標。本文利用CORS系統(tǒng)，對流動站周圍站點進行實時觀測，并對流動站進行對流層、電離層參數(shù)進行內(nèi)插，對實時動態(tài)PPP進行改進，并驗證其精度。

1　精密單點定位簡介

PPP是用單臺GNSS接收機接收多顆導航衛(wèi)星信號，結(jié)合IGS等產(chǎn)品中心的精密星歷和鐘差，并通過一定的組合和各項誤差模型改正，經(jīng)過一定的收斂時間達到靜態(tài)厘米級或動態(tài)分米級坐標精度的定位方法［4-5］。PPP相對于傳統(tǒng)的基線解算，不需要附近有參考站，在全球范圍內(nèi)適用且在全球范圍精度差別不大。目前PPP定位方法主要有消電離層組合方法和加電離層約束的非差非組合方法。

1.1消電離層組合PPP

消電離層組合的觀測方程為［6］其中：PC為偽距觀測值；LC為載波觀測值；ρ衛(wèi)星和接收機之間的距離；c為真空中的偽光速；dttcv和dtsat分別為接收機和衛(wèi)星鐘差；Tr為對流層延遲；MC和mC分別為偽距和載波多路徑誤差；εPC和εLC為偽距和載波隨機誤差；BC為模糊度項；λN為整周模糊度；λNw為天線相位纏繞改正項。觀測值中的對流層干延遲、潮汐位移誤差、天線相位中心偏差都已經(jīng)提前得到改正。上述方程通常采用擴展卡爾曼濾波方法進行解算。

1.2非差非組合PPP

傳統(tǒng)的消電離層組合的PPP定位方法采用GPS雙頻偽距和載波的無電離層組合來消除電離層延遲一階項，但是不能消去電離層延遲中的高階項的影響?；诜遣罘墙M合的PPP算法并不進行觀測值之間的組合，而是將觀測路徑上電離層延遲作為未知參數(shù)，在觀測方程中進行估計［7］。其觀測方程為

式中參數(shù)含義與式（1）相同，ρion為電離層電離層延遲。

為驗證非差非組合PPP的定位精度，我們同時利用傳統(tǒng)消電離層組合PPP和非差非組合PPP對觀測數(shù)據(jù)進行處理，對已知點進行單點定位，計算定位結(jié)果與真值之間的偏差。圖1和圖2分別給出了E方向和N方向的兩種定位方法的偏差。

從圖1和圖2中可以看出，代表消電離層組合PPP的圓圈和代表非差非組合PPP的正三角幾乎重合，表明兩種定位方法的精度完全相同，非差非組合PPP定位方法具有可行性。

圖1　消電離層組合PPP和非差非組合PPP定位結(jié)果E方向?qū)Ρ菷ig.1　E direction results comparison between ionosphere-free PPP and un-differential and uncombined PPP

圖2　消電離層組合PPP和非差非組合PPP定位結(jié)果N方向?qū)Ρ菷ig.2　N direction results comparison between ionosphere-free PPP and un-differential and un-combined PPP

2　電離層約束對實時動態(tài)PPP的影響

2.1區(qū)域電離層、對流層插值

近年來，各地CORS系統(tǒng)不斷建立，利用CORS高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)可以實時建立高精度的區(qū)域?qū)α鲗?、電離層模型。消電離層組合PPP和非差非組合PPP能夠加入對流層約束提高解算精度，加快收斂速度。但是傳統(tǒng)的消電離層組合PPP方法中利用觀測值之間的組合消去了電離層誤差，所以無法在方程解算中加入通過其他觀測手段得到的電離層信息，即無法加入電離層約束。由于非差非組合PPP在觀測方程中將電離層延遲量作為未知參數(shù)進行求解，因此可以在解算中加入通過高質(zhì)量、高密度的CORS網(wǎng)絡獲得的區(qū)域電離層信息，對解算結(jié)果進行電離層約束，提高解算精度。本文通過CORS網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)實時獲得區(qū)域電離層信息，并將測站概略位置上空的電離層電子含量通過內(nèi)插得到，即可得到觀測射線路徑上的電離層延遲，加入到解算方程中。

使用反距離加權(quán)插值法對流動站進行插值。反距離加權(quán)插值法是一種通過計算距離對數(shù)據(jù)進行定權(quán)滑動平均加權(quán)插值法，具體計算公式為

其中：Z1（x0）為待插值點；Z（xi）為周圍已知點數(shù)據(jù)；pi為周圍點數(shù)據(jù)的權(quán)重，由下式確定

其中：di為待插值點與已知點之間的距離；k為冪指數(shù)。

圖3給出了CORS測站的位置分布，其中baiy站位為檢核站，利用其余3個站觀測數(shù)據(jù)獲得該區(qū)域?qū)α鲗?、電離層實時信息。4個CORS站的坐標均為已知。

以測站baiy的電離層和對流層觀測數(shù)據(jù)為真值，利用周圍qiny、yong、xiuw 3個測站的觀測數(shù)據(jù)對baiy進行插值，插值頻率為30 min，計算電離層很對流層的插值誤差。圖4給出了一天內(nèi)電離層和對流層的插值誤差。從圖中可以看出，電離層的插值誤差基本小于2TECU，對流層插值誤差小于0.8 cm，能夠滿足電離層、對流層誤差改正的需求。

圖3　測站分布圖Fig.3　CORS stations distribution

圖4　電離層和對流層插值誤差Fig.4　Interpolation error of ionosphere and troposphere

2.2精度驗證

通過上述插值過程獲得電離層、對流層約束后，即可利用非差非組合和消電離層組合進行PPP定位，將定位結(jié)果與已知坐標進行對比，驗證兩種方法的定位精度。圖5和圖6分別給出了消電離層組合PPP和非差非組合PPP加電離層約束兩種定位方法在E方向和N方向定位結(jié)果的對比（2種定位方法都已加入對流層約束）。

從圖5中可以看出，E方向加電離層約束的解算精度較傳統(tǒng)的不加電離層約束有顯著提高：加電離層約束的非差非組合PPP的初始歷元偏差就小于0.5 m，達到了亞米級精度，可直接用于一般的車輛導航，其后隨著模糊度不斷固定，在16個歷元（8 min）后，E方向精度達到了厘米級精度。而不加電離層約束的傳統(tǒng)PPP的初始歷元偏差達到了-2.5 m，無法用于導航定位，在120個歷元（60 min）以后才達到厘米級精度。

從圖6中可以看出，N方向加電離層約束的非差非組合PPP和傳統(tǒng)不加電離層約束的PPP定位精度沒有明顯提高，但是兩者精度相當，且在初始歷元偏差都小于1 m，能夠滿足普通導航的精度要求。并且隨著時間的推移，加電離層約束的非差非組合PPP更快收斂到厘米級精度。

圖5　非差非組合PPP加電離層約束與消電離層組合PPP定位精度E方向?qū)Ρ菷ig.5　E direction results comparison between ionosphere-free PPP and un-differential and un-combined PPP with ionosphere constraint

圖6　非差非組合PPP加電離層約束與消電離層組合PPP定位精度N方向?qū)Ρ菷ig.6　N direction results comparison between ionosphere-free PPP and un-differential and un-combined PPP with ionosphere constraint

3　實時動態(tài)PPP在交通運輸中的應用

最原始的單點定位技術(shù)為偽距差分，其定位精度約為0.5 m，定位精度較差且不穩(wěn)定，難以滿足交通導航中較高精度的要求。實時動態(tài)PPP定位技術(shù)，幾個歷元收斂后達到分米，半個小時到達10 cm以內(nèi)。在進行簡單初始化之后定位點即可進行移動，車輛在行進過程中能夠?qū)崟r動態(tài)地進行定位。實時動態(tài)PPP定位技術(shù)極大的滿足了交通運輸過程中動態(tài)導航的需求［8］。

近年來，隨著各地高精度、高質(zhì)量的CORS網(wǎng)絡的建立，通過CORS網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)建立的區(qū)域電離層、對流層改正模型可直接用于非差非組合PPP定位中的誤差改正，顯著提高了非差非組合PPP的定位精度和收斂速度。而傳統(tǒng)消電離層組合PPP，不能加電離層模型，且在今后多種導航系統(tǒng)融合中無法進行系統(tǒng)間觀測數(shù)據(jù)的組合，因此應用面比較狹窄。非差非組合PPP定位方法能夠充分利用外部的改正信息，定位精度更高，在以后多網(wǎng)融合中能夠進一步提高定位精度，因此該方法更加適用于交通運輸中的定位、導航。

4　結(jié)論

詳細介紹了消電離層組合PPP和非差非組合PPP的定位原理和兩者之間的區(qū)別，并利用已知點觀測數(shù)據(jù)對兩種方法進行精度驗證。結(jié)果表明，兩種定位方法精度相當，非差非組合PPP定位方法具有可行性。利用CORS網(wǎng)絡觀測數(shù)據(jù)建立區(qū)域電離層、對流層模型，并加入到非差非組合PPP和消電離層組合PPP（只加對流層約束）中，驗證兩種定位方法的精度，結(jié)果表明，非差非組合PPP與消電離層組合PPP相比，E方向初始歷元定位精度顯著提高，收斂時間明顯縮短，從60 min提高到8 min，N方向初始歷元無明顯挺高，收斂時間有所縮短。

非差非組合PPP在汽車、火車等交通工具中能夠在較短時間內(nèi)甚至初始歷元達到一般交通定位精度要求，并隨著時間推移逐漸收斂到厘米級精度，能夠滿足更加復雜的交通條件。短時間的定位收斂使得非差非組合PPP在實際應用中無需長時間等待，更加符合現(xiàn)實應用的需求，因而能夠更加廣泛的得到應用。

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（責任編輯姜紅貴）

Enhanced PPP Based on Regional Atmosphere and Its Application in Traffic and Transportation

Kong Jian
（Chinese Antarctic Center of Surveying and Mapping，Wuhan University，Wuhan 430079，China）

To speed up the convergence speed is a difficult problem in the research of real-time dynamic precision single point positioning.The un-differential and un-combined PPP positioning method is verified by the known point observation data and the results show that it has the same precision with the traditional PPP，which has a certain practical application value.By using high precision CORS system，the regional ionosphere model is established and the un-differential and un-combined PPP is restricted.Compared with the PPP positioning results of the ionosphere free combination，the initial epoch positioning deviation of E direction is smaller than 0.5 m and positioning deviation converge to less than 10 cm within 8 min.The improved positioning accuracy can fully meet the needs of dynamic positioning and navigation in transportation.

PPP；ionosphere-free；un-differential and un-combined；ionosphere

P207.2

A

1005-0523（2016）04-0056-05

2016－04－05

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（2042016kf0037）

孔建（1986—），男，講師，博士，研究方向為GPS定位及電離層。