基于PP-RTX 技術的機載POS 定位精度分析

楊國柱，王和平，鄒 彪，胡 偉，劉 寧，葉劍鋒

（國網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102219）

0 引言

事后實時擴展（ post-processed real-time extended，PP-RTX）技術是基于美國天寶（Trimble）公司實時差分擴展技術(real-time extended， RTX)[1]開發(fā)的1 種高精度后處理RTX 處理方法，該方法采用安置在運動載體上的單臺全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）雙頻接收機，接收GNSS 數(shù)據(jù)，任務完成后從實時軌跡中派生出壓縮軌跡上傳至RTX 服務器中，檢索下載1 組精確的衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)（軌道、時鐘和系統(tǒng)偏差）組成的數(shù)據(jù)集，基于非差載波相位觀測值對動態(tài)載體進行高精度定位。

定位定姿系統(tǒng)（positioning and orientation system， POS）[2]集GNSS 定位、慣性測量技術于一體，可直接獲取航攝相片的外方位元素，能大幅降低航測外業(yè)控制點[3]。當前，POS 后處理主要基于流動站和基準站[4]間的差分，其定位精度與流動站和基準站之間的距離有關，當站間距離增大到一定程度后，站間的各項誤差源不能保證空間上的相關性，導致定位精度下降[5]。在我國一些偏遠地區(qū)、無人區(qū)，布設地面GNSS 基站較困難且耗時費力，造成了這些地區(qū)地理空間數(shù)據(jù)更新速度較慢。

PP-RTX 對GNSS 數(shù)據(jù)的解算不需要地面基站的支持，而且定位精度均勻，可解決POS GNSS 載波相位差分技術中需要架設基站成本高、流動站與基準站間距離增加導致定位精度降低等2 大問題，為大范圍高精度的事后航攝定位解算提供新的解決方法。

本文在中國不同地域進行直升機航攝實驗，通過獲取的航跡信息對比分析PP-RTX 和多（單）基站差分定位精度，為航攝生產(chǎn)實踐提供參考。

1 基于PP-RTX 技術的POS 系統(tǒng)定位原理

1.1 PP-RTX 技術

1.1.1 美國Trimble 公司的RTX 技術

Trimble RTX 實時差分擴展技術是Trimble 公司開發(fā)的1 種定位技術，是1 種創(chuàng)新的多頻GNSS定位技術，它將基于參考站的差分全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高精度與全球衛(wèi)星校正的高效廣域覆蓋相結合，能夠在不采用基準站、電臺或網(wǎng)絡參考站的情況下，實現(xiàn)厘米級精度的GNSS 定位服務[6]，技術原理如圖1 所示。

段圖1 Trimble RTX 定位原理

Trimble RTX 監(jiān)測網(wǎng)絡由分布在全球的大約100 個高性能GNSS 接收機組成，Trimble RTX 跟蹤站分布如圖2 所示。這些接收機記錄全球定位系統(tǒng)(global positioning system， GPS）、格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GLONASS）、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system， BDS）、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system， Galileo）和日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)(quasi-zenith satellite system， QZSS）的衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡中各站點的數(shù)據(jù)不斷傳輸?shù)絋rimble 公司全球各地的數(shù)據(jù)處理中心。處理中心持續(xù)監(jiān)控全球參考站的運行狀況，并在檢測到問題時自動重新配置網(wǎng)絡；然后，網(wǎng)絡處理器以1 Hz 的速率為地球上的任何位置生成精確的軌道、時鐘和系統(tǒng)偏差數(shù)據(jù)；最后，將壓縮測量記錄（compact measurement record，CMR）格式精確數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)實時傳輸，并將其記錄到數(shù)據(jù)庫中，以供后處理應用程序使用。

圖2 Trimble RTX 跟蹤站分布

1.1.2 PP- RTX 技術原理

PP-RTX 技術是利用GPS、GLONASS、BDS和QZSS 等系統(tǒng)衛(wèi)星的雙頻偽距和載波相位測量計算得到最終結果。接收機到指定衛(wèi)星的雙頻偽距和載波相位測量計算簡易方程[7]為：

式中： Φi為載波i 測相偽距觀測值，單位為m； Pi為載波i 的測距碼偽距觀測值，單位為m；ρ 為衛(wèi)星到接收機間的真實的幾何距離，單位為m；c 為真空的光速，單位為m/s；dT 為接收機的鐘差，單位為s；dt 為衛(wèi)星的鐘差，單位為s；T 為對流層延遲； Ii為載波i 的電離層延遲； Ai為載波i 的接收機位置偏移； ai為載波i 的衛(wèi)星位置偏移； WΦ為接收機天線相位疊加；wΦ為衛(wèi)星天線相位疊加；BΦ,i為接收機載波i 的相位偏差； bΦ,i為衛(wèi)星載波i的相位偏差； λi為載波i 的波長； Ni為載波i 的整周模糊度；mΦ,i為載波測相多路徑效應；εΦ,i為載波測量誤差及殘差； mP,i為偽距測量的多路徑效應；εP,i為偽距測量誤差及殘差。

從RTX 服務器接收精確的衛(wèi)星時鐘和軌道信息，用于消除衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星位置誤差，在計算衛(wèi)星時鐘、軌道以及定位時使用衛(wèi)星和接收機天線校正、固體潮、海潮加載效應、相對論修正、相位疊加、衛(wèi)星編碼和載波相位偏差高精度的模型，以進一步減少相位測量中的誤差。

在應用精確時鐘、軌道和模型數(shù)據(jù)后，測量中的誤差分量主要是電離層和對流層延遲、接收機時鐘誤差、接收機偏差、多路徑效應、相位整周模糊度。PP-RTX 定位處理器使用卡爾曼濾波計算模糊度，計算和減小接收機鐘差和接收機偏差；通過載波的“電離層自由”組合消除定位中的1 階電離層延遲誤差；通過對流層延遲預報模型減小對流層延遲誤差；在卡爾曼濾波器中建模和估計觀測時存在的溫度、壓力和水蒸氣等因素導致的殘差，用經(jīng)驗數(shù)據(jù)集優(yōu)化誤差模型以實現(xiàn)高精度的機載動態(tài)測量。

改正以上誤差后，根據(jù)當?shù)仉婋x層模型的可用情況和可觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，PP-RTX 定位收斂到最終正確的模糊度時間從不到1 min 到超過15 min不等。然而，由于PP-RTX 通過正向和反向計算，最終輸出是2 者的結合，只要任務本身超過45 min且沒有丟失衛(wèi)星信號（如在飛機上的應用），最終的解決方案是完全收斂的。

1.2 POS 定位

POS 集慣性導航與衛(wèi)星導航技術于一體，記錄動態(tài)載體空間位置及姿態(tài)信息，并采用多信息融合技術分別對POS 數(shù)據(jù)進行實時與事后處理，獲得高精度定位定向信息[8]。

衛(wèi)星導航技術是基于無線電導航定位系統(tǒng)，具有持續(xù)提供高精度定位、速度和時間信息，基本不受地域、時間限制的優(yōu)點，但存在數(shù)據(jù)采樣率低、抗干擾能力差、信號遮擋等缺點。慣性導航基于微型慣性測量裝置（miniature inertial measurement unit，MIMU），利用慣性元件（陀螺儀、加速度計）測得移動目標的位置、速度和姿態(tài)，但存在使用前初始對準時間較長、隨時間積累傳感器定位誤差發(fā)散等缺點。POS 集衛(wèi)星導航和慣性導航優(yōu)勢于一體，實現(xiàn)GPS/IMU 組合，使整體性能遠遠優(yōu)于各自獨立的系統(tǒng)。

1.3 PP-RTX 與POS 數(shù)據(jù)融合

PP-RTX 服務通過訪問互聯(lián)網(wǎng)，從實時軌跡派生出的壓縮軌跡上傳到RTX 服務器中，用于檢索1 組RTX 服務的軌道、時鐘和局部附加偏差信息組成的數(shù)據(jù)集（飛行任務結束1 h 內(nèi)可獲得），然后與POS 數(shù)據(jù)結合進行緊耦合解算，PP-RTX 與POS 數(shù)據(jù)融合工作流程如圖3 所示。

圖3 PP-RTX 與POS 數(shù)據(jù)融合工作流程

2 實驗與結果分析

2019 年2 月—6 月，在吉林省、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)、安徽省、湖南省、福建省、四川省等7 省區(qū)進行9 個架次的直升機航攝實驗，對POS得到的GNSS 數(shù)據(jù)進行PP-RTX 和多基站事后差分定位解算分析。

2.1 測區(qū)概況

實驗區(qū)分布在我國東北、西北、中部、東部、南部，地形以丘陵和山區(qū)為主，地勢起伏較大；基準站選用均勻布設且覆蓋整個實驗區(qū)的省級連續(xù)運行參考站。實驗時GNSS 信號采樣頻率為2 Hz，采樣衛(wèi)星高度截止角為10°。圖4 為甘肅省某1 架次的飛行軌跡及連續(xù)運行參考站（continuously operating reference stations， CORS）站分布圖，其中曲線為飛行航跡，空心圓為該架次基準站分布位置。

圖4 甘肅地區(qū)飛行軌跡及基準站布設

2.2 慣導系統(tǒng)

實驗采用的是Trimble 公司的AP60 慣性導航系統(tǒng)，參數(shù)如表1 所示，GNSS 接收天線為Trimble AV-37，GNSS 信號采樣頻率為2 Hz，采樣衛(wèi)星高度截止角為10°，IMU 采樣頻率為200 Hz。

表1 AP60 系統(tǒng)參數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)解算環(huán)境

軌跡解算采用阿普拉尼克斯（Applanix）公司的POSPac MMS8.1 軟件。多（單）基站事后差分解算采用該軟件SmartBase（SingleBase）解算模式，所需數(shù)據(jù)采用國際GNSS 服務組織（International GNSS Service， IGS）提供的各架次當天的廣播星歷、各架次當天及前后1 d 的最終精密星歷文件、系統(tǒng)性偏差文件、采集的連續(xù)運行參考站記錄的數(shù)據(jù)；PP-RTX 解算采用POSPac 軟件；坐標轉(zhuǎn)換為2000國家大地坐標系（China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000）坐標系時，采用POSPac 軟件。

2.4 PP-RTX 定位精度分析

將PP-RTX 和多基站差分解算后的軌跡數(shù)據(jù)，按采樣間隔2 Hz 輸出CGCS2000 坐標系下的點位坐標，坐標系具體為6°帶的高斯投影，高程為橢球高。本文以多（單）基站事后差分解算數(shù)據(jù)作為真值，多（單）基站事后差分在站間距離小于70（30）km 時，定位精度在3～10 cm[9-14]，對比同1 個歷元PP-RTX 與多（單）基站解算的點位坐標在北（N）、東（E）、高程（U）差值平均值、標準差、均方根差，結果如表2 所示。

表2 P-RTX 與多（單）基站事后差分在 N、E 及U 方向上的差值 單位：m

圖5 為9 架次每個歷元PP-RTX 與多（單）基站事后差分解算結果在N、E、U 方向上的差值；圖6 為9 個架次采用多（單）基站時，航空器各個歷元距基站距離；圖7 為9 個架次各個歷元所觀測到的衛(wèi)星數(shù)及其所對應的位置精度衰減因子（position dilution of precision， PDOP）值，除第9 架次航空器落地后，PDOP 較大外，9 架次觀測期間觀測衛(wèi)星個數(shù)及衛(wèi)星幾何圖形強度均能滿足觀測要求。

對比同1 個歷元2 種定位模式解算坐標，在我國不同區(qū)域不同地勢環(huán)境下，基于PP-RTX 技術的機載POS 定位相對于多（單）基站事后差分定位解算結果，在水平方向、高程方向可以達到9 cm以內(nèi)的精度，空間定位精度在12 cm 以內(nèi)。

圖5 PP-RTX 與多（單）基站事后差分解算結果在N、E 及U 方向上的差值

圖6 航空器距基站距離

圖7 觀測衛(wèi)星數(shù)及對應的PDOP 值

當流動站距基站距離超過30 km 時，2 種模式同1 歷元坐標差值明顯增大；由此可知大范圍區(qū)域作業(yè)時，PP-RTX 穩(wěn)定性更可靠；當使用基站時，隨流動站與基準站之間距離增加，定位精度降低，超過30 km 時，站間的各項誤差源不能保證時間和空間上的強相關性。

3 結束語

隨著POS 系統(tǒng)快速發(fā)展，快速、高精度地進 行事后解算是其中需要解決的1 大難題。當使用基站進行事后差分時，解算精度與流動站、基準站之間的距離有關，當站間距離增大時，解算精度降低。通過基于PP-RTX 技術和多（單）機載POS 定位試驗，對比同1 個歷元2 種定位模式解算坐標，可以得出PP-RTX 技術能滿足大范圍航攝定位精度的要求，在航攝結束后即可進行航攝后處理解算，大大提高了時效性，為大范圍、無地面基站航攝事后定位解算提供了參考。