精密單點定位技術(shù)在航道測量中應(yīng)用分析

（黑龍江省航道事務(wù)中心,黑龍江 哈爾濱 150026）

隨著海上活動變得越來越頻繁，水運已經(jīng)成了物流和海上活動中非常重要的載體，航道測量技術(shù)能更好地保證航道的順利運行。相比其他技術(shù)，GPS技術(shù)可以精準定位不同的量度單位，以便更好地滿足不同的精度要求。航道測量的精度一般被定位在厘米和分米之間，采用偽距差分定位只能夠提供米級別的定位，采用GPS-RTK技術(shù)實際又會受到距離的限制，在使用時多數(shù)定位技術(shù)是沒有辦法滿足多數(shù)要求的。因此，在此背景下，專業(yè)人員一定要能夠選擇一種較為快捷的方法來提升定位的效率。最近幾年才出現(xiàn)的精密單點定位技術(shù)，不僅可以讓GPS作業(yè)過程變得更加高效，更可以在較短的時間內(nèi)提升航道作業(yè)的效率。

1 精密單點定位技術(shù)概述

1.1 精密單點定位技術(shù)概念

精密單點技術(shù)是由美國噴氣推進實驗室所提出的一種常用的技術(shù)，它自身和單點定位有著很大的相同之處，但是后者會涉及很多與廣播星歷所提供的不同參數(shù)，卻沒有能夠直接使用衛(wèi)星鐘差，在實踐中也可以配合合適的相位觀測值來提升觀測的效率。多數(shù)精密單點定位的結(jié)算過程如下：第一，可以先輸入與精密星歷和衛(wèi)星鐘差有關(guān)的內(nèi)容，并將合適的內(nèi)容在第一時間固定下來[1]。第二，注意充分利用非相位來推算出合適的參數(shù)，并讓不同的參數(shù)都能夠發(fā)揮不同的作用。如果單純地使用精密單點定位法是無法配合合適的站間差分方式來直接除掉弱電離層內(nèi)部產(chǎn)生的影響，一般的電離層模型也不能夠直接滿足精密定點的要求。

1.2 精密單點定位技術(shù)的原理

在采用精密單點進行定位時可以采用和雙頻無電離層有關(guān)的新方程：

算式中存在的Lp指的就是由P1和P2無線電離層所組成的新的觀測值，dt指的是借助GPS接收機來接收不同的時鐘差，dT表示的是GPS衛(wèi)星內(nèi)部的時鐘差，c為存在于真空中的光速，a則表示存在于無電離層內(nèi)部的觀測數(shù)量。只有清楚地知道不同字母所代表的含義才能夠更好地計算出精密單點定位的基本原理。

1.3 精密單點定位試驗方案

前文重點對精密單點定位和靜態(tài)定位的原理進行了介紹，可以看出這種技術(shù)自身具有很多優(yōu)點，但是到目前還不能夠直接將其運用到石油物探測量的過程中，為此我們需要擬定精密單點定位試驗方案。

1.3.1 試驗點位

為了減少人為誤差和確保試驗的效果，可以將此次試驗的地點選擇在寧夏和內(nèi)蒙古JB09來直接采集數(shù)據(jù)，這樣兩個點多位于常見的裝置觀測敦上，四周并無多少干擾物，實際也可以更好地滿足采集數(shù)據(jù)所需要的要求。

1.3.2 試驗儀器

可以在實驗中采用Trim-ble4700來直接采集數(shù)據(jù)，并將間隔的時間控制在15 s.因為這種儀器被投入市場的時間相對較早，實際也可以被廣泛應(yīng)用于石油系統(tǒng)測量作業(yè)中，所以具有較強的代表性。

1.3.3 采集時間段

可以從30 min開始就采集19組數(shù)據(jù)，并將采集的最長時間段控制在36 h以內(nèi)。JB09的測試點則是從10 min就開始了，依次采集了24組左右的數(shù)據(jù)，采集最長時間段被控制在120 min內(nèi)，最終自然可以從多個方面著手來考慮靜態(tài)精密單點定位的可行性。

在實際采集時一定要綜合考慮試驗過程中的試驗定點、試驗儀器和采集的時間段,才能夠保證整個試驗的過程都順利進行。圖1顯示了精密單點定位試驗的整個過程。

圖1 精密單點定位試驗過程

1.4 精密單點定位的主要誤差

可以采用非差值觀測的方式來提升GPS精密單點定位的效率，但這并不能夠借助合適的方式來直接消除在GPS觀測中出現(xiàn)的誤差，實際也可以借助不同類型的觀測值來直接改正或者估計參數(shù)[2]。一般而言，常規(guī)的GPS精密單點定位誤差主要是由接收機誤差、固體潮改正、地球自轉(zhuǎn)改正和其他不同的誤差組成。由于誤差的種類較為復(fù)雜，所以需要采用不同的策略來更好地定位。只有有效地采用如圖2的措施才能夠更好地消除在精密單點定位時所產(chǎn)生的誤差。

圖2 消除在精密單點定位誤差方法

1.5 精密單點定位時需要重視的問題

GPS精密單點定位技術(shù)是通過借助全球若干個不同的跟蹤站來計算出精準的軌道參數(shù)，最終的目的是通過采用非差定位處理技術(shù)來直接觀測不同的數(shù)據(jù)。在進行精密單點定位時需要重視的問題包括如下幾個方面：第一，一定要從不同類型數(shù)據(jù)分析中心內(nèi)部取得不同數(shù)據(jù)之后再單獨地處理不同類型的數(shù)據(jù)，之后再得出合適的結(jié)果。第二，注意在處理位于分析中心內(nèi)部數(shù)據(jù)時先分析不同類型的數(shù)學(xué)模型，再借助這些不同的模型來提升處理數(shù)據(jù)的效率。第三，因為不同分析中心內(nèi)部的結(jié)果都是不相融合的，彼此也會存在著一定的差異。因此，專業(yè)的協(xié)調(diào)分析中心應(yīng)該在轉(zhuǎn)換合適的成果的基礎(chǔ)上再得出合適的產(chǎn)品。第四，注意從同一個網(wǎng)站中下載所用的衛(wèi)星精密星歷和衛(wèi)星精密鐘差。

2 研究現(xiàn)狀

精密單點定位的縮寫為PPP，其自身也會在航空攝影中扮演越來越重要的角色。這種測量方式和GPS測量有著本質(zhì)上的不同。精密單點定位重點是借助GPS服務(wù)機構(gòu)所提供的文件來作業(yè)，再借助合適的無電離層來設(shè)定合適的觀測資料，最終的目的是對測量站的位置、接收機的鐘差和其他不同類型的參數(shù)進行估計。更多的用戶可以借助一臺合適的GPS接收機在較為廣泛的范圍內(nèi)實現(xiàn)高精度的定位。這種機器不僅可以讓各個站點計算的過程相對獨立，其計算的量也要小于一般的定位站。

目前國內(nèi)和國外都在對與精密單點定位有關(guān)的內(nèi)容進行大量的研究。武漢大學(xué)在對精密定點理論和方法進行多年研究之后研制出了真正精度較高的處理PPP數(shù)據(jù)的軟件，最終的目的是借助PPP來處理不同類型的數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)都需要在兩周分析之后才能夠得出不同的結(jié)果。專業(yè)人員可以借助不同的精密單點定位來直接計算與GPS天線相關(guān)的動態(tài)坐標數(shù)據(jù)，并在剔除其中的誤差之后更好地保證結(jié)果的精度[3]。從多次試驗中可以看出，目前我國的精密單點定位技術(shù)可以被廣泛應(yīng)用于航空攝影中。

目前，國際上的GIPSY軟件、BERNESE軟件、GFZ軟件都是具體針對精密單位定點技術(shù)的，不同的軟件也被廣泛應(yīng)用于GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)技術(shù)中。一般而言，通過利用不同的軟件可以直接將GPS軌道內(nèi)部的精度確定為2～5 cm。此外，國外不同國家的學(xué)者對不同類型的精度定點方法進行全面的研究。例如，很多學(xué)者提出了運用非差雙頻載波來直接觀測相關(guān)的數(shù)據(jù)，并在直接初始化之后對不同的精密單點進行定位，最終自然可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)高效動態(tài)定位。而一系列的試驗結(jié)果都表明確實可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)高效定位。

3 GPS精密單點定位技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)模型

傳統(tǒng)模型一直都在GPS精密單點定位技術(shù)中發(fā)揮著非常重要的作用，這也屬于一種傳統(tǒng)模型，實際可以結(jié)合雙頻GPS偽距和載波相位來直接構(gòu)成新的觀測模型。這種新形成的無電離層成了減弱電離層最有名的公式。

在運算模型時，多數(shù)的研究人員可以全面地觀測模型內(nèi)部的電離層組合，其模糊的程度也會對模型運算的結(jié)果有著非常重要的影響。另外，無電離層組合在實際觀測時產(chǎn)生的誤差也會對整個模型運作的結(jié)果產(chǎn)生不同的影響，只有通過精確計算不同的函數(shù)模型才能夠?qū)φw產(chǎn)生的誤差有一個清晰的了解。

3.2 UofC模型

加拿大早就提出了常用的UofC模型，這種模型和傳統(tǒng)模型有著極大的不同之處，除了采用電離層相位組合之外，專業(yè)人員還需要分別采用L1和L2兩種不同的形式組合在一起。

UofC雖然和傳統(tǒng)的模型之間存在著很大的不同，但是大部分都是在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上形成的一種重要結(jié)構(gòu)。因此在計算不同模型時會直接涉及不同類型的觀測值參數(shù)。另外，UofC模型主要是由三種不同組合模式構(gòu)成，每一種不同的組合形式都會受到不同觀測噪聲和模型誤差參數(shù)的影響。

3.3 無模糊度模型

此模型和上文提到的兩種模型有著明顯的不同。這種模型重點可以結(jié)合無電離層來直接觀測合適的數(shù)據(jù)。但是因為該模型內(nèi)部的模糊度已經(jīng)在較短的時間內(nèi)被消除，專業(yè)人員實際不必要直接考慮模糊度。

4 精密單點定位優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的GPS單點定位方式相比，精密單點定位重點可以借助不同的高精度GPS衛(wèi)星來發(fā)揮更大的作用，再配合不同的誤差來直接改正模型，并在具體分析不同模型和算法的基礎(chǔ)上直接改進單點定位，最終自然可以是導(dǎo)航定位精度在最大程度上得以提升，實際也確實可以更好地滿足精度測量的要求[4]。

和差分定位相比，精密單點定位并不需要直接配合不同的基準站來實現(xiàn)同步觀測，實際也可以利用合適的單臺接收機來在不同的地方進行定位。不同類型的精密定位不僅可以觀測到更多的數(shù)值，更可以得到合適的坐標。不同類型的監(jiān)測站內(nèi)部的觀測值并不存在一定的關(guān)系，不同站點之間的距離也并無一定的限制。

5 精密單點定位在航道測量中的應(yīng)用展望

在運用精密單點定位技術(shù)時，操作中的衛(wèi)星精密軌道差和時鐘差實際是一直影響精度的瓶頸。從目前發(fā)展看，IGS確實可以提供精密的預(yù)報，在未來幾年內(nèi)更會使預(yù)報的精度得以提升[5]。例如，如果直接采用一些合適的數(shù)學(xué)方法之后就可以得到合適的衛(wèi)星位置，精度越高的衛(wèi)星軌道則可以在第一時間滿足大家對厘米定位的要求，但是實踐中很難直接用合適的模型來分析精密衛(wèi)星所產(chǎn)生的信息變化。隨著IGS進程的逐步加快，不同的研究機構(gòu)和商業(yè)機構(gòu)也會不斷地介入其中，但是從2000開始SA技術(shù)就應(yīng)關(guān)閉，衛(wèi)星鐘差的變化也變得更加平穩(wěn)，在不影響定位精度的基礎(chǔ)上，實時外推將會變得更加容易。

目前多數(shù)動態(tài)精密單點定位的精度可以達到分米級別，但是在內(nèi)河航道和近海航道的測量過程中，測量水平的精度已經(jīng)介于分米級別之間，精密單點定位這種新技術(shù)自身會有著與GPS技術(shù)不同的優(yōu)越性。隨著常見的精密單點定位技術(shù)不斷地向前發(fā)展，越來越多商業(yè)企業(yè)和隊伍會介入其中，不僅會直接改進模型產(chǎn)生的誤差，更會在一定程度上全方位地提升精密單點定位的精度，實踐中確實可以滿足現(xiàn)代航道測量的要求。

6 結(jié)語

發(fā)展到今天，GPS精密單點定位技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于航道測量的過程中，這樣不僅可以直接避免在測量過程中出現(xiàn)較多的誤差，更會在一定程度上提升測量的精確度。如果直接將該技術(shù)融入實施過程中的流程相對較為簡單，不需要直接依靠其他不同的控制點來進行輔助測量，更不會對距離提出較高的要求。此外，在使用此種技術(shù)進行測量時一定要從多方面表現(xiàn)出不同的測量優(yōu)勢，最終才能夠更好地保證測量的準確性。目前GPS精密定點技術(shù)不僅已經(jīng)在航道測量的過程中被廣泛推廣，未來更會有很好的發(fā)展前景。