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GPS精密单点定位技术初探 摘要：本文简单介绍了GPS精密单点定位的技术原理、定位精度及应用情况，同时对精密单点定位（PPP）和RTK的各项技术参数进行了初步的对比分析。 关键词：GPS；精密单点定位；原理；精度 1 引言 GPS自投入使用以来，其相对定位方式的研究发展迅速，从最先的码相对定位到现在的RTK，使GPS的定位精度不断升高；而绝对定位(即单点定位)的发展则相对缓慢。随着我国海洋战略的实施、区域或全球性的科学考察等活动日益增加，对定位的精度也提出了新的要求，往往要求达到十几或几十厘米的定位精度。采用伪距差分定位只能提供米级的定位精度；使用RTK技术，作用距离又达不到；对于这部分定位需求，则需要寻求一种新的定位方式或技术。 2 精密单点定位技术 2.1 精密单点定位的思路 精密单点定位(Precise Point Positioning，PPP)技术由美国喷气推进实验室(JPL) 的Zumberge于1997年提出。该技术的思路非常简单，在GPS定位中，主要的误差来源于三类，即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机，可以利用LC相位组合，来消除电离层延时的影响。只要给定卫星的轨道和精密钟差，采用精密的观测模型，就能像伪距一样，单站计算出接收机的精确位置、模糊度以及对流层延时参数。 2.2 PPP的误差改正 有别于双差定位模式，非差观测模型是描述非差观测值与其它物理影响因素的函数关系，因此需要精确估计3类误差源的影响：与测站相关；与卫星相关；与信号传播路径相关。 2.2.1 与测站相关的误差改正 接收机钟差。以接收机钟差及其变化量作为待定参数，并认为各历元之间是相互独立的，看成一种白噪声，和测站位置、速度一起进行估计计算。 地球固体潮改正。地球固体潮改正由和纬度相关的长期项与周期项组成。PPP利用单天解消除周期性误差后的残差影响在水平方向可达5cm，在垂直方向可达12cm，还需利用模型加以改正。 海洋潮汐改正。当测站离海岸线大于1000km时，其影响可忽略不计；对单历元解的影响可达5cm。 2.2.2 与卫星相关的误差改正 卫星钟差改正。可在非差相位精密单点定位基准站上利用相对卫星钟差，基准站数据分析中心将所计算的1s更新率的精密相对卫星钟差传输给用户，用户利用这些数据，计算的定位结果可以满足精度要求。 卫星轨道误差。基准站数据分析中心根据IGS实时预报精密星历的轨道误差有25-40cm，可以满足实时PPP的0.5m以内的定位精度要求，而事后精密星历的精度更可以达到3-5cm。 相对论效应。由于卫星和接收机所在位置的地球引力位及在惯性空间中的运动速度不同，将导致卫星钟频率产生视漂移。因此，在GPS卫星发射前，有意将卫星钟基准频率降低0.00455Hz来解决频率偏差，对于非常数部分，则采用数学模型改正。 卫星天线相位中心偏差。PPP单点定位需要预先知道卫星天线相位中心改正和改正向量在卫星围绕地球旋转空间中的旋转量。 2.2.3 与信号传播路径相关的误差改正 对流层延迟。Niell模型是高精度GPS定位中广泛采用的投影函数。PPP单点定位采用Niell模型改正后，一般仍会有数cm的残差，因此还需要一阶高斯马尔可夫过程等方法来进行模拟。 电离层延迟改正。对于双频码相位接收机来说，通常利用双频观测值的组合消除电离层影响项。 多路径效应。消除此项误差的措施主要有：选择测站位置时注意避开信号反射物；接收机天线配备抑径板或抑径圈。 3 精密单点定位精度分析 根据PPP的技术要求，定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差，但是IGS及数据分析中心仅提供15min和5min间隔的精密卫星钟差参数，而在实际定位中，GPS接收机的采样率一般为30s、15s，因此，必须采取一定的措施对精密卫星钟差进行内插。目前最可靠的方法就是利用全球分布的IGS永久站的观测数据估计高采样率卫星钟差参数，不过这种方法的计算量大，而且计算复杂。另外，在SA政策取消以后，加在卫星钟差上的随机抖动部分也随之被取消，这样，卫星钟差变化趋于平缓，使得卫星钟差的内插成为可能。 据国家自然科学基金资助项目（40074003）对2001年8月6日武汉、上海、拉萨、乌鲁木齐、昆明5个国内IGS站24h的数据研究试验：在采用差分模式定位时，将武汉作为基准站，PPP和DGPS都采用JPL的精密星历及卫星钟差改正信息，同时利用JPL的5min间隔的精密卫星钟差内插出30s间隔的卫星钟差；在处理精密单点定位和差分定位技术时，都采用消电离层组合L3，以消除电离层影响；两者在处理时都采用相同的初始坐标，把差分定位得到的坐标转换到ITRF2000框架下，得到的计算结果如下表： 测 站 PPP/DGPS两者差值（cm） X YZ 上 海 -0.27 -1.98 -1.97 拉 萨 2.09 -0.48 2.21 昆 明 -0.08 -1.68 -0.21 乌鲁木齐 -0.98 -2.86 -1.57 4 PPP技术的应用 PPP技术在大地测量中已得到了应用。美国JPL的GIPSY软件，瑞士的BERNESE软件和德国的EPOS软件都包括了PPP功能。JPL每日提供的全球IGS站的对流层延时，就是采用PPP技术计算的结果。IGS已经决定，各数据分析中心今后提交的对流层延时信息，统一使用PPP技术，替代原有的网解成果，这些都是后处理结果。 5 结束语 借助IGS的精密星历和卫星钟差信息，PPP精密单点定位在定位精度上要优于传统单点定位几十倍，甚至几百倍；与差分GPS比较而言，便于质量控制、节省作业开支、不受距离限制。由此可知，GPS精密单点定位具有广阔的应用前景，利用单台双频GPS接收机在全球范围内进行静态或动态作业，可直接得到高精度的ITRF框架坐标，在区域高精度坐标框架的维持、海洋战略的实施、区域或全球性的科学考察、高精度动态导航及低轨卫星的定轨等方面都具有不可估量的应用前景。 参考文献 韩保民，欧吉坤.基于GPS非差观测值进行精密单点定位研究J.武汉大学学报.信息科学版，2003，28（4）：409-412. 刘焱雄，周兴华等.GPS精密单点定位精度分析J.海洋测绘.2005，25（1）：44-46. 袁修孝，付建红，楼益栋.基于精密单点定位技术的GPS辅助空中三角测量J.测绘学报.2007，36（3）：251-255.