精密單點(diǎn)定位技術(shù)在測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用*

王玉龍，李秀麗，王建忠

(河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北秦皇島 066001)

精密單點(diǎn)定位技術(shù)在測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用*

王玉龍，李秀麗，王建忠

(河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)，河北秦皇島 066001)

首先概括了PPP技術(shù)的發(fā)展情況、技術(shù)原理以及作業(yè)特點(diǎn)，然后通過實(shí)例分別闡述了采用在線定位服務(wù)系統(tǒng)和單機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)解算的方法，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度進(jìn)行對(duì)比分析，證明了該技術(shù)可以運(yùn)用于日常的測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐中。

GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù);WGS-84;精度分析

0 引言

在傳統(tǒng)的GPS技術(shù)應(yīng)用中，一般都采用相對(duì)定位的作業(yè)方式，通過組差消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差等公共誤差及削弱對(duì)流層延遲、電離層延遲等相關(guān)性強(qiáng)的誤差影響，達(dá)到提高精度的目的。這種作業(yè)方式無(wú)需考慮復(fù)雜的誤差模型，具有解算模型簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)勢(shì)[1]。但也存在一些不足，如作業(yè)時(shí)必須至少有1臺(tái)接收機(jī)安置于已知點(diǎn)上觀測(cè)，這樣不僅影響了作業(yè)效率，也增加了作業(yè)成本;另外隨著距離的增加，對(duì)流層延遲、電離層延遲等誤差相關(guān)性減弱，定位精度逐漸降低;最重要的是在沒有已知點(diǎn)的地區(qū)無(wú)法獲得定位點(diǎn)準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo)。

在這種情況下GPS精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning，簡(jiǎn)稱PPP)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并憑借其可單機(jī)作業(yè)、機(jī)動(dòng)靈活、低成本、高效率，可直接獲得ITRF框架下的三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)成為目前GPS研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。為此，本文對(duì)PPP技術(shù)的基本原理、測(cè)量方法、數(shù)據(jù)解算以及精度情況進(jìn)行了闡述。

1 精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)的發(fā)展概況

20世紀(jì)70年代初期，R.RAnderle首次提出了利用固定已知的衛(wèi)星軌道和多普勒衛(wèi)星觀測(cè)值信息來(lái)確定單站位置的方法，并將這種方式命名為“Precise Point Positioning，PPP”。利用精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差，處理非差相位觀測(cè)值的PPP方法于1992年被GSD(Geodetic Survey Division of Natural Resources Canada)采用。

20世紀(jì)90年代中期國(guó)際 GNSS服務(wù)局 (IGS)開始向全球提供精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品，這就為非差相位精密單點(diǎn)定位提供了可能。1997年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的研究人員提出了利用 GIPSY軟件和IGS精密星歷，同時(shí)利用一個(gè)GPS跟蹤網(wǎng)的數(shù)據(jù)確定5 s間隔的衛(wèi)星鐘差，在單站定位方程式中，只估計(jì)測(cè)站對(duì)流層參數(shù)、接收機(jī)鐘差和測(cè)站三維坐標(biāo)的精密單點(diǎn)定位研究思路，通過實(shí)驗(yàn)，取得了24 h連續(xù)靜態(tài)定位精度達(dá)1～2 cm的結(jié)果，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明了利用非差相位觀測(cè)值進(jìn)行精密單點(diǎn)定位是完全可行的。隨后，德國(guó)科學(xué)院地學(xué)研究中心(GFZ)和加拿大大地測(cè)量局(GSD)及卡爾加里大學(xué)先后發(fā)表論文，表明他們也已經(jīng)完成精密單點(diǎn)定位的類似試驗(yàn)研究，取得了同樣精度的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位結(jié)果。

國(guó)內(nèi)進(jìn)行GPS精密單點(diǎn)定位的研究起步稍晚，但目前的研究應(yīng)用已經(jīng)與國(guó)際水平相當(dāng)。武漢大學(xué)、上海天文臺(tái)、西安測(cè)繪研究院、中科院測(cè)量與地球物理研究所、同濟(jì)大學(xué)等單位先后對(duì)精密單點(diǎn)定位進(jìn)行了研究。近年來(lái)，上海天文臺(tái)曾在《測(cè)繪

2 PPP技術(shù)原理及作業(yè)特點(diǎn)

PPP技術(shù)是一種基于單個(gè)GPS接收機(jī)的雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)、利用IGS發(fā)布的精密星歷及鐘差產(chǎn)品，并對(duì)觀測(cè)值中影響在厘米級(jí)以上的系統(tǒng)誤差，如相對(duì)論效應(yīng)、相位纏繞(phase wind-up)等進(jìn)行改正，進(jìn)而精確確定全球任一點(diǎn)位置的方法，其定位精度可達(dá)分米甚至厘米級(jí)的水平[2]。

精密單點(diǎn)定位是利用國(guó)際GNSS服務(wù)機(jī)構(gòu)(IGS)提供的或自己計(jì)算的GPS精密星歷和精密鐘差文件，以無(wú)電離層影響的載波相位和偽距組合觀測(cè)值為觀測(cè)資料進(jìn)行定位解算，同時(shí)采用精細(xì)的模型對(duì)衛(wèi)星天線相位中心偏差、固體潮影響、海洋負(fù)荷影響等加以改正，并用輔助參數(shù)對(duì)測(cè)站位置、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層天頂延遲以及組合后的相位模糊度等參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。它要求衛(wèi)星軌道精度達(dá)到厘米級(jí)水平，衛(wèi)星鐘差改正精度達(dá)到亞納秒級(jí)水平。其特點(diǎn)在于各站的解算相互獨(dú)立，計(jì)算量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般的相對(duì)定位。

精密單點(diǎn)定位工作模式與普通靜態(tài)GPS工作模式相差不大，要求采用雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間不小于2 h，如果希望獲得更高精度的定位結(jié)果就必須在此基礎(chǔ)上延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，衛(wèi)星高度截止角15°，采樣間隔15 s，PDOP≤6。觀測(cè)時(shí)段可在UTC時(shí)(通用協(xié)調(diào)時(shí)間，UTC=北京時(shí)間－8 h)的0～24 h之間任意選取，并且最好不要跨UTC時(shí)間0點(diǎn);天線高量取至廠商指定的天線參考點(diǎn)位置，并須獲得廠商提供的各參考點(diǎn)至天線相位中心改正常數(shù)，以便于在隨后的數(shù)據(jù)處理中精確計(jì)算天線高;觀測(cè)中不記錄氣象元素，其它項(xiàng)目按GPS觀測(cè)記錄手簿的要求認(rèn)真填寫。

與傳統(tǒng)的絕對(duì)單點(diǎn)定位相比，精密單點(diǎn)定位利用的不是廣播星歷，而是IGS提供的精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差，其精度比傳統(tǒng)的絕對(duì)單點(diǎn)定位精度要高得多，用戶利用單臺(tái)GPS雙頻雙碼接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)的任意位置都可以獲得分米甚至厘米級(jí)的精度;與相對(duì)定位相比，精密單點(diǎn)定位具有單站即可作業(yè)、不受基線長(zhǎng)度限制、可以單歷元解算、直接獲得點(diǎn)位三維坐標(biāo)(WGS-84或ITRF框架下的坐標(biāo))等優(yōu)點(diǎn)。

3 數(shù)據(jù)解算

目前對(duì)于精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理的途徑有兩種:一種是利用單點(diǎn)定位解算軟件在單機(jī)上進(jìn)行處理，另外一種就是使用一些網(wǎng)站提供的PPP在線觀測(cè)數(shù)據(jù)解算服務(wù)來(lái)處理。

國(guó)內(nèi)外比較成熟的精密單點(diǎn)定位軟件有以下幾種:瑞士BERNE大學(xué)研制的GPS數(shù)據(jù)處理軟件BERNESE 5.0;加拿大卡爾加里大學(xué)開發(fā)的P3軟件;諾瓦泰公司的GrafNav7.8及更高版本;加拿大APPLANiX公司的POSPacAIR軟件;挪威Terra-Tec公司推出的TerraPOS軟件;瑞士Leica公司的精密動(dòng)態(tài)單點(diǎn)定位軟件IPAS PPP;國(guó)內(nèi)的有武漢大學(xué)開發(fā)研制的PANDA軟件以及張小紅教授研制開發(fā)的Trip軟件等。

如果用戶沒有以上介紹的解算軟件也沒關(guān)系，因?yàn)槟壳笆澜绺鞯赜胁簧倏蒲袡C(jī)構(gòu)都開發(fā)了自己的在線定位服務(wù)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大部分都面向全球用戶免費(fèi)無(wú)限制使用，只要用戶將標(biāo)準(zhǔn)的Rinex格式的接收機(jī)文件上傳給在線定位服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)將定位結(jié)果發(fā)給用戶。目前，有以下5大機(jī)構(gòu)提供這類定位服務(wù):美國(guó)NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Auto－GIPSY(AG)、美國(guó)加州大學(xué)SOPAC的SCOUT、澳大利亞國(guó)家制圖局的AUSPOS、美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局的OPUS和加拿大自然資源部大地測(cè)量司(GSD)的CSRS－PPP。其中SCOUT、AUSPOS和OPUS三大系統(tǒng)采用網(wǎng)平差的解算方式進(jìn)行定位解算，它們會(huì)自動(dòng)選擇上傳站點(diǎn)附近3個(gè)IGS或CORS參考站一起平差。Auto－GIPSY(AG)與CSRS－PPP則采用精密單點(diǎn)定位的方式定位[3]。

4 應(yīng)用實(shí)例及精度分析

為了檢驗(yàn)精密單點(diǎn)定位技術(shù)在實(shí)踐中的可操作性以及可以達(dá)到的精度，筆者選擇了河北省地礦局秦皇島礦產(chǎn)水文工程地質(zhì)大隊(duì)近年所做的青龍縣D級(jí)GPS控制網(wǎng)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)處理采用在線定位服務(wù)系統(tǒng)和張小紅教授的Trip1.0進(jìn)行對(duì)算，互為檢核。

進(jìn)行計(jì)算之前，首先將其原始數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為包含正確天線高的 Rinex通用數(shù)據(jù)格式，然后到 http://garner.ucsd.edu/(加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校)網(wǎng)站下載各個(gè)GPS觀測(cè)文件所對(duì)應(yīng)日期的IGS精密星歷以及精密鐘差文件。

鑒于美國(guó)噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站的在線定位系統(tǒng)無(wú)需注冊(cè)，且具有操作簡(jiǎn)便，解算快捷等優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)據(jù)解算選擇在此網(wǎng)站上進(jìn)行。具體操作步驟為:首先登陸網(wǎng)站首頁(yè) http://apps.gdgps.net/，然后選擇“即時(shí)定位”進(jìn)入頁(yè)面，見圖1。

圖1 上傳準(zhǔn)備好的Rinex文件Fig.1 Upload Rinex files which apoised

各個(gè)選項(xiàng)均為默認(rèn)值無(wú)需修改，在瀏覽框里選擇要上傳進(jìn)行解算的Rinex文件，然后點(diǎn)擊“Upload”按鈕開始上傳，在等待幾分鐘后(具體時(shí)間視網(wǎng)速而定)數(shù)據(jù)解算完畢自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到下一頁(yè)面，如圖2所示。

最上方顯示上傳的觀測(cè)文件名稱，下面一行依次是解算出來(lái)的緯度、經(jīng)度和大地高，此網(wǎng)頁(yè)內(nèi)嵌了Google Map，解算出來(lái)的點(diǎn)位被自動(dòng)標(biāo)注在圖上，非常直觀且便于瀏覽查看。

接下來(lái)使用Trip1.0軟件(試用版)對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行解算，分別將Rinex格式的O文件和N文件以及對(duì)應(yīng)的精密星歷文件、30 s間隔的精密鐘差文件導(dǎo)入后計(jì)算出定位結(jié)果，過程如圖3所示。

圖2 解算出結(jié)果并標(biāo)注在Google Map中Fig.2 Calculated result and labeled on Google map

圖3 將精密星歷及鐘差文件導(dǎo)入TripFig.3 Precise ephemeris and clock errors file import Trip

在全部8個(gè)點(diǎn)解算工作完成后，將兩種方法解算出的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及大地高進(jìn)行比較，為了便于理解，將經(jīng)緯度地理坐標(biāo)投影到WGS-84橢球的3°分帶平面直角坐標(biāo)系中，并計(jì)算出兩種算法定位結(jié)果的點(diǎn)位較差列于表中，具體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 在線定位服務(wù)系統(tǒng)與Trip1.0軟件解算結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Contrast table between online positioning service and Trip1.0 solution results

從表1中可以看出:兩者點(diǎn)位較差最大0.113 m，最小0.036 m;高程較差最大0.133 m，最小0.052 m。這個(gè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)GPS絕對(duì)單點(diǎn)定位的精度，但是并沒有達(dá)到前文所介紹的精度。究其原因，除了兩種解算方法自身軟件模型方面差異因素外，還受以下因素的影響:觀測(cè)時(shí)間、對(duì)流層延遲、衛(wèi)星幾何精度因子GDOP數(shù)值等[4]。

5 在現(xiàn)階段測(cè)繪生產(chǎn)實(shí)踐中的意義

經(jīng)過國(guó)內(nèi)外專家近20年的不懈努力研究，PPP技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)日趨成熟，方便靈活的作業(yè)方式——單機(jī)作業(yè)無(wú)需聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)、以及令人滿意的定位精度——厘米級(jí)，在理想條件下甚至能達(dá)到毫米級(jí)精度等優(yōu)點(diǎn)，使其在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。比較常見的有用于GPS輔助空中三角測(cè)量中確定攝影中心的空間位置、海洋類測(cè)繪(包括海島(礁)測(cè)繪、海岸線測(cè)量、水深測(cè)量)、航道測(cè)量、1∶5 000以下中小比例尺地形測(cè)繪等。

精密單點(diǎn)定位技術(shù)還可以解決許多實(shí)際問題，比如獲得點(diǎn)位準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo)。長(zhǎng)期以來(lái)使用的WGS-84坐標(biāo)都是通過對(duì)控制網(wǎng)的三維無(wú)約束平差得到的，具體就是先指定網(wǎng)中某點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，然后以此點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)系經(jīng)緯度坐標(biāo)以及大地高為基準(zhǔn)進(jìn)行GPS網(wǎng)的無(wú)約束平差，通過無(wú)約束平差可以發(fā)現(xiàn)粗差改善GPS網(wǎng)的質(zhì)量，同時(shí)解算出整個(gè)控制網(wǎng)中所有點(diǎn)位相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)。但是通過研究發(fā)現(xiàn)直接測(cè)定的基準(zhǔn)點(diǎn)WGS-84坐標(biāo)精度較低，一般來(lái)說(shuō)會(huì)有幾米到幾十米的偏移，這顯然不是所需要的。

應(yīng)用精密單點(diǎn)定位技術(shù)，可以先準(zhǔn)確地計(jì)算出基準(zhǔn)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)，然后再進(jìn)行三維無(wú)約束平差從而獲得控制網(wǎng)內(nèi)其它點(diǎn)位的高精度WGS-84坐標(biāo)，上述問題迎刃而解。

PPP技術(shù)還可以應(yīng)用在WGS-84坐標(biāo)系到國(guó)家或地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)(7參數(shù)或者3參數(shù))計(jì)算中，過去往往由于參與計(jì)算的WGS-84坐標(biāo)不夠準(zhǔn)確，致使計(jì)算結(jié)果誤差較大，影響正常使用，現(xiàn)在問題也得到解決。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今世界科技飛速進(jìn)步，測(cè)繪地理信息行業(yè)的新技術(shù)、新方法發(fā)展迅猛，精密單點(diǎn)定位(PPP)技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，如今已經(jīng)為越來(lái)越多的測(cè)繪單位和技術(shù)人員所接受。通過實(shí)踐，表明PPP技術(shù)操作簡(jiǎn)便、精度較高，完全可以運(yùn)用在日常測(cè)繪生產(chǎn)工作中，從而更好的為經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。

[1]汪平，郝金明，沈國(guó)康，王浩宇.GPS單點(diǎn)定位觀測(cè)值的精度分析與改進(jìn)[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，29(3):141 －144.

[2]張寶成，歐吉坤，袁運(yùn)斌，鐘世明.基于GPS雙頻原始觀測(cè)值的精密單點(diǎn)定位算法及應(yīng)用[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2010，39(5):478 －483.

[3]李黎，戴吾蛟，李浩軍，蘇強(qiáng).AUSPOS在線定位系統(tǒng)研究分析[J].全球定位系統(tǒng)，2008(5):43－46.

[4]曹相，高成發(fā).GPS精密單點(diǎn)定位(靜態(tài))影響收斂速度的因素分析[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2007，30(1):19 －21.

Application of Precision Point Positioning Technique in Surveying and Mapping Production

WANG Yu-long，LI Xiu-li，WANG Jian-zhong
(Qinhuangdao Team of Mineral and Hydrogeology Engineering Geology，Hebei Bureau of Geo-exploration，Qinhuangdao Hebei 066001，China)

This paper first introduces the background，technical principles and operating characteristics of the PPP technique，then expounds the online location-based services and stand-alone software for data solver by examples，and analyzes the results accurately，in order to prove that the technology can be applied to the daily practice of surveying and mapping.

Precision Point Positioning;WGS-84;precision analysis

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1007－9394(2012)02－0023－03

2012－03－23學(xué)報(bào)》上發(fā)表文章，闡述了他們應(yīng)用JPL的GIPSY軟件進(jìn)行了類似精密單點(diǎn)定位原理的小區(qū)域網(wǎng)站的靜態(tài)定位試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明單天解也可達(dá)到厘米級(jí)定位精度。

王玉龍(1972～)，女，四川達(dá)縣人，工程師，現(xiàn)主要從事GIS制圖及測(cè)繪數(shù)據(jù)處理方面的工作。