GNSS非差非組合精密單點(diǎn)定位的理論方法與應(yīng)用研究

張寶成

中國(guó)科學(xué)院 測(cè)量與地球物理研究所，動(dòng)力大地測(cè)量學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430077

由美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo和中國(guó)“北斗”聯(lián)合組成的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）現(xiàn)已廣泛地服務(wù)于地球和空間科學(xué)領(lǐng)域。最優(yōu)地融合各類(lèi)GNSS的觀測(cè)數(shù)據(jù)，以快速、準(zhǔn)確地估計(jì)位置、速度、時(shí)間、大氣等參數(shù)，是當(dāng)前和未來(lái)階段的研究熱點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)此目的，本文對(duì)精密單點(diǎn)定位（precise point positioning，PPP）技術(shù)實(shí)施了一系列的改進(jìn)，完善了其模型算法，彌補(bǔ)了其技術(shù)缺陷，拓展了其應(yīng)用范圍。本文的研究主線安排如下：

完善標(biāo)準(zhǔn)PPP的模型和算法。自被提出至今，PPP技術(shù)較多地采用“消電離層組合”的非差偽距和相位作為基本觀測(cè)量。在觀測(cè)域消除電離層將放大多路徑效應(yīng)，且不便于約束電離層延遲的時(shí)空變化。為此，本文提出基于GNSS原始觀測(cè)值的“非組合”P(pán)PP概念，以克服上述不足。其中，電離層延遲被作為一類(lèi)待估參數(shù)，其短期變化被合理地模型化為隨機(jī)游走過(guò)程。同時(shí)，顧及了衛(wèi)星姿態(tài)異常對(duì)改正兩類(lèi)系統(tǒng)誤差（即相位繞轉(zhuǎn)和衛(wèi)星相位中心偏差）的影響。與標(biāo)準(zhǔn)PPP相比，非組合PPP的收斂時(shí)間較短（特別是高采樣率觀測(cè)數(shù)據(jù)），參數(shù)解可靠性更高。特別的，非組合PPP能提供準(zhǔn)確的電離層信息，可作為利用GNSS研究電離層的一種新手段。

豐富參考網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理理論。與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位（RTK）相比，標(biāo)準(zhǔn)和非組合PPP存在一個(gè)共同的缺陷：無(wú)法實(shí)現(xiàn)整周模糊度固定，導(dǎo)致收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。其根本原因在于，PPP的模糊度參數(shù)中吸收了衛(wèi)星相位偏差，因此不再具備整周特性。為此，先后有研究提出利用全球或區(qū)域GNSS參考網(wǎng)估計(jì)衛(wèi)星相位偏差，以用作PPP的額外改正信息。本文將現(xiàn)有參考網(wǎng)數(shù)據(jù)處理方法歸納為3類(lèi)，推導(dǎo)了它們的模型等價(jià)性，并概括了它們的實(shí)施差異。特別的，本文詳細(xì)地分析了3類(lèi)方法的典型不足，如側(cè)重于處理雙頻觀測(cè)值，無(wú)法有效地提供電離層改正等，由此掣肘了它們?cè)谖磥?lái)多頻、多模觀測(cè)條件下的適用性，同時(shí)也難以實(shí)現(xiàn)單頻PPP模糊度固定。

本文提出了一種直接處理非差、非組合GNSS觀測(cè)值的參考網(wǎng)函數(shù)模型，即非組合模型。為確保參數(shù)的可估性，采用S基理論識(shí)別了設(shè)計(jì)矩陣的列秩虧，以便于將部分參數(shù)定義為S基準(zhǔn)，同時(shí)確保：①可估的（接收機(jī)和衛(wèi)星）偽距和相位偏差仍具備時(shí)不變特性；②可估的模糊度仍保留整周特性，互相獨(dú)立且數(shù)量最多。在濾波實(shí)施中，當(dāng)相鄰歷元所定義的S基準(zhǔn)發(fā)生改變時(shí)，為確保濾波連續(xù)，還需要采用S轉(zhuǎn)換對(duì)上一歷元的濾波值實(shí)施等價(jià)變換。

非組合模型具備處理不同范圍（全球、廣域和局域）參考網(wǎng)數(shù)據(jù)的能力。針對(duì)某類(lèi)參考網(wǎng)，還可以靈活地處理單頻、雙頻和多頻數(shù)據(jù)?；谀尘钟蚓W(wǎng)的雙頻GPS數(shù)據(jù)，本文利用非組合模型估計(jì)了衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星相位偏差和電離層延遲，并重點(diǎn)考察了衛(wèi)星相位偏差的穩(wěn)定性和電離層延遲的內(nèi)插效果。進(jìn)而，分別驗(yàn)證了單頻和雙頻PPP模糊度固定的效率和靜、動(dòng)態(tài)定位精度。此外，采用非組合模型分析若干零／短基線的雙頻GPS數(shù)據(jù)，估計(jì)了兩臺(tái)接收機(jī)的相對(duì)儀器偏差，并發(fā)現(xiàn)了其中較為顯著的短期變化趨勢(shì)，進(jìn)而否定了有關(guān)接收機(jī)儀器偏差在1～3天內(nèi)不隨時(shí)間變化的一般性認(rèn)知。

概括而言，本文對(duì)PPP算法的研究緊扣未來(lái)多頻、多模的應(yīng)用需求，并確保能提供高精度的單頻服務(wù)。從改善單測(cè)站PPP性能的角度出發(fā)，引申出一種更為實(shí)用的參考網(wǎng)數(shù)據(jù)處理模型，最終促進(jìn)了單測(cè)站PPP模型算法的完善和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。