不同解算策略對(duì)PPP的影響研究

常 晶

（華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210）

王濤濤等[1]根據(jù)精密單點(diǎn)定位原理，對(duì)4種不同時(shí)長（30 min、1 h、2 h、24 h）的GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了RTKLIB精密單點(diǎn)定位測試，分析了RTKLIB單點(diǎn)定位精度與時(shí)長的量化關(guān)系，并給出了實(shí)用性高的參數(shù)組合。管真等[2]分析了GNSS衛(wèi)星星歷幾種類型的精度，并對(duì)精密星歷進(jìn)行了詳細(xì)分析，將超快星歷、快速星歷和最終星歷對(duì)比后得出，快速星歷在精度上比較接近最終星歷，通過對(duì)比常用的幾種衛(wèi)星坐標(biāo)插值擬合方法，認(rèn)為采用Chebyshev多項(xiàng)式擬合方法對(duì)精密星歷進(jìn)行擬合插值，擬合效果比較好。何一辛等[3]利用IGS不同分析中心提供的精密軌道和鐘差產(chǎn)品，對(duì)全球分布的15個(gè)跟蹤站進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算得到了德國地學(xué)研究中心（GFZ）、歐洲航天局（ESA）及歐洲定軌中心（CODE）的產(chǎn)品較為優(yōu)秀而且在實(shí)際PPP解算時(shí)應(yīng)注意提高軌道產(chǎn)品精度。程贇等[4]利用ICS提供的綜合精密產(chǎn)品和不同分析中心的精密產(chǎn)品，比較分析了不同分析中心精密軌道和精密鐘差產(chǎn)品的區(qū)別，并基于RTKLIB比較不同分析中心精密產(chǎn)品PPP單天解相對(duì)于IGSPPP單天解的點(diǎn)位分量誤差，得出盡管不同分析中心的精密軌道和精密鐘差產(chǎn)品存在差異，但采用同一分析中心精密產(chǎn)品進(jìn)行精密單點(diǎn)定位時(shí)，其X、Y、Z坐標(biāo)分量偏差均在mm級(jí)，其點(diǎn)位定位誤差在2 mm～8 mm之間波動(dòng)，而且同一分析中心的軌道和鐘差產(chǎn)品具有自洽性和一致性。

1 RTKLIB精密單點(diǎn)定位算法分析

1.1 RTKLIB介紹

RTKLIB軟件選擇精密單點(diǎn)定位算法的情況下，解算步驟包含資料提取和處理、信息預(yù)處理、觀測建模以及誤差修復(fù)等。

在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS中，RTKLIB屬于重要標(biāo)準(zhǔn)，其來源于日本東京海洋大學(xué)，關(guān)鍵的功能如下。

1）允許各類GNSS系統(tǒng)的基礎(chǔ)以及精密定位算法，尤其是GPS、GLONASS等。

2）允許各類GNSS實(shí)時(shí)以及后處理模式，具體有單點(diǎn)定位、DGPS/DGNSS等。

3）允許各類GNSS標(biāo)準(zhǔn)格式以及協(xié)議：RINEX2.10、RINEX2.11等。

4）允許各類GNSS接收裝置專用數(shù)據(jù)協(xié)議模式：OEMStar、NVS等。

1.2 RTKLIB精密單點(diǎn)定位解算流程

RTKLIB內(nèi)部借助GPST（GPST時(shí)間）應(yīng)用到GNSS的數(shù)據(jù)處置以及定位算法方面。數(shù)據(jù)從RTKLIB內(nèi)展開處置前，應(yīng)當(dāng)調(diào)整成GPST時(shí)間。選擇GPST的主要因素在于防范處理潤秒。接收裝置以及衛(wèi)星的方位從RTKLIB內(nèi)體現(xiàn)成ECEF坐標(biāo)體系里的X、Y、Z軸。但是，能夠評(píng)估精密單點(diǎn)定位準(zhǔn)確性的坐標(biāo)屬于接收裝置方位的本地坐標(biāo)，即ENU坐標(biāo)，這一坐標(biāo)基本從GNSS導(dǎo)航處理?；诖?，ECEF坐標(biāo)至本地ENU坐標(biāo)存在轉(zhuǎn)換的問題，其轉(zhuǎn)換能夠借助旋轉(zhuǎn)矩陣解決。

RTKLIB的算法完善，導(dǎo)航以及定位能力卓越，能夠解決各類GNSS定位解算。從該軟件內(nèi)執(zhí)行精密單點(diǎn)定位需要依賴于RTKPOST功能組，其中涉及六個(gè)方面，能夠?qū)崿F(xiàn)資料提取和處理、模糊度運(yùn)算等功能。RTKLIB精密單點(diǎn)定位的算法流程如圖1所示。

圖1 RTKLIB精密單點(diǎn)定位算法流程圖

2 不同解算策略對(duì)精密單點(diǎn)定位性能的影響分析

本實(shí)驗(yàn)采用2015年1月1日J(rèn)FNG站的觀測數(shù)據(jù)。試驗(yàn)的具體策略如下。

1）先后借助向前、向后濾波展開了GPS-PPP靜態(tài)定位。

2）分別選取了15°、20°、30°和45°四個(gè)值進(jìn)行GPSPPP靜態(tài)定位。

3）分別使用精密單點(diǎn)定位靜態(tài)解算模式（PPP Static）、精密單點(diǎn)定位動(dòng)態(tài)模式（PPPKinematic）進(jìn)行比較。

4）不同對(duì)流層模型GPS-PPP靜態(tài)定位。

2.1 不同濾波方法對(duì)PPP收斂速度和定位精度的影響

為研究各種濾波方式在PPP收斂效率以及定位準(zhǔn)確性上的作用，圖2提到測站前/后向?yàn)V波GPS-PPP的定位情況。具體來看，E、N、U三種路徑當(dāng)中，前向?yàn)V波方式收斂效果優(yōu)于后向?yàn)V波，但是從穩(wěn)定性以及精度兩個(gè)層面的差異不明顯，對(duì)于RMS值，在測站前向?yàn)V波GPS-PPP當(dāng)中，RMS數(shù)據(jù)均低于后向?yàn)V波，并且，兩種測站RMS數(shù)據(jù)也沒有超過3 cm。所以，前向?yàn)V波法有利于增強(qiáng)收斂效率。在RMS數(shù)據(jù)來看，E路徑中，前向?yàn)V波法可以實(shí)現(xiàn)更低的RMS值，由此讓PPP精度有所提高，然而，N和U方向前向?yàn)V波法對(duì)PPP精度改善略差于E方向。所以，從展開PPP數(shù)據(jù)處理的階段借助前向?yàn)V波法能夠提升PPP收斂效率，降低收斂的時(shí)間損耗，并且在精度方面起到了優(yōu)化作用。

圖2 前/后向?yàn)V波PPP定位解算精度對(duì)比分析

2.2 不同衛(wèi)星截止高度角對(duì)PPP收斂速度和定位精度的影響

衛(wèi)星截止高度角主要作用在于限制遮擋物，或者多線路效應(yīng)下建立的蔽遮高度角，沒有達(dá)到這一角視空域的衛(wèi)星無需追蹤。

從展開精密單點(diǎn)定位靜態(tài)運(yùn)算階段，衛(wèi)星截止高度角能夠干預(yù)測站關(guān)于衛(wèi)星的觀察時(shí)間，并且還能影響觀測信息，而觀測信息屬于精密單點(diǎn)定位的重要參考依據(jù)。另一方面，衛(wèi)星截止高度角有差異的情況下，精密單點(diǎn)定位階段各方面誤差也會(huì)有一定的區(qū)別，其共同干預(yù)精密單點(diǎn)定位最后的運(yùn)算精確性。

本實(shí)驗(yàn)選擇2015年1月1日J(rèn)FNG站的觀測值，展開PPP靜態(tài)解算，確定15°、20°、30°、45°四個(gè)高度角，F(xiàn)NG測站的不同衛(wèi)星截止高度角下PPP定位解算精度對(duì)比分析如圖3所示。

圖3 JFNG測站不同衛(wèi)星截止高度角下PPP定位解算精度對(duì)比分析

根據(jù)上圖能夠得知，在各種截止高度角中，PPP收斂時(shí)間有一定的拉長，15°、20°的收斂時(shí)間較為相同，在0.5 h左右，如果高度角設(shè)定成30°的情況下，收斂時(shí)間拉長，基本處在1 h，如果高度角在45°情況下，解算缺乏穩(wěn)定性，定位同樣也面臨干預(yù)。

2.3 不同解算模式對(duì)PPP收斂速度和定位精度的影響

RTKLIB中有三類PPP解算方式，具體為靜態(tài)解算模式、動(dòng)態(tài)模式和固定模式。

1）靜態(tài)精密單點(diǎn)定位屬于目前最為普遍的一種定位模式，借助各個(gè)頻率觀測數(shù)據(jù)的相互結(jié)合，產(chǎn)生組合觀測值，應(yīng)對(duì)其中誤差，增強(qiáng)定位精度，不過考慮到參數(shù)估算方式難以解決高動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，從實(shí)踐上存在局限。

2）動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位模式。主要的原理在于借助MGEX精密星歷等，基于接收裝置的觀測信息展開動(dòng)態(tài)非差處置，實(shí)現(xiàn)精度要求。因?yàn)樵讵?dú)立性、動(dòng)態(tài)性等方面的優(yōu)勢，該技術(shù)從高精度動(dòng)態(tài)應(yīng)用方面體現(xiàn)了不可替代的作用。

實(shí)驗(yàn)納入了JFNG站2015年1月1日的測量信息，精密星歷主要選擇IGS提到的15 min間距的軌道以及鐘差產(chǎn)品，具體名為igs18775.sp3。

本實(shí)驗(yàn)依托于GPS單系統(tǒng)實(shí)施，而最后的結(jié)果儲(chǔ)存于格式為.pos的文件內(nèi)，結(jié)合RTKPLOT系統(tǒng)表現(xiàn)詳細(xì)的定位結(jié)果，F(xiàn)NG測站的不同定位模式下PPP定位結(jié)果精度分析如圖4所示。

圖4 JFNG測站的不同定位模式下PPP定位結(jié)果精度分析

根據(jù)上圖能夠發(fā)現(xiàn)，兩類定位模式均可以實(shí)施PPP解算，不過，E、N、U三種路徑當(dāng)中的誤差圖顯示，基于PPPStatic模式，輸出結(jié)果相對(duì)PPPKinematic更平穩(wěn)。在誤差程度上展開對(duì)比，PPPKinematic僅可以滿足亞米級(jí)精度要求，不過PPPStatic可以達(dá)成厘米級(jí)精度需求。

2.4 不同對(duì)流層模型對(duì)PPP收斂速度和定位精度的影響

涉及對(duì)流層干延遲誤差的問題，一般應(yīng)用ztd-est等模型，而對(duì)流層濕延遲誤差更加適用于隨機(jī)游走。

圖5先后體現(xiàn)了JFNG測站不同模型的GPS-PPP靜態(tài)定位誤差情況?；趫D5，選擇Saastamoinen模型的情況下，表現(xiàn)在PPP收斂速度以及精度方面的作用明顯，誤差和其余模型對(duì)比之下更差，尤其是U路徑中的誤差和其余兩條路徑對(duì)比更大，而選擇Estimate ZTD、Estimate ZTD+Grad的情況下，誤差更加可控，收斂效率更高，同時(shí)，兩個(gè)對(duì)流層模型收斂周期以及精度基本一致，Estimate ZTD+Grad表現(xiàn)出輕微的優(yōu)勢，且兩個(gè)模型的RMS數(shù)據(jù)都不超過2 cm，而Saastamoinen模型無法控制到3 cm內(nèi)。

圖5 JFNG測站的不同對(duì)流層改正模型下PPP定位結(jié)果

3 結(jié)論

通過不同解算策略對(duì)精密單點(diǎn)定位功能的影響探究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)施PPP數(shù)據(jù)處理的階段，借助前向?yàn)V波法能夠增強(qiáng)PPP收斂能力，并且在定位精度方面存在優(yōu)化作用；衛(wèi)星截止高度角在30°范圍內(nèi)幾乎不考慮PPP收斂方面的影響，若大于30°，則收斂速度和高度角反向變動(dòng)；在PPP解算中，如果與Kinematic模式對(duì)比，Static模式定位存在一定的精度優(yōu)勢；選擇Saastamoinen模型的情況下，PPP收斂速度、精度將面臨顯著的影響。從RTKLIB軟件來看，主要對(duì)周跳展開測量，但不展開修正，其算法的優(yōu)化有待探究。