GNSS精密单点定位技术及应用进展（二）
2023-06-10 12:10阅读：
（3）实时PPP进展
就定位模型和方法来讲,实时PPP和后处理PPP没有本质区别,但在实际的实现方式上还是有显著不同的,实时PPP必须要有实时的高精度卫星轨道和钟差产品的支持,且用户要能实时通过互联网或卫星通信链路获取实时PPP的概念最早是由JPL的Muellerschoen等人提出的,他们利用实时计算的高精度轨道和钟差改正信息,进行实时PPP定位服务试验结果表明,在全球范围内可望实现水平方向定位精度为10～20cm的实时动态定位
NavCom的Hatch也提出了利用JPL实时定轨软件RTG实现全球RTK计划,通过因特网和地球静止通信卫星向全球用户发送精密星历和精密卫星钟差修正数据,利用这些修正数据,实现2～4dm的实时动态定位,收敛速度需要30min随后VeriposOminiStar和Trimble等商业公司,采用相类似的方法,基于自己建立全球跟踪站网的实时数据流,研发实时精密定轨和估钟软件,利用卫星通信链路播发加密
的轨道和钟差改正等信息,为海洋精密农业等用户提供商业实时PPP服务
2007年,国际GNSS服务组织(IGS)启动了实时计划项目(IGS—RTPP)在lGS—RTPP的协调下,目前全球范围已有超过100个跟踪站正在提供实时数据流利用这些IGS连续运行跟踪站的实时观测数据流,基于互联网可以实时估计并播发精密卫星钟差改正数及超快精密轨道产品目前国际上GFZCNES等机构正在研发实时精密单点定位系统,并在系统开发方面取得了一些初步成果,实时PPP在平面方向的定位精度为5cm,高程方向为10cm左右实时精密单点定位系统能够在有网络通信覆盖的全球区域内实现实时高精度和全天候的动态定位,且运营成本相对低廉,可在海上作业地震监测军事指挥交通运输灾害预警精细农业等众多潜在领域推广应用
从当前全球已实现的商业化的实时PPP系统来看,限制实时PPP应用的技术瓶颈依然存在,主要表现在已有的实时PPP商用产品的定位初始化时间较长,首次初始化时间及卫星失锁后的重新初始化时问一般需要20min甚至更长这严重制约着实时PPP技术的发展和应用
（4）PPP-RTK进展
随着实时PPP技术的发展以及非差模糊度固定方法的提出并逐步成熟,为了进一步改善实时PPP定位的精度可靠性和时效性,提出了PPP—RTK的概念,其基本思想是融合PPP和RTK两种技术的优势,利用局域网观测数据,精化求解相位偏差大气延迟等参数,重新生成的各类改正信息,并单独播发给流动站使用经过这些措施,实现了基于PPP模式的实时动态定位技术(PPP—RTK)正如前文所述,PPP模糊度可以固定为整数,但问题是初始化时间较长为了缩短PPP初始化时间,借鉴网络RTK误差处理的思想,提出利用较密集的CORS网增强PPP的概念和方法,解决了非差模糊度的快速固定难题,实现了PPP模式的网络RTK定位原型系统
基于S-system理论,Teunissen从理论上对比分析了6组PPP—RTK模型的可估参数及改正数属性,建立了不同模型之间的相互转化关系针对信号短时中断所引起的PPP重新初始化的问题,利用波长为5.4cm的无几何距离组合观测值来实时修复非差周跳,进而达到连接失锁前后模糊度参数的目的还有人提出了利用模糊度已固定历元的大气延迟信息连接中断观测值的算法这些算法在信号短时中断时比较有效,但在数据中断超过几分钟或者发生电离层闪烁时会失效但是,为了保持PPP定位不依赖于密集参考网的支持这一独特优势,不采用CORS网来增强,在双频条件下,要实现PPP非差模糊度的快速(3～5min)初始化还具有相当的难度,这也是目前公认的制约厘米级实时PPP应用的技术瓶颈,亟需寻求新的方法突破这一难题有人提出了利用全球电离层模型约束信息缩短PPP初始化时间的方法,初始化时间得到了明显改善,但通常仍然需要15min左右
IGS现在已能提供成熟的实时轨道和钟差产品目前实时轨道和钟差的精度可满足PPP实时模糊度固定的需要提出了一种基于原始观测值的顾及大气约束的PPP模型与方法该方法不仅可以将PPP和网络RTK集成为无缝的定位服务,而且将这两个技术融合为一个统一的模型和算法该方法可以缩短全球PPP的初始化时间,也可以补偿由站间距离大而引起的残余系统误差对增强PPP的影响,但这要取决于先验大气延迟的精度
（5）多频多系统PPP进展
随着BeiDouGalileo等卫星系统的建设和发展,多频多系统融合GNSS精密定位已成为GNSS精密定位的发展趋势为了促进多系统GNSS间的兼容和互操作能力,IGS于2003年成立多系统GNSS工作组(multi—GNSS
working
group,MGWG),并于2012年开始建立多系统GNSS试验跟踪网(MGEX)该跟踪网的建立为多系统组合PPP的研究和试验创造了条件先后研究了GPS/GLONASS组合精密单点定位,结果表明组合GLONASS后,PPP的收敛速度有显著改善提出了利用GLONASS观测信息辅助GPS/BDS单/双系统模糊度固定的思路,进一步改善了PPP固定解性能
结果表明:加入GLONASS观测值为PPP提供了更多的冗余信息,系统抗粗差能力更强,可将PPP固定解的首次固定所需时间减少约10～30%,显著缩短了PPP首次固定时间,提高了历元固定率对GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo四系统组合精密单点定位模型进行了研究,并分析了四系统联合精密单点定位的性能在多频PPP方面,研究了多种三频GPS线性组合PPP模型,相对双频PPP将收敛时间缩短了10%左右提出了一种考虑GPS
inter—frequency clock
bias(IFCB)建模及改正的三频PPP模型,将水平和高程分量的定位精度改善了20%左右从函数和随机模型两方面对比了两类常用的无电离层组合和一组原始观测值PPP模型,其结果表明在动态观测条件较弱的情况下,加入第三频观测值可有效改善定位性能
当前,多频多系统PPP研究主要围绕实数解PPP开展在三频PPP模糊度解算方面,三频PPP模糊度的初始化时间可缩短至数十个历元用实测的中国区域的BDS数据,基于三频原始观测值模型,结果表明固定超宽巷和宽巷模糊度可显著改善定位性能
（二）PPP技术应用进展
精密单点定位采用非差模型,只利用一台接收机的观测数据就可以同时解算得到ITRF框架下的位置坐标接收机钟差电离层延迟对流层延迟等参数,因此与差分定位技术相比,精密单点定位在精密时间传递地震监测电离层建模水汽监测等方面又具有独特的应用优势PPP技术已被逐步应用于海陆空不同载体的高精度动态和静态定位精密授时低轨卫星的精密定轨GPS气象地球动力学等诸多地学研究及工程应用领域,具有重要的应用前景
在精密静态/动态定位和授时方面,利用精密单点定位技术对GPS浮标进行动态定位,实现了分米级的局部海平面变化监测精度将精密单点定位技术成功应用于南极Amery冰架动态监测,获得了冰架前端的流速和流向,并恢复出了南极海域的潮汐信包括海潮半周日和周日变化参数将精密单点定位应用于GPS辅助空中三角测量,取得和差分相当的结果
在低轨卫星定轨方面,利用精密单点定位技术对CHAMPGRACE卫星进行定轨,取得了事后dm级的定轨精度采用纯几何法对GRACE卫星定轨,取得了单天3～5cm的轨道精度利用少量IGS跟踪站的观测数据,通过计算未检校的相位小数偏差改正信息,并播发送给用户使用,实现了基于PPP固定解的快速精密定轨系统目前,PPP已成为低轨卫星定轨的主要技术手段之一
在GNSS水汽遥感方面,采用精密单点定位技术对德国境内170个站网为期2a的观测数据进行分析,获得了1～2mm的近实时综合水汽含量将精密单点定位技术应用于海洋水汽监测,利用其得到的天顶对流层湿延迟反演大气可降水量(PWV),其数值与无线电探空仪和船载水汽辐射计的测量结果吻合较好,差异仅为2～3mm采用快速精密星历和快速精密钟差,近实时地反演了美国SumitNet网中8个测站的可降水量,获得了优于1mm的PWV值通过与ECMWF数值天气模型进行对比,结果表明多GNSS组合PPP可反演出精度更高可靠性更强几何分布更均匀的实时对流层产品用GNSS/VLBI并址站数据的研究结果表明GPS和GLONASS单系统实时PPP估计PWV的精度相当,双系统解精度相对单系统更高
在地震监测方面,PPP技术具有独特优势,近10年来,先后有一大批学者开展了相关方面的工作大地震引起的地面运动可以波及到几千千米之外,此时采用相对定位的方法,通常无法直接获得震区内GPS测站的同震位移系列,而PPP技术不在依赖参考站,可以单站获得同震位移系列基于高频GPS数据(1Hz)成功恢复出Denali地震瞬时地表形变位移,其结果与地震仪观测的结果能很好地吻合,为高采样GPS观测数据获取地震波信号的研究提供了可行性利用PPP技术获得Tohoku地震期间近场区GPS测站的瞬时位移,并根据地震发生后90～100S内的位移量反演出近似断层滑动模型,进而推估地震震级为Mw8.8,而根据地震仪在地震发生后120S确定的震级只有Mw8.1
在电离层建模方面,采用非组合精密单点定位方法求解电离层TEC的方法由于相位观测值的观测噪声和受多路径影响较小,基于非差非组合PPP模型,利用相位观测值提取电离层TEC,将大大提高电离层TEC的提取精度,进而大幅提高电离层建模精度随着PPP模糊度固定技术的发展和成熟,基于PPP固定解技术提取电离层TEC,其结果表明精度更高采用PPP固定模糊度的网解方式提取电离层TEC方法,电离层TEC的提取精度达0.1TECU,这为今后建立更高精度的电离层模型提供了可能
（三）PPP技术展望
精密单点定位技术从提出到现在已有近20年的时间,PPP理论方法技术和应用都取得了长足的发展,并逐步走向成熟但是,PPP技术还存在几大问题需要解决:
PPP的初始化时间;
PPP技术的成熟度仍然不及网络RTK技术
地基区域CORS增强虽然可以缩短PPP的初始化时间,但需要和网络RTK基本一样密度的地面参考站网的支持,PPP技术的优越性无法真正体现随着多频多模GNSS系统的出现,给PPP技术的研究带来了新的机遇和挑战一方面多系统组合并引人多频观测,有可能解决PPP的模糊度快速固定问题,并进一步提高PPP技术的可靠性和可用性
目前,BeiDou所有工作卫星都能发射三频信号此外,还有多颗GPS
Block
—F卫星和Galileo卫星可以播发三频信号这些三频信号为开展三频PPP固定解方法的研究创造了实际条件在双差相对定位模糊度解算中已经证明三频信号能显著改善模糊度的搜索空间,提高模糊度解算的效率和可靠性,加快模糊度的解算速度TCAR/MCAR等多频模糊度解算方法已经在短基线相对定位中得到了成功应用这为实现PPP非差模糊度的快速确定,进而解决PPP初始化时间长的问题提供了可供借鉴的解决思路
但另一方面,多系统组合定位需要处理包括系统间偏差频间偏差频内偏差等带来的一系列新的偏差参数,这给精密单点定位的数据处理带来新的问题PPP一般采用IGS的卫星钟差和轨道,IGS精密卫星钟差是以双频无电离层组合伪距为基准估计的因此PPP定位模型中,如果利用非组合观测值,或采用与IGS双频组合不同的其他组合观测值建立观测方程时,需考虑不同频率不同观测值类型上的卫星端和接收机端的硬件延迟(hardware
delays)的影响,包括同频率上的码偏差(intra—frequency
biases)和频间偏差(inter—frequency
biases)目前IGS只发布了GPS卫星端同一频率上的P1-C1的差分码偏差(DCB),只能满足GPS单频和双频PPP定位要求
此外,BeiDouGalileo等新卫星的天线相位中心,卫星端硬件延迟偏差GNSS系统间偏差等各种误差模型的精化还有不少提升空间随着Multi—GNSS的发展,模型算法和软件的改进,GNSS卫星轨道和卫星钟差的精度也还有改善空间,特别是实时精密轨道和钟差产品,以及电离层甚至对流层产品的时空分辨率的改善,这些都将为进一步提升实时PPP的实用性提供了可能性特别是近年来提出的基于低轨星座的卫星导航或者低轨星座增强的GNSS,由于其几何变化非常快,可能能够从根本上解决PPP快速初始化的问题
