任曉東,張柯柯,李星星,2,張小紅
1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院,湖北 武漢430079;2.德國地學(xué)研究中心,波茨坦14473
GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)(precise point positioning,PPP)由于無須自己架設(shè)地面基準(zhǔn)站,不受作業(yè)距離的限制,機(jī)動(dòng)靈活,單機(jī)作業(yè),使用成本低,可直接獲得與國際地球參考框架(ITRF)一致的高精度測站坐標(biāo)的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于低軌衛(wèi)星的精密定軌、GPS氣象、海陸空不同載體的高精度動(dòng)態(tài)和靜態(tài)定位、精密授時(shí)、GPS地震學(xué)、地球板塊運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)研究等諸多地學(xué)研究及工程應(yīng)用領(lǐng)域[1-10]。但是,單 GPS系統(tǒng)精密單點(diǎn)定位技術(shù)仍然存在諸多不足,使得在某些領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制,如較長的收斂時(shí)間導(dǎo)致其無法在實(shí)時(shí)快速定位領(lǐng)域得到應(yīng)用。單GPS系統(tǒng)在一定區(qū)域內(nèi)可見衛(wèi)星數(shù)的有限,使其在城市、山區(qū)等遮擋嚴(yán)重的復(fù)雜環(huán)境中無法獲得高精度定位結(jié)果。目前,隨著各國各地區(qū)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展,過去單一的GPS系統(tǒng)時(shí)代正逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞到y(tǒng)并存且兼容的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite systems,GNSS)時(shí)代[11],其4大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)和歐盟的Gailieo系統(tǒng))的在軌衛(wèi)星數(shù)已達(dá)74顆。更多的可見衛(wèi)星數(shù),使得山區(qū)、城市等可見衛(wèi)星數(shù)較少的區(qū)域定位服務(wù)能力大大提高;新的信號(hào)結(jié)構(gòu)將提高抗干擾能力和降低多路徑的影響;多頻衛(wèi)星信號(hào),也將為模糊度固定和電離層高階項(xiàng)誤差的消除提供新途徑。因此,多系統(tǒng)融合的GNSS精密單點(diǎn)定位已成為當(dāng)前GNSS精密定位技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。目前,已有學(xué)者研究表明:多系統(tǒng)組合PPP可以有效提高定位精度和收斂速度,但是這些研究主要以GPS-GLONASS組合、GPS-BeiDou組合、GPS-Gailieo等雙系統(tǒng)組合為主[10-21],對(duì)4系統(tǒng)融合的PPP定位研究較少。4大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的相繼建成與完善以及IGS也提供相應(yīng)的精密星歷、精密鐘差等產(chǎn)品,為4系統(tǒng)融合PPP的提供了條件?;诖?,本文重點(diǎn)對(duì)4系統(tǒng)融合的PPP進(jìn)行研究,分析了在不同高度角下4系統(tǒng)融合PPP靜態(tài)解、動(dòng)態(tài)解結(jié)果,分析了其定位精度、收斂時(shí)間以及定位穩(wěn)定性,并與單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)組合的PPP結(jié)果進(jìn)行了比較。
對(duì)于一個(gè)雙頻GNSS接收機(jī),在傳統(tǒng)的精密單點(diǎn)定位算法中,一般采用無電離層組合的觀測值來消除電離層延遲一階項(xiàng)的影響,其觀測方程如下
在傳統(tǒng)單GNSS定位模型的基礎(chǔ)上,綜合考慮系統(tǒng)間時(shí)間偏差和頻間偏差的影響,可以得到如下多系統(tǒng)PPP的觀測方程
式中,G、R、E、C 分 別代表 G PS、GLONASS、Galileo和 BeiDou 衛(wèi) 星;、分 別 是GALILEO、BeiDou相對(duì)于GPS的系統(tǒng)間偏差;Rk中的k代表GLONASS衛(wèi)星的頻率號(hào)是GLONASS衛(wèi)星相對(duì)于GPS的系統(tǒng)間偏差。值得注意的是,GLONASS的系統(tǒng)間偏差是與測站i和衛(wèi)星j相關(guān)的,而北斗和伽利略的、是與衛(wèi)星無關(guān)的,這是因?yàn)镚LONASS采用頻分多址(frequency division multiple access,F(xiàn)DMA)的信號(hào)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致每顆衛(wèi)星存在的頻率偏差延遲均不一致;其余符號(hào)與式(1)和式(2)中類似。
本文觀測模型采用無電離層組合的多系統(tǒng)PPP模型,參數(shù)估計(jì)方法使用擴(kuò)展卡爾曼濾波EKF,待估計(jì)的參數(shù)包括接收機(jī)位置、天頂對(duì)流層延遲、接收機(jī)鐘差、系統(tǒng)偏差等,其中,接收機(jī)的位置參數(shù)(x,y,z)分別進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)處理;模糊度、靜態(tài)坐標(biāo)、系統(tǒng)偏差參數(shù)作為常量進(jìn)行估計(jì);接收機(jī)鐘差、動(dòng)態(tài)坐標(biāo)當(dāng)作白噪聲進(jìn)行處理;對(duì)流層延遲濕分量采用隨機(jī)游走過程模擬。濾波過程中,依據(jù)動(dòng)態(tài)模型將前一歷元狀態(tài)向量預(yù)測到當(dāng)前歷元。在測量更新過程中利用觀測信息求解狀態(tài)向量及其方差協(xié)方差。所需要的精密軌道、精密鐘差等精密產(chǎn)品均由IGS各分析中心提供。衛(wèi)星端和接收機(jī)端天線相位中心偏移(PCO)和天線相位中心變化(PCV)使用IGS提供的ANTEX文件改正。但由于目前IGS只提供了粗略的BDS衛(wèi)星端PCO改正,尚無機(jī)構(gòu)或組織提供BDS衛(wèi)星端PCV以及接收機(jī)端的PCO與PCV信息,因此無法進(jìn)行精確的PCO及PCV改正。其他詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理策略如表1所示。
表1 Multi-GNSS PPP數(shù)據(jù)處理策略Tab.1 Processing strategy of static and Kinematic PPP for multi-GNSS
試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取了全球多系統(tǒng)定位服務(wù)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)(the multi-GNSS experiment,MGEX)及中國北斗實(shí)驗(yàn)觀測網(wǎng)(BeiDou experimental tracking network,BETN)部分測站2014年6月1日至2014年6月30日總計(jì)30 d的觀測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采樣率30 s。本 文 分 別 對(duì) 單 系 統(tǒng) (單 GPS、單GLONASS、單BeiDou、單Galileo,簡寫為 G、R、C、E)、多系統(tǒng)組合(GPS+GLONASS、GPS+BeiDou、GPS+Galileo、GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo,簡寫為GR、GC、GE、GREC)共8種模式,評(píng)估其不同模式下的PPP定位性能(靜態(tài)精度、動(dòng)態(tài)精度、收斂性性、不同高度角下定位性能)。
圖1為以GMSD測站為例的靜態(tài)PPP解算結(jié)果,其子圖(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為 G、R、C、E、GREC的定位結(jié)果。為了便于比較不同系統(tǒng)及組合的定位收斂速度,圖中僅顯示了2014年6月1日前2 h的結(jié)果,其中綠色、藍(lán)色、紅色的線分別代表東方向(East)、北方向(North)、天頂方向(UP)。圖2給出了靜態(tài)PPP時(shí)段解(時(shí)段分為10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、12 h)的精度,特別注意的是BeiDou和GLONASS在10 min的時(shí)候其RMS已超過30 cm,圖上為了顯示清楚,圖2將10 min時(shí)RMS值超過30 cm的結(jié)果取值為30 cm。圖中圓圈、上三角、正方形、星號(hào)、五角星、下三角分別代表GPS、GLONASS、BeiDou、GR、GC、GREC的時(shí)段解 RMS值,從左到右的3幅子圖分別為E、N、U 3個(gè)方向。
由圖1可以看出,在測站GMSD的單系統(tǒng)定位中,由于GPS和GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)在軌衛(wèi)星數(shù)較多,定位精度和收斂速度要優(yōu)于BeiDou和Galileo,其結(jié)果在20~30 min左右可收斂在10 cm以內(nèi);由于BeiDou和Galileo衛(wèi)星數(shù)較少,其定位結(jié)果較差,特別是Galileo在大多數(shù)情況下無法完成連續(xù)PPP定位,2 h內(nèi)只有N方向定位精度收斂到30 cm以內(nèi),而其他方向則遠(yuǎn)大于50 cm。而BeiDou系統(tǒng)的定位結(jié)果在80 min以后,其結(jié)果才能達(dá)到10 cm左右。由圖1(e)可以看出,多系統(tǒng)融合后,能有效加快PPP的收斂速度,其GREC收斂時(shí)間僅需要10 min左右,而且其定位結(jié)果的穩(wěn)定性也有一定幅度的提高,但高程方向相對(duì)于平面方向無論是單系統(tǒng)還是多系統(tǒng)仍然存在較大的偏差。
圖1 2014年6月1日 GMSD 測站(30.55°N,131.01°E)不同系統(tǒng)及組合的PPP靜態(tài)解結(jié)果Fig.1 Static PPP solutions of single-system,dualsystem and four-system modes at station GMSD (30.55°N,131.01°E),on June 1,2014.
圖2 不同時(shí)段長度解的靜態(tài)PPP定位精度及收斂速度(10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h、12 h)Fig.2 RMS values of static PPP solutions with different session lengths(10 min、15 min、30 min、1 h、2 h、4 h、6 h and 12 h)in single-,dual-and four-system modes.
由圖2的結(jié)果可以看出,組合后的PPP定位結(jié)果在很短的時(shí)間便能達(dá)到較高的定位精度,如GREC的10 min時(shí)段解RMS值E、N、U方向便達(dá)到了11.35、4.82、12.36 cm,30 min左右各方向RMS值就可以收斂到5 cm,而單GNSS的結(jié)果要想達(dá)到同樣的精度需要1 h左右。圖中由于Galileo衛(wèi)星數(shù)較少,較多情況下沒有足夠的可見衛(wèi)星,所以并未給出其結(jié)果。在雙系統(tǒng)組合中(GR、GC),對(duì)單系統(tǒng)定位結(jié)果也有較為明顯的提高,和4系統(tǒng)組合一樣,其收斂時(shí)間顯著縮短,約1 h左右其RMS值可以收斂到2~3 cm。
圖3 部分測站PPP動(dòng)態(tài)解定位誤差的RMS值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Daily RMS values of single-system,dual-system and four-system kinematic PPP solutions
同樣采用3.1節(jié)介紹的數(shù)據(jù)處理策略和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,對(duì)各測站進(jìn)行動(dòng)態(tài)PPP定位并對(duì)其結(jié)果的RMS值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖3給出了部分測站 (CHDU、SIGP、ABMF、BRST、CUT0、LMMF、NNOR、GMSD)動(dòng)態(tài)PPP定位結(jié)果的統(tǒng)計(jì)RMS值。圖3(a)、(b)中(CHDU、SIGP)為僅有BeiDou和GPS數(shù)據(jù)的雙系統(tǒng)測站,所以圖中給出了單GPS、單BeiDou、GPS和BeiDou組合(GC)3種模式N、E、U方向的RMS結(jié)果,其中藍(lán)色、綠色、紅色分別為G、C、GC。后6幅子圖為其他多系統(tǒng)測站不同系統(tǒng)組合動(dòng)態(tài)PPP的統(tǒng)計(jì)RMS值。由圖3可以看出,組合后的結(jié)果要優(yōu)于單GNSS的結(jié)果,特別是四系統(tǒng)的組合能顯著提高定位精度,但是由于單GNSS本身能夠達(dá)到較高的定位精度(高度角為7°時(shí)),所以其多系統(tǒng)組合對(duì)水平方向的改善比較有限,但是對(duì)于高程方向卻有非常顯著的改善。
圖4給出了以GMSD測站為例,在不同衛(wèi)星高度角下(左圖為10°、右圖為40°)單 GPS與GREC組合的定位結(jié)果(其中,紅色為GPS、綠色為GREC),其中圖4(a)、(b)、(c)分別為E、N、U方向單GPS與GREC組合的定位結(jié)果;圖4(d)為不同時(shí)刻單GPS與GREC的可見衛(wèi)星數(shù)。從圖4中可以看出,高度角對(duì)單系統(tǒng)影響較大,而對(duì)多系統(tǒng)組合影響較小。當(dāng)高度角為40°時(shí),多系統(tǒng)融合仍然可以得到高精度的定位結(jié)果,而且其定位結(jié)果的穩(wěn)定性也要優(yōu)于單系統(tǒng)。隨著高度角的增加,單系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)迅速減少,而多系統(tǒng)組合時(shí)從高度角10°到40°時(shí)可見衛(wèi)星數(shù)一直保持在10顆以上,這也是多系統(tǒng)融合定位結(jié)果的穩(wěn)定性和精度要優(yōu)于單系統(tǒng)的原因。值得注意的是,當(dāng)截止高度角被選取的較高時(shí),天頂方向的位置分量和ZTD的可分離性將越來越差,導(dǎo)致多系統(tǒng)對(duì)高程方向的貢獻(xiàn)比較有限,但是當(dāng)單系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)不足時(shí),多系統(tǒng)仍然能夠體現(xiàn)出它的優(yōu)勢。
圖4 測站GMSD單系統(tǒng)與多系統(tǒng)組合在不同高度角下的PPP定位精度及其可見衛(wèi)星數(shù)Fig.4 Comparisons of PPP results in single-and multi-system modes under different cut-off elevation angles(10°and 40°)at station GMSD and the corresponding satellite numbers and PDOP values
本文基于MGEX網(wǎng)的大量實(shí)測數(shù)據(jù),主要從定位精度和收斂速度兩個(gè)方面,研究分析了單系統(tǒng)、雙系統(tǒng)和4系統(tǒng)融合PPP動(dòng)態(tài)/靜態(tài)定位性能,以及在不同高度角下單系統(tǒng)和不同系統(tǒng)組合的PPP定位精度和收斂性。得到以下結(jié)論:
(1)在單系統(tǒng)觀測幾何構(gòu)型不理想的地方,多系統(tǒng)融合的PPP動(dòng)態(tài)與靜態(tài)定位結(jié)果的精度要明顯優(yōu)于單系統(tǒng),而且其解的穩(wěn)定度也有較好的提高。在收斂速度方面,多系統(tǒng)融合的靜態(tài)PPP時(shí)段解收斂速度相對(duì)于單系統(tǒng)也提高較為明顯,如以GMSD測站為例,同樣獲得10 cm左右的定位精度,單GPS需要1 h左右而多系統(tǒng)融合則只需要30 min左右即可。
(2)在不同高度角情況下,單系統(tǒng)定位性能會(huì)隨截止高度角的增加而迅速變差,特別是截止高度角大于30°時(shí),其定位結(jié)果可靠性較低。而多系統(tǒng)融合后,截止高度角為40°時(shí),其動(dòng)態(tài)定位水平精度仍然可以達(dá)到厘米級(jí),且其解較為穩(wěn)定。這對(duì)于GNSS在山區(qū)、城區(qū)以及遮擋較為嚴(yán)重的區(qū)域有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。
(3)多系統(tǒng)融合由于其可見衛(wèi)星數(shù)的增加,信號(hào)質(zhì)量的提高,不僅能夠有效提高定位導(dǎo)航的能力(精度更高、穩(wěn)定性更高、城市和山區(qū)等特殊地區(qū)的連續(xù)定位),而且可為大氣探測、地殼形變監(jiān)測等提供更有效的技術(shù)手段,如提高形變監(jiān)測的能力,提高電離層、對(duì)流層提取的精度,以及解決單系統(tǒng)目前進(jìn)行大氣探測時(shí)空間分辨率低的問題等。
致謝:感謝IGS提供多系統(tǒng)精密軌道和鐘差產(chǎn)品以及IGSMGEX提供多系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)。
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