閆建巧,陳明劍,汪威,尹子明,劉天恒

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001)

基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的增強(qiáng)PPP技術(shù)

閆建巧,陳明劍,汪威,尹子明,劉天恒

(信息工程大學(xué) 導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院,鄭州 450001)

摘要：傳統(tǒng)精密單點(diǎn)定位(PPP)由于受精密星歷與精密鐘差的限制,存在收斂慢、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題,因此,本文考慮基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的對(duì)流層延遲信息來(lái)增強(qiáng)PPP,使PPP在收斂速度上有一定的提高。本文詳細(xì)介紹了基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位技術(shù)現(xiàn)狀,并闡述了增強(qiáng)PPP原理及關(guān)鍵技術(shù),最后使用實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)PPP收斂速度有明顯的提高。

關(guān)鍵詞：地基增強(qiáng);PPP;實(shí)時(shí);動(dòng)態(tài);收斂速度

0引言

地基增強(qiáng)系統(tǒng)作為提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的高效、可靠手段,已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[1]。目前,我國(guó)正在大力推進(jìn)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的建設(shè),考慮基于此系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)PPP,對(duì)于推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用及提升PPP定位、導(dǎo)航等服務(wù)性能將有重大意義與應(yīng)用前景[2-3]。

較為成熟的PPP技術(shù)大多是利用布設(shè)于全球范圍 (如IGS)內(nèi)的跟蹤站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出的精密軌道和精密鐘差,采用單臺(tái)接收機(jī)的偽距和載波相位觀測(cè)量進(jìn)行定位解算[4-5]。對(duì)于對(duì)流層的改正也是采用模型法與參數(shù)估計(jì)法,本文考慮利用地基增強(qiáng)系統(tǒng)各基準(zhǔn)站的對(duì)流層延遲信息內(nèi)插流動(dòng)站用戶的對(duì)流層信息,并將該對(duì)流層信息作為先驗(yàn)信息來(lái)加快PPP的收斂。

目前基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的較為成熟的技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)RTK和PPP-RTK等。其中,PPP-RTK結(jié)合了PPP和RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),已成為目前研究的熱點(diǎn)。兩種技術(shù)都需要多個(gè)參考站,它們的重要區(qū)別是網(wǎng)絡(luò)RTK一般服務(wù)于參考站覆蓋范圍內(nèi)的用戶,而PPP-RTK可以服務(wù)于參考站外部的用戶。本文所述的增強(qiáng)PPP主要是利用先驗(yàn)的天頂對(duì)流層信息來(lái)約束PPP,以達(dá)到增強(qiáng)PPP的效果[6]。

針對(duì)以上定位技術(shù),本文采用實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)分析以上定位技術(shù)的效果,并分析了傳統(tǒng)PPP與加入先驗(yàn)對(duì)流層延遲信息的PPP靜、動(dòng)態(tài)收斂速度。

1地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成及定位技術(shù)

目前以局域參考網(wǎng)為核心的地基增強(qiáng)系統(tǒng)發(fā)展蒸蒸日上,且以北斗系統(tǒng)BDS為主的地基增強(qiáng)系統(tǒng)也正在逐步走向市場(chǎng)。通過(guò)處理參考網(wǎng)所采集的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),可獲取不同類(lèi)型的改正信息,服務(wù)于各種精密定位技術(shù)[7]。

傳統(tǒng)PPP主要依賴(lài)于全球范圍內(nèi)的廣域網(wǎng)發(fā)布的精密產(chǎn)品以及各項(xiàng)誤差改正模型,但這種廣域網(wǎng)并沒(méi)有發(fā)播空間大氣延遲誤差改正。這是由于全球網(wǎng)的地理范圍比較廣,測(cè)站布設(shè)相對(duì)局域網(wǎng)比較稀疏,難以實(shí)現(xiàn)大氣延遲的精確建模和預(yù)報(bào)[1]。所以,廣域網(wǎng)發(fā)布的產(chǎn)品中一般不包含大氣延遲,PPP技術(shù)對(duì)于大氣延遲誤差的改正也僅只是通過(guò)建模或參數(shù)估計(jì)的方法,以致使PPP的模糊度收斂所需時(shí)間比較長(zhǎng),精密位置的快速獲取性能比較差[5]。

1.1地基增強(qiáng)系統(tǒng)組成

地基增強(qiáng)系統(tǒng)一般有:連續(xù)運(yùn)行參考站、數(shù)據(jù)處理中心、通信鏈路、用戶等四大部分組成。連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)是系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施,為數(shù)據(jù)服務(wù)中心提供原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。通信鏈路是參考站與數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)中心與用戶相互聯(lián)系的通道[8]。

數(shù)據(jù)傳輸流程為:基準(zhǔn)站將采集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)處理中心處理數(shù)據(jù),生成改正信息產(chǎn)品,通過(guò)無(wú)線鏈路發(fā)給用戶。

本文所述的增強(qiáng)PPP思想是:假設(shè)用戶已獲得高精度的星歷與鐘差產(chǎn)品,然后加以地基增強(qiáng)系統(tǒng)播發(fā)的對(duì)流層改正信息,加快PPP的初始化。系統(tǒng)組成與數(shù)據(jù)傳輸如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)傳輸示意圖

1.2基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位技術(shù)

基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位技術(shù)主要有:RTK技術(shù), PPP-RTK技術(shù)。

以參考網(wǎng)為支撐的RTK技術(shù)需要在一定區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)多個(gè)(至少三個(gè))連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS),在該區(qū)域內(nèi)構(gòu)成網(wǎng)狀覆蓋,并利用通信鏈路將參考站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算中心,根據(jù)各參考站已知的高精度坐標(biāo),在計(jì)算中心對(duì)各誤差進(jìn)行建模,生成流動(dòng)站的改正信息,并按RTCM差分電文進(jìn)行編碼,通過(guò)無(wú)線鏈路發(fā)播給用戶,可以達(dá)到厘米級(jí)、毫米級(jí)定位水平[9]。

RTK差分定位主要采用“觀測(cè)空間”傳輸信息,即向用戶發(fā)送虛擬觀測(cè)值信息,用戶與虛擬參考站做差分定位;PPP-RTK技術(shù)是將“觀測(cè)空間”傳輸信息轉(zhuǎn)換到狀態(tài)空間,即向用戶提供各種誤差改正的狀態(tài)信息,用戶利用這一信息與原始觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合使用以提高PPP定位精度[10]。

本文所述的增強(qiáng)PPP主要是依托地基增強(qiáng)系統(tǒng),將地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)的參考站計(jì)算的對(duì)流層誤差改正信息以單通信鏈路的形式播發(fā)給用戶,用戶根據(jù)自己的位置坐標(biāo)內(nèi)插出用戶天頂方向?qū)α鲗痈恼?并將其作為增強(qiáng)信息用到PPP解算中。

2關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)PPP關(guān)鍵技術(shù)主要包括內(nèi)插模型與處理算法,具體為：

1) 內(nèi)插模型

在各參考站計(jì)算出對(duì)流層延遲信息后,用戶站內(nèi)插。內(nèi)插時(shí),用戶通過(guò)距離來(lái)選擇參考站。用戶每個(gè)歷元可以選擇距離最近的至少4個(gè)有效參考站,平均距離在40 km左右。目前,內(nèi)插模型較多,較為常用的是張小紅教授提出的以下6類(lèi)模型。這6類(lèi)模型的RMS均在10 mm以下,能夠滿足區(qū)域參考站增強(qiáng)PPP的精度要求,其中只顧及高程因子的H1QX1模型最佳,為6.2 mm;H1QM3模型次之,但同時(shí)顧及了平面因素,其它模型參數(shù)越多,精度相對(duì)較高些[11]。

H1QM3:ZTD=a0+a1B+a2L+a3H,

H1QM4:ZTD=a0+a1B+a2L+a3BL+a4H,

H1QM6:ZTD=a0+a1B+a2L+a3BL+a4B2+

a5L2+a6H,

H1QX1:ZTD=a0+a1B+a2L+a3BH+

a4LH+a5H,

H3QM3:ZTD=a0+a1BH+a2LH+a3H,

H3QX1:ZTD=a0+a1H.

(1)

其中: ai為回歸系數(shù); B為大地維度; L為大地經(jīng)度; H為大地高。這六種模型都與高程因子有關(guān)。用戶使用時(shí)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐母卟钜约白陨淼奈恢眠x擇合適的模型。

2) 附加對(duì)流層信息的PPP數(shù)學(xué)模型

PPP用戶通過(guò)以上內(nèi)插算法獲得自己的對(duì)流層延遲信息后,將該對(duì)流層延遲信息作為先驗(yàn)信息來(lái)加快PPP的收斂[12],其增強(qiáng)的誤差方程為

(2)

式中: V為誤差向量; A為設(shè)計(jì)矩陣; X為待估參數(shù)向量; L為觀測(cè)向量;ZTD表示先驗(yàn)對(duì)流層延遲信息; v表示先驗(yàn)對(duì)流層信息誤差; 0表示全0矩陣。

與PPP觀測(cè)方程相比,增強(qiáng)PPP增加了一個(gè)虛擬觀測(cè)方程,即利用先驗(yàn)對(duì)流層信息對(duì)對(duì)流層延遲參數(shù)施加外部約束。觀測(cè)值的方差陣為

(3)

3實(shí)例與結(jié)果分析

為分析基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的RTK的定位效果及傳統(tǒng)PPP與增強(qiáng)PPP的收斂速度的差異,設(shè)置以下實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證:以傳統(tǒng)PPP為參照,分析增強(qiáng)PPP的定位效果及收斂速度;并將兩者的定位效果分別與RTK進(jìn)行對(duì)比,分析其與RTK定位效果的差別。

3.1數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)定位精度測(cè)試在野外實(shí)地進(jìn)行,靜態(tài)數(shù)據(jù)在基準(zhǔn)站采集一小時(shí)的數(shù)據(jù)。其測(cè)試方法簡(jiǎn)述如下:在作業(yè)車(chē)上裝載中海達(dá)Vnet8接收機(jī),其中一組只設(shè)置采集GPS數(shù)據(jù),另一組設(shè)置采集GPS+BDS,采樣率均設(shè)為1s,利用車(chē)載作業(yè)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并做分析。圖2為車(chē)輛在行駛路線上的軌跡圖。

圖2　動(dòng)態(tài)行駛路線圖

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 動(dòng)態(tài)定位精度分析

利用動(dòng)態(tài)采集的數(shù)據(jù)采用事后解算動(dòng)態(tài)PPP的模式,圖3為單GPS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)RTK、動(dòng)態(tài)PPP、增強(qiáng)PPP測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)圖,其中橫坐標(biāo)表示定位精度(單位m),縱坐標(biāo)表示處于相應(yīng)精度范圍內(nèi)的百分比。圖4為GPS+BDS雙系統(tǒng)動(dòng)態(tài)RTK、動(dòng)態(tài)PPP、增強(qiáng)PPP測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)圖。

圖3　動(dòng)態(tài)RTK、動(dòng)態(tài)PPP、增強(qiáng)PPP測(cè)試測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)分布圖(GPS) (a) RTK; (b) 動(dòng)態(tài)PPP; (c) 增強(qiáng)PPP

圖4　動(dòng)態(tài)RTK、動(dòng)態(tài)PPP、增強(qiáng)PPP測(cè)試測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)分布圖(GPS+BDS) (a) RTK; (b) 動(dòng)態(tài)PPP; (c) 增強(qiáng)PPP

從圖4分析得出:

1) 動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量精度

平面精度:單GPS平均值為0.021m;GPS+BDS為0.014m;

高程精度:單GPS均值為0.030m,GPS+BDS均值為0.026m.

2) 動(dòng)態(tài)PPP測(cè)量精度

在車(chē)速為60～80km/h的城市主干道上,

動(dòng)態(tài)PPP在完成初始化后精度80%維持在0.2～0.4dm,6%達(dá)到10cm以?xún)?nèi)的精度;在車(chē)輛經(jīng)過(guò)高樓、高架橋等建筑物時(shí),信號(hào)受遮擋,中斷后需重新收斂,所以在整個(gè)測(cè)試過(guò)程有13%的精度大于0.4m.

無(wú)論是單GPS系統(tǒng),還是GPS+BDS雙系統(tǒng),定位精度在0.1～0.2m范圍內(nèi),平面精度優(yōu)于高程;加入BDS系統(tǒng)后,精度與單GPS相比,平面方向上有所提高,高程方向改善不明顯。

3) 增強(qiáng)動(dòng)態(tài)PPP測(cè)量精度

增強(qiáng)動(dòng)態(tài)PPP與動(dòng)態(tài)PPP相比,由于僅增加了先驗(yàn)對(duì)流層信息一個(gè)自由度的約束,在測(cè)量精度上與動(dòng)態(tài)PPP相比,并沒(méi)有明顯的改善。

a) 對(duì)流層精度分析

為檢驗(yàn)對(duì)流層的精度問(wèn)題,本文選取以下四個(gè)測(cè)站解算出其天頂方向的對(duì)流層延遲誤差,并將IGS站發(fā)布的ZTD作為真值,進(jìn)行比較。其中橫軸為觀測(cè)時(shí)間,縱軸為計(jì)算值與真值的誤差。從圖5可以看出,與IGS發(fā)布的ZTD文件相比,測(cè)站解算出的對(duì)流層誤差都在2cm左右,該精度能夠滿足PPP的要求,即可獲得高精度的先驗(yàn)對(duì)流層信息。

圖5　四個(gè)測(cè)站解算出其天頂方向的對(duì)流層延遲誤差 (a) abmf; (b) areg; (c) bjnm; (d) kiru

b) 收斂速度分析

分析收斂時(shí)間,圖6為靜態(tài)PPP、動(dòng)態(tài)PPP增強(qiáng)與未增強(qiáng)初始化收斂時(shí)間對(duì)比圖。動(dòng)態(tài)PPP截取10min.的數(shù)據(jù),中間由于遮擋,觀測(cè)衛(wèi)星較少,信號(hào)中斷,重新收斂了一次。

從圖6分析得出:

1) 動(dòng)態(tài)增強(qiáng)PPP與傳統(tǒng)PPP收斂時(shí)間分析

動(dòng)態(tài)增強(qiáng)PPP與傳統(tǒng)PPP相比,在初始化時(shí)間與重新初始化時(shí)間上均有明顯的提高,如動(dòng)態(tài)增強(qiáng)PPP在精度達(dá)到0.2dm內(nèi)僅需要145個(gè)歷元,而傳統(tǒng)PPP需要325個(gè)歷元;在信號(hào)中斷重新初始化也明顯快于傳統(tǒng)PPP.

2) 靜態(tài)增強(qiáng)PPP與傳統(tǒng)PPP收斂時(shí)間分析

靜態(tài)增強(qiáng)PPP與傳統(tǒng)PPP相比,有對(duì)流層增強(qiáng)的收斂速度明顯快于無(wú)對(duì)流層增強(qiáng)的。例如高程方向上誤差,增強(qiáng)PPP在收斂到30cm用了約800個(gè)歷元的數(shù)據(jù),而傳統(tǒng)PPP需1000個(gè)歷元的數(shù)據(jù)。

圖6　動(dòng)態(tài)、靜態(tài)增強(qiáng)PPP與未增強(qiáng)PPP初始化時(shí)間對(duì)比圖 (a) 動(dòng)態(tài)PPP位置; (b) 靜態(tài)E方向; (c) 靜態(tài)N方向; (d) 靜態(tài)U方向

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的定位技術(shù)與利用對(duì)流層延遲增強(qiáng)PPP,并設(shè)置實(shí)驗(yàn)對(duì)基于地基增強(qiáng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)、動(dòng)態(tài)PPP、增強(qiáng)PPP技術(shù)定位性能及收斂速度進(jìn)行分析。結(jié)果表明:動(dòng)態(tài)PPP定位精度雖不及RTK,但能滿足車(chē)輛導(dǎo)航的需求。增強(qiáng)PPP僅利用了對(duì)流層信息來(lái)加強(qiáng)約束,對(duì)精度的改善并不明顯,但在收斂速度上較傳統(tǒng)PPP有明顯提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 李作虎,楊強(qiáng)文,吳海玲等.北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[J].產(chǎn)業(yè)研究,2014(10):59-65.

[2]KOUBAJ,HéROUXP.GPSPrecisePointPositioningusingIGSorbitproducts[J].GPSSolutions,2001,5(2):12-28.

[3] 寧津生,姚宜斌,張小紅.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2013,1(1):3-8.

[4] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及其應(yīng)用[C].//中國(guó)科學(xué)院第十六次院士大會(huì)第三屆學(xué)部學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，北京:中國(guó)科學(xué)院,2012.

[5] 張寶成,DENNISO.一種能實(shí)現(xiàn)單頻PPP-RTK的GNSS局域參考網(wǎng)數(shù)據(jù)處理算法[J].地球物理學(xué)報(bào)，2015(7):2306-2319.

[6] 范磊.GPS/BDS精密單點(diǎn)定位算法及其應(yīng)用研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2014.

[7] 宋超.精密單點(diǎn)定位快速收斂技術(shù)與方法研究[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué),2015.

[8] 侯倩,蔣勇,李東俊.構(gòu)建北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)打造智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施[J].技術(shù)進(jìn)展，2014(11):29-33.

[9] 楊徉,潘樹(shù)國(guó),汪登輝.北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)軟件(EarthNet2.0)及其應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(10):46-49.

[10]TAMASHORVATH.PPP-RTK:FriendorFoe?fromthenetworkRTKserviceproviders’pointofview[R].HeadofGNSSServiceCentre,2015.

[11]王敏.實(shí)時(shí)精密單點(diǎn)定位技術(shù)及其在大氣探測(cè)中的應(yīng)用[D].鄭州:解放軍信息工程大學(xué),2013.

[12]張小紅,朱鋒. 區(qū)域CORS網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)PPP天頂對(duì)流層延遲內(nèi)插建模[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2013(6):679-683.

閆建巧(1989-),女,碩士生, 主要研究方向?yàn)榫軉吸c(diǎn)定位相關(guān)技術(shù)研究。

陳明劍(1976-),男,副教授,主要研究方向?yàn)镚NSS精密單點(diǎn)定位及地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)及其應(yīng)用。

汪威 (1989-),男,碩士生,主要研究方向?yàn)楸倍稢ORS關(guān)鍵技術(shù)研究。

尹子明(1990-),男,碩士生,主要研究方向?yàn)榛贑ORS的BDS數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

劉天恒(1990-),男,碩士生,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)RTD技術(shù)應(yīng)用研究。

The Enhanced PPP Technology Based on Ground-based Augmentation System

YAN Jianqiao,CHEN Mingjian,WANG Wei,YIN Ziming,LIU Tianheng

(CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract: Traditional PPP (Precise Point Positioning) is limited to the precise ephemeris and precise clock,so it has the problem of slow convergence and poor real-time. Therefore, we considered basing on the troposphere delay information of ground-based augmentation system to improve the convergence speed of PPP. This paper describes the state of the positioning technology based on ground-based augmentation system, and described the principle and key technology of enhanced PPP. Finally using the data collected by the experimental to validate that the convergence rate of enhanced PPP has increased significantly.

Keywords:Ground-based augmentation; PPP; real-time; dynamic; convergence rate

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.009

收稿日期：2015-11-29

中圖分類(lèi)號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0050-06

作者簡(jiǎn)介

聯(lián)系人： 閆建巧 E-mail:1091855678@qq.com