卫星导航定位新技术

2.3.4　卫星导航定位新技术

2.3.4.1　精密单点定位技术

1.精密单点定位基本概念

精密单点定位PPP(precise point positioning)指的是利用全球若干地面跟踪站的GPS观测资料实时或后处理计算出的精密卫星轨道和卫星钟差，对单台GPS接收机所采集的相位和伪距观测值进行实时或后处理定位解算，获得待测点高精度ITRF框架坐标的一种定位方法。近年来，PPP技术逐渐发展成为卫星导航定位技术领域的热点研究方向之一，正蓬勃发展，显现出了广阔的应用前景。

2.精密单点定位技术发展现状

精密单点定位是早在20世纪70年代美国子午卫星时代针对Doppler精密单点定位提出的概念。GPS卫星定位系统开发后，由于C/A码或P码单点定位精度不高，80年代中期就有人探索采用原始相位观测数据进行精密单点定位，即所谓的非差相位单点定位。但是，由于在定位估计模型中需要同时估计每一历元的卫星钟差、接收机钟差、对流层延迟、所见卫星的相位模糊度参数和测站3维坐标，待估参数太多，估计方程是亏秩的，基本无法提出解决方案，问题的高难度使得这一方法在80年代后期暂时搁置了起来。90年代中期，国际GPS地球动力学服务局(IGS)开始向全球提供精密星历和精密卫星钟差产品，尔后，还提供精度等级不同的事后、快速和预报3类精密星历和相应的15min，5min间隔的精密卫星钟差产品，这就为非差相位精密单点定位提供了新的解决思路。1997年，美国喷气推进实验室(JPL)的研究人员Zumberge等提出了利用GIPSY软件和IGS精密星历，同时利用一个GPS跟踪网的数据确定5s间隔的卫星钟差，在单站定位方程式中，只估计测站对流层参数、接收机钟差和测站3维坐标的精密单点定位研究思路，进行了实验，取得了24h连续静态定位精度达1～2cm、事后单历元动态定位精度达2.3～3.5dm的试验结果，用实测数据证明了利用非差相位观测值进行精密单点定位是完全可行的(Zumbeger，1997)。目前精密单点定位技术已成为GPS领域的热点研究和应用方向。

3.GNSS精密单点定位的技术优势

传统的单点定位技术尽管作业简单灵活，但精度低，满足不了许多定位用户的精度要求;差分GPS定位技术虽然精度高，但需要布设至少一个基站，作业时不仅受作用距离的限制，仪器成本和劳动成本都相应增加不少。GNSS精密单点定位技术恰好集成了普通单点定位和差分定位的优点，克服了各自的缺点。它的出现改变了以往只能使用双差相位定位模式才能到达较高定位精度的现状，是GNSS定位技术中继RTK/网络RTK技术后的又一次技术革命。精密单点定位技术较传统的差分定位技术具有以下显著的优势:

(1)随着国家真三维基础地理空间基准的建立，不管是动态用户还是传统的静态用户，都希望实现在ITRF框架下的高精度的定位。过去广大GPS用户要通过使用Gamit，Bernese等高精度静态处理软件，并同IGS永久跟踪站进行较长时间的联测方能获取高精度的ITRF起算坐标。但对很多生产单位的技术人员来讲，要熟练掌握上述高精度软件的处理并非易事。而现在的商用相对定位软件只能处理几十千米以内的基线。采用精密单点定位技术就可以解决这些问题。

(2)采用精密单点定位技术可以节约用户购买接收机的成本，用户使用单台接收机就可以实现高精度的动态和静态定位，也可以提高GPS作业效率。在不久的将来，GALILEO系统的建成以及我国二代卫星导航定位系统的实现，将为精密单点定位技术提供更多的可用卫星，这将显著提高精密单点定位的可靠性和精度。其原因是精密单点定位同标准单点定位一样，定位误差同卫星几何图形强度有关(PDOP)。上述系统建成后，空中的可用卫星几乎成倍增加，几何图形强图将大大提高。此外，由于精密单点定位是基于非差模型，没有在卫星间求差，所以在多系统(GPS，GALILEO，GLONASS等)组合定位中，处理要比双差模型简单。没有在观测值间求差，模型中保留了所有的信息，这对于从事大气、潮汐等相关领域的研究也具有优势。

4.GNSS精密单点定位技术的应用前景

PPP技术集成了标准单点定位和GPS相对定位的技术优点，克服了各自的缺点，已成为卫星导航定位中一种新的定位方法。PPP定位无需地面基准站，无需同步观测，作业机动灵活，可大大节约用户成本;PPP定位精度高且不受作用距离的限制，可直接获得与ITRF框架一致的测站坐标，是GNSS定位技术中继RTK/网络RTK技术后出现的又一次技术革命。它的出现改变了以往只能使用差分定位模式才能进行高精度定位的状况，为广大GNSS用户进行困难和偏远地区的高精度静态和动态定位提供了新的技术支持与解决方案。PPP技术可广泛应用于低轨卫星的精密定轨、GNSS气象、海陆空不同载体的高精度动态和静态定位、精密授时、地球动力学研究等诸多地学研究及工程应用领域。

总之，精密单点定位技术可实现高精度定位导航的功能。单机作业灵活机动，大大节约用户成本，定位精度不受作用距离的限制。在全球范围内，利用单台接收机可实现高精度的定位和测时，能广泛应用于测绘、航空、交通、水利、电力、国土、农业、规划、海洋、石油物探等国民经济建设的诸多部门。

2.3.4.2　CORS系统和网络RTK

1.CORS系统

卫星导航定位连续运行参考站网CORS(continuously operating reference stations，以下简称“参考站网”)是维持和更新全球及国家(区域)高精度、地心、动态坐标框架的重要基础设施。它是指在一定范围内建立若干个连续运行的GNSS永久性基准站，通过网络互联，构成新一代的网络化的综合服务系统，提供集约化的定位和导航服务，在测绘、国土、地震、气象、规划、交通等领域发挥重要作用。目前，许多国家、政府部门、行业、城市开始建立满足自身需求的参考站网。

我国参考站网建设可以划分为两个阶段。第一个是建设初期(1992—2000年)，是从国家层面的需求出发，以建立国家大地基准、开展地球动力学研究和开展大气探测研究等为根本任务。主要的建设单位有国家测绘局、总参测绘局、中国科学院、中国地震局、中国气象局等。第二个阶段是快速发展时期(2000年至今)，是以地方和专业性的连续运行站应用服务网建设为主，突出了技术的实用性和密度大、区域性强的特点，其中又以大型城市的综合服务网为代表。

我国连续运行参考站建设开始于1992年，国家测绘局与美国大地测量局在武汉建立了国内第一个GPS永久性跟踪站，用于全球陆地参考框架定义以及GPS卫星轨道确定。此后在1993—1996年期间，国家测绘局、中国科学院等单位通过国际合作项目分别在国内建立了拉萨、乌鲁木齐、北京、上海、西安、长春、昆明等GPS永久跟踪站，建设的主要目的服务于国际GPS动力学研究。通过近十年的连续观测，其中拉萨、武汉、乌鲁木齐和上海等站已经成为ITRF(国际陆地参考框架)的核心站，为ITRF框架的建立与维持作出了应有的贡献。同时，这些站也为我国坐标框架建设提供了参考依据。

2000年以后，由于GPS连续运行参考(基准)站的自身技术优势以及建设成本、难度的降低，很多应用行业和地方测绘、城建部门看到了GPS连续参考站在实时、高精度定位方面的优势以及相应的气象、授时等增值服务，GPS连续、实时定位技术的研究和站网的建设实施，在国内进入蓬勃发展的阶段。目前，国家测绘系统和城建系统在全国2个省(江苏省、广东省)、20多个大中城市(北京、上海、天津、重庆、南京、广洲、深圳、武汉、昆明、沈阳、哈尔滨、济南、青岛、苏州、常州、徐州、合肥、东莞、淄博、连云港等)建成具有网络实时动态定位功能的连续运行参考(基准)站网，含有站点220多个，平均边长40～50km，短边20km，长边90km。国家地震系统已建4个专用“连续运行参考站网”，国家气象系统已建6个专用“连续运行参考(基准)站系统”网，全国已建连续运行参考(基准)站共近400个点。此外，香港和澳门特别行政区也建立了这类服务系统。许多省、市都计划在“十一五”期间建设参考站网。预计到“十一五”期末，全国将可能建成1000个站。

此外，中国地震局自1998年开始通过中国地壳运动观测网络工程项目(简称“网络工程”)与总参测绘局、中国科学院和国家测绘局合作在国内建立了25个GPS基准站，平均站间距300～500km，作为“网络工程”GPS观测网的框架。其中利用了国家测绘局和中国科学院的部分国际站。该基准站网在“网络工程”的GPS基本网和区域网建设中起到了框架作用，同时也在国家2000 GPS大地控制网建设中起到了重要作用。2006年，教育部也加入了此项工程。此后，六部委联合向国家发改委申请的“中国大陆环境构造监测网络”项目获准通过。该项目将在全国建立260个GNSS连续运行参考站，形成全国最大的连续运行参考网。

2.网络RTK

网络RTK也称多基准站RTK，是近年来在常规RTK和差分GPS的基础上建立起来的一种新技术，是CORS系统所采用的主要差分技术，目前已经得到广泛的应用。网络RTK系统是由基准站网，数据处理中心和数据通信线路组成的。基准站上应配备双频全波长GPS接收机，该接收机最好能同时提供精确的双频伪距观测值。基准站的站坐标应精确已知，其坐标可采用长时间GPS静态相对定位等方法来确定。此外，这些站还应配备数据通信设备及气象仪器等。基准站应按规定的采样率进行连续观测，并通过数据通信链实时将观测资料传送给数据处理中心。数据处理中心根据流动站送来的近似坐标(可据伪距法单点定位求得)判断出该站位于由哪三个基准站所组成的三角形内。然后根据这三个基准站的观测资料求出流动站处所受到的系统误差，并播发给流动用户来进行修正以获得精确的结果。基准站与数据处理中心间的数据通信可采用数字数据网DON或无线通信等方法进行。流动站和数据处理中心间的双向数据通信则可通过移动电话GSM等方式进行。网络技术与常规RTK技术相比，在扩大覆盖范围、降低成本、精度等方面都有较大的提高。