精密單點(diǎn)定位技術(shù)在海島海岸帶航空遙感調(diào)查中的應(yīng)用

蔣旭惠 ，張漢德 ，韓 磊 ，董 梁 ，崔璐璐

（1.中國海監(jiān)北海航空支隊(duì)，山東 青島266033；2.青島市勘察測繪研究院測繪所，山東 青島 266033）

精密單點(diǎn)定位技術(shù)在海島海岸帶航空遙感調(diào)查中的應(yīng)用

蔣旭惠1，張漢德1，韓 磊2，董 梁1，崔璐璐1

（1.中國海監(jiān)北海航空支隊(duì)，山東 青島266033；2.青島市勘察測繪研究院測繪所，山東 青島 266033）

908專項(xiàng)海島海岸帶航空遙感調(diào)查中，充分應(yīng)用了機(jī)載LiDAR（Light Detection And Ranging）系統(tǒng)，其航空數(shù)字照片與激光數(shù)據(jù)的定位采用機(jī)載GPS（global Positioning System）記錄的數(shù)據(jù)，而機(jī)載GPS數(shù)據(jù)通常要與已知坐標(biāo)地面點(diǎn)的同步觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算以提高精度，所以已知地面點(diǎn)的坐標(biāo)精度對整個(gè)架次的定位精度起著舉足輕重的作用。由于海島、海岸帶地區(qū)地勢復(fù)雜，不可能采用常規(guī)的基站聯(lián)測方法獲取到全部需要的地面點(diǎn)坐標(biāo)。由此，可以嘗試操作簡單、精度較高的GPS精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning(PPP)）技術(shù)。文章闡述了GPS PPP技術(shù)在908專項(xiàng)中的應(yīng)用情況，并進(jìn)行了精度分析。分析顯示，PPP技術(shù)解算的點(diǎn)位坐標(biāo)精度完全能滿足專項(xiàng)中制作1：10000正射影像圖對地面基站的要求。

精密單點(diǎn)定位（PPP）；星歷；鐘差；點(diǎn)位精度

GPS從投入使用以來，其相對定位的定位方式發(fā)展得很快，定位精度不斷提高，但需要布設(shè)至少1個(gè)基站,作業(yè)時(shí)不僅受到作用距離的限制,且儀器成本和勞動成本都比較高。而絕對定位即單點(diǎn)定位發(fā)展相對緩慢，其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集和處理較為方便、自由、簡單，用戶在任一時(shí)刻只需用一臺GPS接收機(jī)就能獲得WGS-84坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。但由于偽距觀測值的精度一般為數(shù)分米至數(shù)米，用廣播星歷所求得的衛(wèi)星位置的誤差可達(dá)數(shù)米至數(shù)十米，衛(wèi)星鐘改正數(shù)的誤差為±20 ns左右,只能用于一些低精度要求的領(lǐng)域中[1]。精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)集成了普通單點(diǎn)定位和差分定位的優(yōu)點(diǎn),改變了以往只能使用雙差相位定位模式才能達(dá)到較高定位精度的現(xiàn)狀,是繼RTK/網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)后的又一次技術(shù)革命。精密單點(diǎn)定位的精度得到很大的提高，在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如在低軌衛(wèi)星的定軌定位中的應(yīng)用，在海洋、沙漠、戈壁等測站點(diǎn)位之間距離相對較長的油礦測繪，森林面積調(diào)查、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以及高精度導(dǎo)航等方面都發(fā)揮了很大的作用。

目前航空遙感調(diào)查中的GPS定位一般都采用傳統(tǒng)的差分模型，要求地面布設(shè)有足夠密度（30～50 km）的GPS基準(zhǔn)站。我國海域遼闊,地形復(fù)雜,布設(shè)如此密集的地面基準(zhǔn)站具有相當(dāng)?shù)碾y度，需投入大量人力、物力和財(cái)力。已有研究表明，基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無地面控制點(diǎn)的航空測量[2]。無野外控制點(diǎn)也是908專項(xiàng)的一個(gè)特點(diǎn)；本專項(xiàng)引進(jìn)的機(jī)載LIDAR系統(tǒng)中采用了IMU/DGPS高精度姿態(tài)測量部件，更使高精度的無野外控制點(diǎn)的航空遙感調(diào)查方式成為現(xiàn)實(shí)。該技術(shù)的實(shí)施，需要在飛行數(shù)據(jù)獲取過程中，距測區(qū)一定范圍內(nèi)架設(shè)一臺或多臺差分GPS基站，用以在后期數(shù)據(jù)處理中與機(jī)載數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解算，以提高機(jī)載數(shù)據(jù)的解算精度。由此，整個(gè)架次數(shù)據(jù)成果的精度就取決于地面GPS基站坐標(biāo)的精度。

908專項(xiàng)中用到的絕大部分地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)是通過與IGS基站聯(lián)測得到的，然而，中國海島海岸帶地域廣博，很多地區(qū)人力難以到達(dá)并進(jìn)行測量，若能將精密單點(diǎn)定位技術(shù)（PPP)應(yīng)用于本專項(xiàng)的地面控制點(diǎn)的坐標(biāo)解算中，將大大提高該階段的工作效率。

1 PPP原理與精度研究現(xiàn)狀

GPS精密單點(diǎn)定位，就是利用IGS(或其他機(jī)構(gòu))提供的GPS精密軌道和精密鐘差信息計(jì)算衛(wèi)星坐標(biāo)和鐘差，同時(shí)應(yīng)用比較完整的物理改正模型改正定位過程中的各種誤差，進(jìn)行單站的絕對定位，以確定單測站在ITRF(或WGS84)坐標(biāo)系中坐標(biāo)的一種定位方法[3]。

GPS精密單點(diǎn)定位時(shí)，若采用雙頻接收機(jī),可以利用LC相位組合,消除電離層延時(shí)的影響。這樣,定位誤差只有軌道誤差和衛(wèi)星鐘差兩類。

假設(shè)LC的觀測方程如下:

這里，

式中：φL1和φL2為相位觀測值（m）；f1和f2為頻率；N1和N2為模糊度參數(shù)；c為光速；dT和dt分別為接收機(jī)和衛(wèi)星參數(shù)；Dtrop為對流層延時(shí)；ρ為星站間的幾何距離,包含衛(wèi)星和接收機(jī)的位置、地球自轉(zhuǎn)參數(shù)等。

如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道,計(jì)算的參考框架同為地心地固系,可以消去觀測方程中的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)。于是,只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差,采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計(jì)算出接收機(jī)的精確位置。精密單點(diǎn)定位中使用的是IGS數(shù)據(jù)處理中心發(fā)布的精密星歷和衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品，在充分考慮所有的不能忽略的誤差模型改正，且算法正確的前提下，精密單點(diǎn)定位的精度和可靠性很大程度上取決于IGS產(chǎn)品的可靠性和精度。目前，IGS所提供的精密星歷的精度已優(yōu)于5 cm，衛(wèi)星鐘改正數(shù)的精度已達(dá)0.1 ns，隨著接收機(jī)性能的不斷改善，載波相位測量的精度也在不斷提高，不少接收機(jī)的載波相位測量噪聲己小于1 mm。大氣延遲改正模型和改正方法的研究在不斷深入，這些都為精密單點(diǎn)定位的精度提供了保證。

近10多a來，GPS的理論研究已日趨成熟，特別是GPS靜態(tài)定位方面，己有成熟可靠的理論和許多成功的軟件。國內(nèi)學(xué)者也對精密單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了深入研究，武漢大學(xué)博士研究生葉世榕，利用自己提出的改進(jìn)模型及自行研制的定位軟件進(jìn)行了試算，得出與國際上研究相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。周利等依據(jù)2004年第122天至第125天的中國境內(nèi)的10個(gè)IGS跟蹤站觀測數(shù)據(jù)用Bernese進(jìn)行高精度定位解算，分析其中4個(gè)測站4天坐標(biāo)分量的重復(fù)性，也就是每天的坐標(biāo)與4天坐標(biāo)均值的差值，可以看出它們的坐標(biāo)變動基本都在亞厘米級。武漢大學(xué)的張彩虹等對三峽庫區(qū)13個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行了連續(xù)觀測，選擇了昆明、北京、與拉薩IGS跟蹤站作為已知點(diǎn)進(jìn)行解算，其中拉薩站作為參考站，利用Bernese進(jìn)行PPP（精密單點(diǎn)定位）得到的各點(diǎn)坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差范圍為1.5mm≤σ≤2.1 mm，這完全滿足了GPS A級網(wǎng)的精度要求。

2 Bernese軟件進(jìn)行單點(diǎn)定位解算

在已有的GPS數(shù)據(jù)處理軟件中，Bernese軟件既可用非差方法進(jìn)行精密單點(diǎn)定位，又可用雙差方法進(jìn)行整網(wǎng)平差，而且它能對GPS數(shù)據(jù)和GLONASS數(shù)據(jù)同時(shí)處理，是目前在高校與測繪機(jī)構(gòu)使用較多的單點(diǎn)定位軟件。該軟件在單點(diǎn)定位解算時(shí)，用chebyshev多項(xiàng)式數(shù)值積分的方法來計(jì)算衛(wèi)星的位置和鐘差。其批處理引擎BPE是一個(gè)功能強(qiáng)大的自動化處理工具，是該軟件在技術(shù)上的一大突破，使用者只要事先設(shè)定程序處理選項(xiàng)并準(zhǔn)備好所需文檔，在執(zhí)行批處理時(shí)便不需要任何干預(yù)，且在處理完畢后程序會自動提取出每一步驟處理結(jié)果的統(tǒng)計(jì)量，讓使用者判斷其處理質(zhì)量的好壞。BPE是滿足GPS數(shù)據(jù)高精度自動處理的獨(dú)立模塊，具體處理步驟為：（1）將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；（2）下載解算所需要準(zhǔn)備的電離層文件、軌道文件、精密星歷、衛(wèi)星鐘差文件、板塊文件、IGS參考坐標(biāo)、速率等文件；（3）分離并編輯基站文件信息；（4）啟動BPE模塊的PPP單點(diǎn)定位解算功能；（5）查看解算結(jié)果與精度。其處理進(jìn)程如圖1。

圖1 BPE模塊解算進(jìn)程

在用Bernese進(jìn)行單點(diǎn)定位解算時(shí)，使用IGS中心提供的數(shù)據(jù)，可以得到測站先驗(yàn)坐標(biāo)，它是使用批處理PPP程序、按GPS時(shí)間生成的測站坐標(biāo)。在程序運(yùn)行結(jié)束后的輸出文件中，可以得到單位權(quán)的后驗(yàn)值，以及點(diǎn)位的解算坐標(biāo)的后驗(yàn)均方根誤差（posteriori RMS error），該參數(shù)為衡量坐標(biāo)量測及解算結(jié)果精度的重要指標(biāo)。

3 908基站數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

我們下載了2008年10月11日的三個(gè)中國境內(nèi)及附近IGS跟蹤站數(shù)據(jù)，如表1所示，通過BPE模塊解算單點(diǎn)位置。實(shí)驗(yàn)證明，其解算的點(diǎn)位精度均值為0.3 cm。

表1 IGS中國境內(nèi)及附近IGS基站單點(diǎn)定位精度表

對908專項(xiàng)獲取的基站數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)定位解算的過程中，有一個(gè)關(guān)鍵問題：在獲取基站數(shù)據(jù)后，要盡快對機(jī)載數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，地面基站點(diǎn)的絕對坐標(biāo)必須在最短的時(shí)間內(nèi)獲得。而進(jìn)行精密單點(diǎn)定位前，用戶要先從IGS網(wǎng)站下載精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差文件，由此，就受到IGS公布的星歷與鐘差等文件的時(shí)間限制。精密衛(wèi)星星歷及鐘差分廣播星歷、超快速星歷、快速星歷、最終星歷四種，其中快速星歷的時(shí)間延遲為17 h；最終星歷時(shí)間延遲為13 d。二者的軌道精度均＜5cm，衛(wèi)星鐘差誤差＜0.1 ns。為了保證飛行數(shù)據(jù)能在最短的時(shí)間內(nèi)得到解算，我們作了如下實(shí)驗(yàn)，于2009年12月6日對南長山島某點(diǎn)進(jìn)行了觀測，該點(diǎn)位于南長山島某山頂（位置如圖2），并分別下載快速星歷和最終星歷文件進(jìn)行解算，結(jié)果如表2～表4所示。

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)位示意圖

表2 快速星歷解算結(jié)果后驗(yàn)單位權(quán)值：0.001 06 m

表3 最終星歷解算結(jié)果后驗(yàn)單位權(quán)值：0.001 12 m

表4 解算得到的坐標(biāo)比較表

如表4所示，對同一基站點(diǎn)分別用快速星歷和最終星歷進(jìn)行解算，得到的該點(diǎn)的坐標(biāo)值，二者的絕對差均在厘米級，甚至達(dá)到亞厘米級，表明在用該解算點(diǎn)作為1：10 000成圖的基站點(diǎn)時(shí)，這兩種文件的選擇對基站點(diǎn)的解算結(jié)果無明顯影響，驗(yàn)證了之前陳默關(guān)于星歷文件選擇的研究結(jié)論。這就保證了基站數(shù)據(jù)處理可以提前至少一周進(jìn)行。不過，我們在具體實(shí)施時(shí)，除非特殊緊急情況，一般盡量采用最終星歷文件進(jìn)行解算，以保證點(diǎn)位解算的精度與穩(wěn)定性。

3.2 專項(xiàng)數(shù)據(jù)處理

本專項(xiàng)引進(jìn)的的LIDAR系統(tǒng)中采用了IMU/DGPS高精度姿態(tài)測量部件，使高精度的無野外控制點(diǎn)的航空遙感調(diào)查方式成為現(xiàn)實(shí)。由此，整個(gè)架次數(shù)據(jù)成果的精度就取決于地面GPS基站坐標(biāo)的精度。基于以上結(jié)論，我們在此次航空遙感調(diào)查專項(xiàng)中，充分利用了精密單點(diǎn)定位的優(yōu)勢。在由于時(shí)間或其他客觀條件限制，不能進(jìn)行聯(lián)測的基站的位置上，采用精密單點(diǎn)定位方式確定其三維坐標(biāo)，坐標(biāo)解算采用Bernese軟件的BPE模塊實(shí)現(xiàn)。隨機(jī)選取不同日期觀測的5個(gè)基站數(shù)據(jù)進(jìn)行單點(diǎn)定位解算，從解算結(jié)果中查看精度評定結(jié)果如表5。

表5 基站單點(diǎn)定位解算精度

對5個(gè)基站的單點(diǎn)定位解算結(jié)果顯示，平面點(diǎn)位中誤差最高為1.3 cm，均值為0.9 cm。即：采用雙頻GPS接收機(jī)Trimble 5700觀測2 h以上，利用IGS公布的最終星歷產(chǎn)品，用Bernese軟件進(jìn)行PPP單點(diǎn)定位，得到的基站點(diǎn)位精度完全能滿足作為908專項(xiàng)制作1：10 000正射影像圖的地面基站點(diǎn)的要求。此外，基站點(diǎn)位解算的精度，與觀測時(shí)段選擇、觀測時(shí)間長短、外部環(huán)境條件、當(dāng)日的IGS公布的衛(wèi)星參數(shù)以及解算時(shí)的參數(shù)設(shè)置等都有關(guān)系，關(guān)于如何提高精密單點(diǎn)定位的精度有必要進(jìn)行后續(xù)的深入研究。

4 結(jié)語

本文將PPP技術(shù)應(yīng)用于908專項(xiàng)地面基站的坐標(biāo)解算中，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析，結(jié)果顯示，靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的方法滿足了專項(xiàng)對地面基站的要求。目前，我們已經(jīng)在進(jìn)行中小比例尺成圖無地面基站的機(jī)載數(shù)據(jù)動態(tài)精密單點(diǎn)定位的實(shí)驗(yàn)，若成果精度符合要求，將使數(shù)字航空攝影測量脫離飛行數(shù)據(jù)獲取時(shí)的長時(shí)間的地面基站架設(shè)工作。

[1]劉智敏，林文介.GPS非差相位精密單點(diǎn)定位技術(shù)的發(fā)展[J]，桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，3（24）：340.

[2]張小紅，劉經(jīng)南.基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)的航空測量應(yīng)用實(shí)踐[J]，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2006，1（31）：20.

[3]Kouba J， Heroux P.Precise point Positioning using IGS orbit and clock products[J].GPS Solutions，2000，5（2）：12-28.

Application of PPP in the Aerial Remote Sensing Investigation of China Island and Coast Area

JIANG Xu-hui1,ZHANG Han-de1,Han Lei2，DONG Liang1,CUI Lu-lu1
（1.Northern Seas Air-Borne Detachment of China Marine Surveillance,Qingdao Shandong 266033,China;2.Qingdao Prospecting and Surveying Institute,Qingdao Shandong 266033,China）

The airborne Light Detection and Ranging system is fully used in the 908 Item,which is called as Aerial Remote Sensing Investigation of China Island and Coast Area.The airborne GPS data is used to receive the positioning of the digital photos and laser data.Generally,the precision of the airborne GPS data needs to be improved using the differential GPS solution with the synchronization GPS data on some ground points whose coordinates are known.So the precision of the known ground points are significant to the whole data.Due to the complicated physiognomy of island and coast area,the GPS conjunction with base stations is impossible.Then the Precise Point Positioning (PPP)technology turns to be a suitable means for its simple operation and higher precision.The application of PPP in the 908 item is introduced.Besides,precision analysis is made out.The results show that the solution coordinate of base stations using PPP technology could satisfy the request to make orthophotomaps of 1:10000 scale.

precise point positioning;ephemeris;clock offset;position accuracy

TP722.4

B

1003-2029（2011）02-0018-04

2010-08-24

我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)—海島、海岸帶航空遙感調(diào)查與研究（908-01-HY）

蔣旭惠（1983-），碩士研究生，就職于中國海監(jiān)北海航空支隊(duì)，從事航空遙感數(shù)據(jù)處理與研究工作。