基于RTKLIB的精密單點(diǎn)定位研究

丁慧君,羅 端,盧 兵

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 2.長(zhǎng)江宜昌航道工程局,湖北宜昌 443000; 3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410004)

基于RTKLIB的精密單點(diǎn)定位研究

丁慧君1?,羅 端2,盧 兵3

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)測(cè)繪院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051; 2.長(zhǎng)江宜昌航道工程局,湖北宜昌 443000; 3.中國(guó)建筑第五工程局有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410004)

研究利用開源免費(fèi)GNSS數(shù)據(jù)處理軟件RTKLIB進(jìn)行PPP解算,闡述了RTKLIB精密單點(diǎn)定位中使用的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法以及電離層、對(duì)流層、頻間偏差等誤差項(xiàng)的采用的改正方法,設(shè)計(jì)了精密單點(diǎn)定位的解算策略并配置了RTKLIB軟件界面中的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)4個(gè)IGS測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了PPP定位解算,結(jié)果表明:利用RTKLIB軟件采用設(shè)計(jì)的PPP解算策略處理靜態(tài)數(shù)據(jù),靜態(tài)PPP的收斂時(shí)間大約為15 min(到分米級(jí)),試驗(yàn)中定位精度可達(dá)到厘米級(jí)。

RTKLIB;精密單點(diǎn)定位;PPP

1 引 言

當(dāng)前,IGS(International GNSS Service)對(duì)各類產(chǎn)品解算進(jìn)行了不斷的改進(jìn),GNSS定位技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)新階段,精密單點(diǎn)定位(Precise Point Positioning,PPP)技術(shù)就是其代表之一。PPP技術(shù)不需要參考站或參考網(wǎng)絡(luò)的參與,提供GPS衛(wèi)星鐘差和衛(wèi)星精密星歷改正數(shù)據(jù)后,利用單臺(tái)高精度雙頻GPS接收機(jī)的載波相位和非差偽距觀測(cè)值即可實(shí)現(xiàn)高精度定位。這種方式大大降低野外實(shí)測(cè)的費(fèi)用,同時(shí)也極大地提高了GPS精密定位操作上的靈活性。

目前,精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理軟件已被國(guó)外多家公司與研究機(jī)構(gòu)推出,例如:GrafNav 7.8、加拿大APPLANiX公司推出的POSPacAIR、挪威TerraTec公司推出的TerraPOS軟件、瑞士Leica公司的IPAS,但GrafNav,POSPacAIR,TerraPOS,IPAS都是商用軟件,價(jià)格較為昂貴且不提供源代碼[4]。張小紅教授開發(fā)的TriP是國(guó)內(nèi)首款高精度的商用精密單點(diǎn)定位軟件[5],其源代碼不公開。RTKLIB是由日本學(xué)者Tomoji Takasu開發(fā)的具備GPS、GLONASS、GALILEO、BDS四系統(tǒng)聯(lián)合定位的軟件,包含PPP模塊。與GrafNav,POSPacAIR,TerraPOS, IPAS,TriP軟件相比,RTKLIB軟件最大的優(yōu)勢(shì)在于免費(fèi),且所有源代碼公開、便于學(xué)習(xí)研究和算法測(cè)試,界面友好。探討RTKLIB軟件使用的模型改正、參數(shù)配置、解算策略,分析RTKLIB PPP定位結(jié)果精度,對(duì)于使用RTKLIB開展PPP解算具有重要意義,同時(shí)對(duì)于生產(chǎn)單位探索PPP技術(shù)及工程應(yīng)用具有較好的參考價(jià)值。

2 精密單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型

GPS偽距觀測(cè)值觀測(cè)方程如式(1)所示,GPS載波相位觀測(cè)值如式(2)所示。

式中,Pi、Φi分別為偽距觀測(cè)值和載波相位觀測(cè)值;ρ為GPS接收機(jī)和衛(wèi)星間的幾何距離;c為真空中的光速;dt為接收機(jī)鐘差;dT為GPS衛(wèi)星鐘差;dorb為GPS衛(wèi)星軌道誤差;dtrop為對(duì)流層延遲;dion/i為L(zhǎng)i頻率i=1,2上的電離層延遲;λi為L(zhǎng)i載波波長(zhǎng);Ni為整周模糊度;ε(Pi)為多路徑和偽距觀測(cè)噪聲誤差;ε(Φi)為多路徑和載波相位觀測(cè)噪聲誤差。

RTKLIB中采用無電離層組合形成觀測(cè)方程,其觀測(cè)模型的簡(jiǎn)化形式如下[2]:

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

從RTKLIB代碼中可以看到,在RTKLIB預(yù)處理模塊中,采用的是L1-L2 geometry free法、LLI周跳探測(cè)法,不進(jìn)行周跳修復(fù),只探測(cè)周跳。

4 誤差改正

4.1 電離層時(shí)延改正

在RTKLIB軟件的精密單點(diǎn)定位中,采用式(3)、式(4)的無電離層組合,在無電離層組合中,一階電離層影響被消除,殘余的高階項(xiàng)誤差大約為1～4cm,因此,電離層影響改正項(xiàng)在PPP中就可以不再考慮。需要注意的是,雙頻無電離層組合放大了觀測(cè)噪聲。

4.2 硬件延遲偏差改正(DCBs)

不同頻率的載波以及不同類型的測(cè)距碼的硬件延遲不同,設(shè)C1、P1、P2對(duì)應(yīng)的硬件延遲分別為BC1、BP1、BP2,硬件延遲偏差BP1-P2、BP1-C1可達(dá)十幾個(gè)納秒,相當(dāng)于幾米,這對(duì)于PPP是不可忽視的,對(duì)單頻PPP用戶更是需要考慮。IGS的精密鐘差產(chǎn)品是基于無電離層組合觀測(cè)值解算的,因此為正確使用IGS精密鐘差產(chǎn)品,對(duì)于單頻用戶而言,必須在衛(wèi)星鐘差上加上一個(gè)改正數(shù):

5 算例分析

5.1 解算策略

在RTKLIB中采用的是擴(kuò)展卡爾曼濾波方法,詳細(xì)解算策略如表1所示。

表1 解算策略

RTKLIB關(guān)鍵參數(shù)配置如圖1～圖4所示。

圖1 RTKLIB配置界面1

圖2 RTKLIB配置界面2

圖3 RTKLIB配置界面3

圖4 RTKLIB配置界面4

5.2 解算結(jié)果分析

按照以上解算策略,處理了IGS跟蹤站OPTM、ZIMM、MDVJ、ONSA四個(gè)測(cè)站2012年第147天的數(shù)據(jù),從IGS 1689周SINEX文件中提取站坐標(biāo)作為已知值,將解算結(jié)果與已知值作差,再進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,得到NEU三個(gè)方向的定位誤差。

結(jié)果表明,利用RTKLIB軟件采用表1所示PPP解算策略處理靜態(tài)數(shù)據(jù),靜態(tài)PPP的收斂時(shí)間大約為15 min(到分米級(jí)),試驗(yàn)定位精度ENU方向可達(dá)到厘米級(jí),4個(gè)測(cè)站分布在全球不同區(qū)域,均獲得了厘米級(jí)的定位精度。在實(shí)際工程應(yīng)用中,當(dāng)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)無高精度已知點(diǎn)且對(duì)定位精度要求不太高時(shí),可用該策略建立基準(zhǔn)點(diǎn),用于RTK作業(yè)等,具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

圖5 OPTM站2012年147天PPP誤差

圖6 ZIMM站2012年147天PPP誤差

圖7 MDVJ站2012年147天PPP誤差

圖8 ONSA站2012年147天PPP誤差

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Precise Point Positioning Based on RTKLIB

Ding Huijun1,Luo Duan2,Lu Bin3
(1.Inner Mongolia Surveying and Drawing Institute,Hohhot Inner Mongolia 010051,China; 2.Changjiang Yichang Waterway Engineering Bureaus,Yichang 443000,China; 3.China Construction Fifth Engineering Division Corp.,Changsha 410004,China)

In order to develop Precise Point Positioning work using free open source RTKLIB,introduced the adopted data pre-processing method,the ionosphere,troposphere,DCB model of RTKLIB PPP.Designed a PPP positioning strategy and configured the key parameter of RTKLIB software.Four stations’field measured data were processed for PPP.The results show that convergence time of static PPP is about 15 min(to decimeter level)using designed RTKLIB PPP positioning strategy,positioning accuracy reach cm level.

RTKLIB;precise point positioning;PPP

2014—03—13

丁慧君(1986—),男,助理工程師,主要從事GPS數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理工作。