在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)在山區(qū)像控測(cè)量中的可行性分析

鞏英明,王俊強(qiáng),張 飛

(1.68029部隊(duì),甘肅 蘭州 730020;2.96633部隊(duì),北京 102218)

0 引 言

在大比例尺地形圖航空攝影測(cè)量任務(wù)中,航測(cè)所需像控點(diǎn)的測(cè)量主要依靠GPS載波相位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)、GPS靜態(tài)相對(duì)測(cè)量或全站儀測(cè)量等方式,這些方式都能獲得滿足測(cè)量精度的數(shù)據(jù)。在山地困難地區(qū),尤其是西部地區(qū),呈現(xiàn)大地控制點(diǎn)少、地形起伏較大等特點(diǎn),使得在這些測(cè)區(qū)野外實(shí)施像控點(diǎn)測(cè)量時(shí),利用RTK或者GPS靜態(tài)相對(duì)測(cè)量方式的可行性不高。隨著精密單點(diǎn)定位技術(shù)的不斷成熟,目前精密單點(diǎn)定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)非差分條件下達(dá)到厘米級(jí)別的單點(diǎn)定位精度[1],將精密單點(diǎn)定位技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)像控點(diǎn)測(cè)量中,能夠克服傳統(tǒng)GPS靜態(tài)相對(duì)測(cè)量方式對(duì)已知大地控制點(diǎn)的依賴,以及RTK差分信號(hào)傳輸受地形起伏影響大的缺點(diǎn),適應(yīng)于高山地區(qū)像控野外測(cè)量任務(wù)。本文以某西部高山地區(qū)大比例尺地形圖航空攝影測(cè)量實(shí)例為基礎(chǔ),對(duì)幾種在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用于像控測(cè)量的可行性進(jìn)行了分析。

1 精密單點(diǎn)定位技術(shù)原理

精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Zumberge于1997年提出的。20世紀(jì)90年代末,由于GPS全球跟蹤站的數(shù)量急劇上升,全球GPS數(shù)據(jù)處理工作量不斷增加,計(jì)算時(shí)間呈指數(shù)上升。為了解決這個(gè)問題,作為國(guó)際GPS服務(wù)組織(IGS)的一個(gè)數(shù)據(jù)分析中心,JPL提出了這一方法,用于非核心GPS站的數(shù)據(jù)處理[2]。

該技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)是利用IGS提供的高精度的GPS精密衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差,以及單臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)采集的載波相位觀測(cè)值,采用載波相位與偽距組合觀測(cè)方程進(jìn)行精密單點(diǎn)定位,傳統(tǒng)模型為[3]

dtrop+λN+δmIF+ε(φIF),

dtrop+dmIF+ε(PIF)，

(1)

式中:φIF,PIF分別表示載波相位和偽距的無電離層組合觀測(cè)值;dtr表示接收機(jī)鐘差;dts表示衛(wèi)星鐘差;dtrop表示對(duì)流層延遲;δmIF和dmIF表示包括相對(duì)論效應(yīng)、固體潮、硬件延遲等一系誤差改正;λ和N分別為組合后的載波波長(zhǎng)和組合模糊度;ε(φIF)和ε(PIF)為觀測(cè)值噪聲誤差。在多歷元觀測(cè)下,可根據(jù)上述模型采用序貫最小二乘法或卡爾曼濾波法解算。

精密單點(diǎn)定位的優(yōu)點(diǎn)在于進(jìn)行精密單點(diǎn)定位時(shí),除能解算出測(cè)站坐標(biāo),同時(shí)還能解算出接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差、電離層和對(duì)流層延遲改正信息等參數(shù),這些結(jié)果可以滿足不同層次用戶的需要(如研究授時(shí)、電離層、接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差及地球自轉(zhuǎn)等)。

2 幾種在線精密單點(diǎn)服務(wù)系統(tǒng)

隨著PPP技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,國(guó)內(nèi)外有不少科研機(jī)構(gòu)相繼推出了在線網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù),這些服務(wù)絕大部分面向全球用戶免費(fèi)開放[4]。

2.1 PPP在線定位服務(wù)流程

在線精密單點(diǎn)服務(wù)系統(tǒng)是將精密單點(diǎn)定位技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,可全天候自動(dòng)為用戶提供高精度的精密單點(diǎn)定位解算。服務(wù)流程如圖1所示,用戶只需登入相應(yīng)服務(wù)網(wǎng)站,將觀測(cè)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器,系統(tǒng)將自動(dòng)下載相應(yīng)的精密星歷,并基于精密單點(diǎn)定位技術(shù)自動(dòng)解算,最后將最終解算的成果通過郵件發(fā)送給用戶。

圖1 在線精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理流程

2.2 幾種在線精密單點(diǎn)服務(wù)系統(tǒng)概述

目前全球主要有四大在線PPP服務(wù)系統(tǒng),分別是加拿大自然資源頒布的CSRS-PPP[5]、新伯倫瑞克大學(xué)頒布的GAPS-PPP[6]、美國(guó)氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)頒布的APPS[7]以及西班牙GMV公司的magicGNSS[8].

通過對(duì)這四種服務(wù)系統(tǒng)在GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理中的反復(fù)試用可得如表1所示數(shù)據(jù)處理情況。從表中可知四種服務(wù)系統(tǒng)均能處理靜態(tài)GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并且均能夠獲得ITRF框架下坐標(biāo)數(shù)據(jù),其中CSRS-PPP處理效率最高,表1示出了各服務(wù)系統(tǒng)的對(duì)比情況。

精密單點(diǎn)定位中影響數(shù)據(jù)解算收斂時(shí)間的因素很多,如觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量、采樣間隔、誤差估計(jì)模型、衛(wèi)星空間幾何構(gòu)型以及用戶所要求達(dá)到的精度等[9]。為了獲取在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)解算的收斂時(shí)間,取某觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的靜態(tài)點(diǎn)位數(shù)據(jù),采樣間隔為15 s,利用CSRS-PPP系統(tǒng)解算可知,三方向坐標(biāo)值在10 min左右時(shí)間收斂,如圖2所示。因此,在實(shí)際靜態(tài)單點(diǎn)測(cè)量像控點(diǎn)時(shí)采集半小時(shí)即滿足要求。

表1 各在線精密單點(diǎn)服務(wù)系統(tǒng)對(duì)比情況

圖2 點(diǎn)位解算收斂時(shí)間

3 算例分析

為了檢驗(yàn)上述幾種在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)解算數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精度,選取某待建高速公路航攝帶狀區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)控制網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,控制網(wǎng)點(diǎn)位成果已通過高精度數(shù)據(jù)后處理軟件GAMIT解算獲取,精度滿足C級(jí)控制點(diǎn)要求。各在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)解算成果與后處理軟件GAMIT解算的成果進(jìn)行對(duì)比,以分析獲取結(jié)論。點(diǎn)位分布情況如圖3所示,其中D字母開頭點(diǎn)位為首級(jí)控制點(diǎn),靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間為90 min,X字母開頭為加密點(diǎn),靜態(tài)測(cè)量時(shí)間為60 min.

3.1 各精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比較

圖3 點(diǎn)位分布情況

圖5 各系統(tǒng)解算與真值的比較情況

3.2 各精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)解算精度比較

將各精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)解算成果與經(jīng)高精度數(shù)據(jù)后處理軟件GAMIT解算后結(jié)果(視為“真值”)對(duì)比可分析各系統(tǒng)的解算精度。圖5示出了各系統(tǒng)解算與真值的比較情況,從圖中可知,CSRS-PPP的解算精度最優(yōu)。同理,可利用外符合精度計(jì)算公式進(jìn)一步分析各定位服務(wù)系統(tǒng)的精度。經(jīng)計(jì)算可得:CSRS-PPP三個(gè)方向(N,E,H)外符合精度分別為±7.2 cm、±4.0 cm、±5.1 cm;magicGNSS解算三方向外符合精度分別為±7.7 cm、±8.7 cm、±8.0 cm;APPS解算三個(gè)方向外符合精度分別為±8.7 cm、±10.5 cm、±10.7 cm;GAPS-PPP解算三個(gè)方向外符合精度分別為±6.8 cm、±10.0 cm、±7.8 cm.以上可知,系統(tǒng)解算的精度由高至低依次為CSRS-PPP、magicGNSS、GAPS-PPP、APPS,四種在線定位服務(wù)系統(tǒng)外符合精度均滿足大比例尺地形圖航攝像控點(diǎn)測(cè)繪精度的要求[10],可應(yīng)用于山地像控點(diǎn)測(cè)繪中。

綜合以上分析,從數(shù)據(jù)解算量、數(shù)據(jù)解算時(shí)間以及解算的穩(wěn)定性和精度等方面考慮,CSRS-PPP系統(tǒng)要優(yōu)于其他系統(tǒng)。因此,在實(shí)際運(yùn)用中,CSRS-PPP系統(tǒng)為數(shù)據(jù)解算的最佳選擇。由于利用精密單點(diǎn)定位解算后數(shù)據(jù)精度的檢核條件不夠,因此在實(shí)際作業(yè)過程中,可利用CSRS-PPP系統(tǒng)解算為主,其他系統(tǒng)解算作為驗(yàn)證,通過比對(duì)的方式,篩選出可靠的結(jié)果。在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)獲取的是ITRF框架下的坐標(biāo),根據(jù)實(shí)際坐標(biāo)結(jié)果需求,可利用測(cè)區(qū)七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型將其轉(zhuǎn)換成指定坐標(biāo)系,利用高精度區(qū)域似大地水準(zhǔn)面模型可轉(zhuǎn)換大地高為正常高。

4 結(jié)束語

本文通過實(shí)際算例分析了四種在線精密單點(diǎn)定位服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算穩(wěn)定性和精度等情況,結(jié)果表明,四種在線精密單點(diǎn)定位系統(tǒng)均可應(yīng)用于山地像控點(diǎn)測(cè)量,實(shí)際作業(yè)中可根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)處理需求的情況,采用不同的系統(tǒng)進(jìn)行解算,為控制點(diǎn)稀少的山地測(cè)區(qū)像控點(diǎn)測(cè)量提供了快速便捷的解決方法。

[1] 王玉龍,李秀麗，王建忠，等.精密單點(diǎn)定位技術(shù)在測(cè)繪生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].地礦測(cè)繪,2012,28(2):23-25.

[2] 劉焱雄,周興華,張衛(wèi)紅，等.GPS精密單點(diǎn)定位精度分析[J].海洋測(cè)繪,2005,25(1):44-46.

[3] 劉經(jīng)南,葉世榕.GPS非差相位精密單點(diǎn)定位技術(shù)探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2002,3(27):234-239.

[4] 高 攀,郭 斐,呂翠仙，等.精密單點(diǎn)定位在線GNSS數(shù)據(jù)處理精度比較分析[J].全球定位系統(tǒng),2011,36(3):21-23.

[5] NATURAL RESOURCES CANADA. Online database(CSRS On-line Database)[EB/OL]. [2014-04-05].http://webapp.geod.nrcan.gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php.

[6] UNIVERSITY of NEW BRUNSWICK. Online GAPS[EB/OL]. [2014-04-05]. http://gaps.gge.unb.ca.

[7] JET PROPULSION LABORATORY. Automatic precise positioning service-APPS[EB/OL]. [2014-04-05].http://apps.gdgps.net.

[8] GMV.magicGNSS [EB/OL]. [2014-04-05].http://magicgnss.gmv.com/ppp.

[9] 鄭作亞,黨亞民,盧秀山,等. GPS精密單點(diǎn)定位中影響收斂時(shí)間的因素及措施分析[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2009,29(5):108-111.

[10]國(guó)家測(cè)繪局測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB/T 7931-2008 1:500、1:1000、1:2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.