GNSS精密單點定位基本原理及應用

高云峰

【摘 要】文中詳細介紹了GN SS精密單點定位技術的基本原理及在各領域中的應用前景，供國土測繪界同行參考。

【關鍵詞】GN SS；精密單點定位；大地測量

1.前言

精密單點定位是指利用全球若干地面跟蹤站的GNSS觀測數據計算出的精密衛星軌道和衛星鐘差，對單臺GNSS接收機所采集的相位和偽距觀測值進行定位解算，利用這種預報的GNSS衛星的精密星歷或事后的精密星歷作為已知坐標起算數據；同時利用某種方式得到的精密衛星鐘差來替代用戶GNSS定位觀測值方程中的衛星鐘差參數；用戶利用單臺GNSS雙頻雙碼接收機的觀測數據在數千萬平方公里乃至全球范圍內的任意位置都可以2- 4dm級的精度，進行實時動態定位或2- 4cm級的精度進行較快速的靜態定位，精密單點定位技術是實現全球精密實時動態定位與導航的關鍵技術，也是GNSS 定位方面的前沿研究方向。

2.精密單點定位基本原理

單點定位是利用衛星星歷和一臺接收機確定待定點在地固坐標系中絕對位置的方法，其優點是一臺接收機單獨定位，觀測組織和實施方便，數據處理簡單。缺點是精度主要受系統性偏差（衛星軌道、衛星鐘差、大氣傳播延遲等）的影響，定位精度低。應用領域：低精度導航、資源普查、軍事等。對于單點定位的幾何描述，保持GNSS衛星鐘同GNSS接收機鐘同步；GNSS衛星和接收機同時產生相同的信號；采用相關技術獲得信號傳播時間；GNSS衛星鐘和GNSS接收機鐘難以保持嚴格同步，用相關技術獲得的信號傳播時間含有衛星鐘和接收機鐘同步誤差的影響。單點定位雖然是只需要一臺接收機即可，但是單點定位的結果受衛星星歷誤差、衛星鐘差以及衛星信號傳播過程中的大氣延遲誤差的影響較為顯著，故定位精度一般較差。

精密單點定位為技術針對單點定位中的影響，采用了精密星歷和精密衛星鐘差、高精度的載波相位觀測值以及較嚴密的數學模型的技術，如用戶利用單臺GNSS 雙頻雙碼接收機的觀測數據在數千萬平方公里乃至全球范圍內，點位平面位置精度可達1- 3cm，高程精度可達2- 4cm，實時定位的精度可達分米級。

利用上述推導的觀測模型，即可采用卡爾曼濾波的方法或最小二乘法進行非差精密單點定位計算，在解算時，位置參數在靜態情況下可以作為常未知數處理；在未發生周跳或修復周跳的情況下，整周未知數當作常數處理，在發生周跳的情況下，整周未知數當作一個新的常數參數進行處理；由于接收機鐘較不穩定，且存在著明顯的隨機抖動，因此將接收機鐘差參數當作白噪聲處理；而對流層影響變化較為平緩，可以先利用Saastamonen或其他模型改正，再利用隨機游走的方法估計其殘余影響。

精密單點定位的最主要的一項就是IGS提供的精密數據改正。IGS提供的產品包括：GNSS衛星星歷，GLONASS星歷，地球自轉參數，站坐標和速度，衛星鐘和跟蹤站原子鐘信息，天頂對流層延遲參數，全球電離層變化圖。利用IGS 提供的精密星歷和衛星鐘差，基于載波相位觀測值進行的高精度定位。所解算出來的坐標和使用的IGS 精密星歷的坐標框架即ITRF 框架系列一致，而不是常用的WGS- 84 坐標系統下的坐標，因此IGS 精密星歷與GNSS 廣播星歷所對應的參考框架不同。

3.進行精密單點定位要解決的問題

3.1對精密星歷和衛星鐘差進行內插。實時精密星歷可采用由IGS所提供的間隔為15 min的精密預報星歷，其精度估計約為25- 40 cm左右。由于衛星軌道變化較為平緩，故可用高階的拉格朗日多項式進行內插，求得觀測瞬間的衛星位置的預報值。雖然IGS也提供間隔為15 min的衛星鐘鐘差的預報值，但這些預報值的精度偏低，且在15min的間隔內鐘差還存在不規則變化，內插值的精度將進一步下降，從而影響精密單點定位的精度。

3.2 整周跳變的探測與修復、粗差觀測值的檢驗及剔除、整周模糊度的確定。在雙差觀測值中，各種誤差已經消除，僅包含可認為是白噪聲的觀測噪聲的影響，因此，其探測和修復周跳比較容易。而精密單點定位中只能利用單站數據進行周跳的探測和修復，其修復質量的好壞依賴于碼觀測值質量的好壞。由于精密單點定位要采用載波相位測量值，模糊度解算就成為一個重點間題。特別是在精密單點動態定位中難度較大。

3.3 精確地施加各種必要的改正。由于精密單點定位一般采用非差模型，這樣它的數學模型就相對比較復雜，與雙差不同，非差定位模式方式無法利用站間差分或星間差分消除觀測中的各種誤差，如對流層、電離層、接收機鐘差及衛星鐘差等的影響，定位時必須利用模型估計的方法消除這些誤差的影響。

4.精密單點定位對比RTK的優勢

精密單點定位采用非差觀測值模型，可用觀測值多，保留了所有觀測信息；能直接得到測站坐標；不同測站的觀測值不相關，顯然誤差也不相關，測站與測站之間無距離限制。其不利之處是未知參數多；無法采用站間或星間差分的方法消除誤差影響，必須利用完善的改正模型加以改正。整周未知數不具有整數特性。RTK采用雙差模型觀測模型，其重要優點是消除衛星鐘差、接收機鐘差的影響。對于短基線情況，可以進一步消除電離層和對流層延遲的影響，整周未知數具有整數特性。缺點是觀測值減少且相關必須至少在一個已知站上進行同步觀測才能求解測站坐標。

采用精密單點定位技術，利用單站GNSS就可以達到幾個厘米的精度，即傳統RTK的精度，其作業不受作業距離限制、不需要基準站支持，這無疑大大提高了高精度定位作業的靈活性，降低了作業成本。

5.結論及應用領域

采用精密單點定位技術，利用單站GNSS就可以達到幾個厘米的精度，即傳統RTK的精度，其作業不受作業距離限制、不需要基準站支持，這無疑大大提高了高精度定位作業的靈活性，降低了作業成本。在RTK作業盲區、精密海洋工程測量、海岸線測量、海洋測量、大面積航空攝影測量、土地測量（開發造地、土地整理）等方面具有較廣泛的應用。