GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)在滑坡中的應(yīng)用

張華留　高雅萍　張菊　張亞茹　曾發(fā)彬　成航

摘 要：以具體滑坡監(jiān)測(cè)工程為例，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用不同的軟件和不同的解算模型，對(duì)該技術(shù)所能達(dá)到的精度、實(shí)施方案的可行性進(jìn)行討論，通過(guò)對(duì)結(jié)果的對(duì)比分析，探討GNSS精密單點(diǎn)定位技術(shù)在實(shí)際監(jiān)測(cè)工程中的具體應(yīng)用，得到一些有用的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：精密單點(diǎn)定位 誤差分析 精度

中圖分類(lèi)號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）11（a）-0058-02

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)單點(diǎn)定位（Standard Point Positioning，SPP）采用偽距觀(guān)測(cè)值和廣播星歷提供的衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)航和定位。受廣播星歷和偽距觀(guān)測(cè)值精度限制，單點(diǎn)定位精度僅為數(shù)米至數(shù)十米，無(wú)法滿(mǎn)足高精度定位需求。精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）技術(shù)是1997年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的Zumberge等人提出的，并在GIPSY軟件中實(shí)現(xiàn)。精密單點(diǎn)定位的意義是：利用事先確定的高精度衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘差，以及雙頻載波相位觀(guān)測(cè)值，采用非差模型進(jìn)行單點(diǎn)定位。精密單點(diǎn)定位與相對(duì)定位相比，最大的優(yōu)勢(shì)是不需要架設(shè)參考站，從而克服了相對(duì)定位受距離限制的問(wèn)題，單臺(tái)接收機(jī)即可實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)定位[1]。PPP僅需要單臺(tái)接收機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)定位，作業(yè)效率高、費(fèi)用低，適用于各種環(huán)境，同時(shí)也為大范圍、大規(guī)模GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理提供了一種新的解決思路[2]，但由于采用非差分觀(guān)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，一些可以通過(guò)差分消除的誤差，在非差觀(guān)測(cè)模型中必須重點(diǎn)考慮這些因素的影響，例如衛(wèi)星天線(xiàn)相位中心偏差、接收機(jī)天線(xiàn)相位中心偏差及地球固體潮、海洋負(fù)荷等對(duì)測(cè)站坐標(biāo)的影響就必須在單點(diǎn)定位中主要考慮。采用何種觀(guān)測(cè)值模型，采用怎樣的誤差修正模型就直接影響到精密單點(diǎn)定位技術(shù)的應(yīng)用。該文結(jié)合具體滑坡監(jiān)測(cè)工程，采用精密單點(diǎn)定位方法解算點(diǎn)位坐標(biāo)，通過(guò)不同的精密單點(diǎn)解算軟件的計(jì)算和不同的計(jì)算模型的對(duì)比分析，分析精密單點(diǎn)定位方法在滑坡監(jiān)測(cè)中的適用性。

1 精密單點(diǎn)定位基礎(chǔ)

1.1 精密單點(diǎn)定位觀(guān)測(cè)方程

觀(guān)測(cè)量有偽距觀(guān)測(cè)量和載波相位觀(guān)測(cè)量?jī)煞N，在地固系中偽距觀(guān)測(cè)值的非線(xiàn)性觀(guān)測(cè)方程如下所示。

1.2 精密單點(diǎn)定位的誤差源

（1）同測(cè)站、接收機(jī)有關(guān)的誤差。主要是接收機(jī)天線(xiàn)相位中心偏差、接收機(jī)鐘差、地球自轉(zhuǎn)的影響、潮汐的影響。（2）同衛(wèi)星有關(guān)的誤差。包括衛(wèi)星鐘差、相對(duì)論效應(yīng)、衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星天線(xiàn)相位中心偏差及相位纏繞。（3）同信號(hào)傳播有關(guān)的誤差。主要是電離層延遲、對(duì)流層延遲以及多路徑效應(yīng)。在GPS精密單點(diǎn)定位中，需要利用這些原始的載波相位和偽距觀(guān)測(cè)值形成線(xiàn)性組合觀(guān)測(cè)值，以幫助確定相位模糊度，進(jìn)行周跳的探測(cè)和修復(fù)等。

1.3 常用的組合模型

觀(guān)測(cè)值之間的線(xiàn)性組合如下所示。

其中n、m為常數(shù)，在所有的任意線(xiàn)性組合中，只有遵循一些重要準(zhǔn)則的組合才有意義，其標(biāo)準(zhǔn)為：（1）組合觀(guān)測(cè)值應(yīng)能保持模糊度的整數(shù)特性，以利于正確確定整周模糊度；（2）組合觀(guān)測(cè)值應(yīng)具有適當(dāng)?shù)奶匦裕兄谥芴奶綔y(cè)；（3）組合觀(guān)測(cè)值應(yīng)不受或基本不受電離層折射影響；（4）組合觀(guān)測(cè)值應(yīng)具有較小的測(cè)量噪聲。

2 常用精密單點(diǎn)定位軟件簡(jiǎn)介

2.1 TriP軟件

TriP軟件是武漢大學(xué)張小紅教授開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)首款高精度的商用精密單點(diǎn)定位軟件，其源代碼不公開(kāi)。

2.2 GAMIT

GAMIT/GLOCK軟件是分析研究高精度GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件，它由美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）聯(lián)合開(kāi)發(fā)，其源代碼開(kāi)放。軟件設(shè)計(jì)基于支持X-Window的UNIX系統(tǒng)，現(xiàn)在的版本適用于Sun（OS/4，Solaris 2）、HP、IBM/RISC、DEC和基于、Intel工作站的LINUX操作系統(tǒng)。作為科研軟件，GAMIT/GLOBK供研究和教育部門(mén)無(wú)償使用，只需通過(guò)正式途徑得到使用許可證。

2.3 Bernese

Bernese是瑞士伯尼爾大學(xué)天文研究所研發(fā)的高精度數(shù)據(jù)處理軟件。可以采用非差模型進(jìn)行精密單點(diǎn)定位解算。現(xiàn)推出Bernese 5.0。

3 實(shí)例分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取

此次實(shí)驗(yàn)選取某滑坡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該區(qū)域位于隴南山區(qū)丘陵地帶，所有點(diǎn)均埋樁。觀(guān)測(cè)時(shí)間為6～12 h。觀(guān)測(cè)時(shí)間為2014年11月～2015年3月共5期。選取3個(gè)已知GPS控制點(diǎn)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用已知GPS數(shù)據(jù)作為對(duì)比參考。

3.2 方案設(shè)計(jì)

（1）運(yùn)用相對(duì)定位和精密單點(diǎn)定位模型進(jìn)行解算，對(duì)比各種解算結(jié)果的坐標(biāo)差，確定解算精度及適合的解算模型。

（2）選擇panda，GAMIT精密單點(diǎn)定位軟件進(jìn)行解算，對(duì)解算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.3 具體試驗(yàn)結(jié)果

利用GAMIT軟件對(duì)各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)四期觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如表1。

3.4 分析研究

通過(guò)對(duì)表格分析，我們得到以下結(jié)論：（1）采用GAMIT 軟件，對(duì)每期單點(diǎn)定位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)變化可以反映到小數(shù)點(diǎn)后5位，說(shuō)明精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)微小改變。（2）對(duì)比GAMIT和panda解算結(jié)果，兩者解算數(shù)據(jù)差在小數(shù)點(diǎn)后6位上，反映兩種解算軟件均可精確解算精密單點(diǎn)定位觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解算，我們可以確定精密單點(diǎn)定位技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

此次實(shí)驗(yàn)是用一個(gè)滑坡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)經(jīng)典相對(duì)定位的解算和采用精密單點(diǎn)定位方法解算的對(duì)比，來(lái)說(shuō)明精密單點(diǎn)定位技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用的可行性。由于該文只對(duì)點(diǎn)位的經(jīng)緯度坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)于高程精度，該文沒(méi)有作過(guò)多研究，由于研究時(shí)間的限制，該文研究的問(wèn)題只限于定位精度的對(duì)比，而沒(méi)有從改進(jìn)誤差模型的角度出發(fā)，結(jié)論可能具有一定的有限性。但是，就精密單點(diǎn)定位技術(shù)的具體應(yīng)用而言，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常突出。相信在不久的未來(lái)，該技術(shù)必將廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪平.GPS單頻精密單點(diǎn)定位理論研究與算法實(shí)現(xiàn)[D].解放軍信息工程大學(xué)，2010.

[2] 季朝亮，齊中華，張力仁，等.利用精密單點(diǎn)定位（PPP）方法在黑龍江省進(jìn)行1：10 000像片控制測(cè)量的精度分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2014（10）：234-236，242.