一種提高精密單點定位實時性的方法

李夫鵬,張　超,李崇輝,周佩元

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001)

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一種提高精密單點定位實時性的方法

李夫鵬,張超,李崇輝,周佩元

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001)

摘要：由于要獲取PPP需要的精密鐘差文件至少有2 d的時間延遲，因此通過提取IGS當天發布的超快星歷中的衛星鐘差數據，并對鐘差數據進行插值，將插值結果做成標準格式鐘差數據文件應用到PPP中，可以將精密單點定位的實時性提高為3～9 h。基于Bernese軟件，采用生成的鐘差文件以及當天的超快星歷文件對大量實測數據進行PPP。結果表明，對于4 h的觀測數據，該方法解算精度達到厘米級；當觀測時間大于6 h時，解算精度基本能夠穩定在1～5 cm。

關鍵詞：精密單點定位；超快星歷；鐘差；插值；IGS

精密單點定位(PrecisePointPositioning，PPP)是指利用一臺接收機的觀測數據以及IGS等組織提供的高精度的精密星歷以及衛星鐘差等產品來進行高精度單點定位的方法。這種方法只需用一臺接收機即可獨立定位，外業觀測組織實施較為方便，可在周圍沒有精確已知點的測區推廣使用[1]。

當前靜態PPP的精度能達到厘米級甚至毫米級，動態PPP的精度在厘米級到分米級之間。在實時精密衛星軌道和衛星鐘差的支持下，精密單點定位技術可以實現對數據的實時處理而得到實時的定位結果，稱為實時PPP技術[2-4]。近年來實時PPP技術得到快速發展，目前通過連續運行參考站 (ContinuousOperationalReferenceSystem，CORS)實時傳輸觀測數據進行鐘差估計的實時PPP技術已經可以達到厘米級的精度。但是這種技術的關鍵是實時鐘差的估計，需要建立一個覆蓋一定區域的GPS觀測網絡，將各站觀測數據實時傳輸至系統控制中心進行軌道的精密確定，然后利用預報的實時軌道實時估計衛星鐘差[5-12]，其代價比較昂貴，這在一般工程應用中很難做到。因此，目前實時PPP技術在工程中很難大范圍普及。

1提高PPP實時性的方法

1.1提高PPP實時性的基本思想及數據處理流程

由于IGS不提供當天的衛星鐘差文件，只提供當天的超快星歷文件，而超快星歷中含有15min時間間隔的鐘差數據。本方法的基本思想是提取超快星歷鐘差數據，并對其進行內插，然后將插值結果做成軟件能識別的標準格式鐘差文件，最后利用超快星歷中的軌道數據以及插值后的鐘差文件進行精密單點定位解算，以達到提高精密單點定位實時性的目的。通過對鐘差數據的插值也能適當提高定位解算的精度。

圖1是該方法的數據處理流程。

圖1　數據處理流程

1.2超快星歷文件準備

在工程中采用GPS精密定位軟件進行精密單點定位時需要高精度的衛星星歷以及衛星鐘差等IGS產品。但是這些高精度IGS產品并不能實時獲取，星歷文件更新時間延遲見表1。

表1　IGS提供的衛星星歷更新時間表

由表1可知，IGS提供的星歷中最快發布的是超快星歷，其更新時間延遲為3h。本文選擇IGS2015-03-11發布的4種超快星歷，分別是igu183-53_00.sp3、igu18353_06.sp3、igu18353_12.sp3、igu18353_18.sp3，其中igu1-8353_00.sp3中當天24h鐘差數據均為預報鐘差，igu18353_0 6.sp3中有6h實測鐘差數據，igu18353_12.sp3中有12h實測鐘差數據，igu18353_18.sp3中含有18h的實測鐘差數據。表2給出這幾種星歷的有效時間段以及獲取它們的時延。

表2　獲取四種超快星歷的時延

表3給出IGS提供的兩種精密衛星鐘差的有效時間及更新時間。

表3　IGS提供的衛星鐘差更新時間表

通過表3可以看出，IGS直接提供的衛星鐘差文件更新的時間延遲最少也有2d，而鐘差文件是PPP所必須的。因此，直接采用IGS提供的產品進行PPP最快也有2d的延遲時間，在實際工程測量中無法滿足對PPP實時性有一定要求的用戶的需求。

1.3內插的基本原理

本文選用兩種插值方法，分別是分段線性插值和拉格朗日二次多項式插值。

1.3.1分段線性插值

它具有以下性質：

1)φj(t)可以分段表示，在每個小區間(ti,ti+1)上是線性函數；

2)φj(ti)=f(ti),i=0,1,2,…,n。

利用該函數將超快星歷中n組15min時間間隔插值成3n組5min時間間隔的鐘差數據，這是分段線性插值方法的基本原理。

1.3.2拉格朗日二次插值

它具有以下性質：

1)φj(t)可以分段表示，在每個小區間(ti-1,ti+1)上是二次函數；

2)φj(ti)=f(ti),i=0,1,2,…,n。

利用該函數將超快星歷中n組15min時間間隔插值成3n組5min時間間隔的鐘差數據，這是拉格朗日二次插值方法的基本原理。

2實驗分析

2.1實驗數據選擇

本文選擇中國境內6個IGS站點(BJFS、CHAN、LHAZ、TWTF、URUM、WUHN)以及韓國2個IGS永久跟蹤站(SUWN、DAEJ)共8個站點2015-03-11的GPS原始觀測數據進行實驗，站點觀測數據采樣間隔為15s，觀測時間為24h。為研究原始數據觀測時間定位精度的影響，實驗分別在原始數據中截取1～15h的實驗數據，分別進行精密單點定位解算。

實驗采用Bernese軟件進行解算，將8個站點GPS周第1 835周的周坐標作為已知坐標，同實驗結果進行比對，來確定實驗結果的精度。

2.2內插方法的選擇

為了確定使用哪種插值方法，實驗分別采用4種超快星歷中的原始鐘差數據、分段線性插值后的鐘差數據、拉格朗日二次插值后的鐘差數據對8個IGS站點的24h原始觀測數據進行精密單點定位解算。解算結果同GPS周第1 835周的周坐標進行對比，各站點的實際解算誤差見圖2。

圖2　3種鐘差PPP結果誤差

由圖2可知，經過插值后的鐘差數據不管是二次插值還是線性插值PPP精度明顯高于原鐘差數據。而兩種插值方法中線性插值方法PPP解算結果較為穩定，其精度明顯高于二次差值，可見超快星歷中兩個時間點之間的衛星鐘差的變化趨勢更為接近一條直線而非拋物線。因此本文將選擇線性插值方法進行后續實驗。

表4和表5給出采用igu18353_12.sp3和igu18353_18.sp3中的鐘差數據的線性插值結果進行PPP的實際誤差。

表4　igu18353 _ 12.sp3線性插值解算誤差　m

表5　igu18353 _ 18.sp3線性插值解算誤差　m

通過表4和表5可以看出，采用24h的GPS觀測數據以及igu18353_12.sp3和igu18353_18.sp3中的鐘差數據的線性插值結果進行PPP時，其結果的精度基本能夠達到5cm以內。

2.3觀測時間長短對本方法進行PPP的影響

雖然上述實驗表明，在本方法中用igu18353_12.sp3 以及igu18353_18.sp3兩種星歷進行PPP結果精度已經達到厘米級，但是實驗采用的是IGS站24h的觀測數據，這在工程中是很難做到的。為進一步了解觀測數據的觀測時間長度對PPP結果有著怎樣的影響，本文進一步做了如下實驗：

選取BJFS、CHAN、LHAZ、TWTF、URUM、SUWN6個IGS站的原始數據以及igu18353_18.sp3作為實驗數據。首先對igu18353_18.sp3進行鐘差提取并作線性插值，生成標準格式鐘差文件igu18353_18.clk，再從6個站點的原始數據中分別截取1～15h的觀測數據，最后用Bernese軟件對不同時間間隔的觀測數據進行PPP。解算結果同GPS周第1 835周的周坐標進行對比，6個站點不同時間長度的實際解算誤差見圖3。

圖3　不同時長觀測數據PPP誤差曲線

由圖3可知，當觀測時間大于1h時，所有觀測數據的解算誤差均在0.8m以內，當觀測時間達到4h以上時，解算精度達到厘米級。表6、表7分別給出各站點6h、15h觀測數據解算的實際誤差。

表6　用6 h觀測數據進行PPP實際誤差表　m

表7　用15 h觀測數據進行PPP實際誤差表　m

由表6和表7以及圖3可以看出，當觀測時間超過6h時，用本方法進行PPP結果精度能夠穩定在1～5cm，而隨著觀測時間的增加，精度提高不明顯。

3結束語

在工程應用中，采用本方法對24h的觀測數據進行解算時，用戶僅需下載IGS提供的當天的超快星歷就能進行PPP，其定位精度能夠達到厘米級。當用戶采集的GPS數據觀測時間小于24h且大于1h時，定位精度在0.8m以內；觀測時間達到4h以上時，定位精度能夠達到厘米級；觀測時間在6h以上時，定位精度基本能夠穩定在1～5cm之間。把該方法應用到工程中可以把PPP的時間延遲由2d縮短為3～9h，能夠滿足一些對PPP實時性有一定要求的用戶需求。本文僅選用分段線性插值以及拉格朗日二次插值方法對鐘差文件進行插值，至于其它插值方法是否會有更好的效果是下一步需要重點研究的問題。

本文中編制的CLK軟件具有提取超快星歷中的鐘差數據、對鐘差數據進行插值以及生成標準格式鐘差文件等功能。經過測試，軟件生成的鐘差文件能夠被Bernese軟件識別，且軟件操作方法簡單，能在Windows平臺上運行，可以在工程應用中推廣使用。

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[責任編輯：張德福]

A method of improving the real-time location of precise point positioning

LI Fupeng，ZHANG Chao，LI Chonghui，ZHOU Peiyuan

(InformationEngineeringUniversity，Zhengzhou450001,China)

Abstract：The obtain of the precise clock error PPP needs at least two days time delay.By extracting satellite clock error data from the ultrafast ephemeris released the same day by IGS,this paper interpolates the clock error data,and uses the generated format interpolation results for PPP,which can improve the real-time location of PPP at about 3～9 hours.Based on the Bernese software,it uses the generated clock error data and ultrafast ephemeris file for a large number of measured data with PPP.The results show that for 4 hours observational data,this method can reach centimeter level accuracy,while the observation time is greater than 6 hours,the solver accuracy can be stabilized at between 1 cm to 5 cm.

Key words：precise point positioning；ultrafast ephemeris；clock error；interpolate；IGS

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.014

收稿日期：2015-06-08；修回日期：2015-10-11

基金項目：國家自然科學基金資助項目(41174025；41174026)

作者簡介：李夫鵬(1990-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：P228

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)09-0063-05