GPS-PPK技術測量精度試驗與分析

孫建宇 謝宏全 李培顯 汪秋玲 蘆斌

摘? 要：GPS-PPK是一種利用后處理載波相位觀測值的動態相對定位技術。由于它是后處理，用戶不需要有數據通信鏈路。當然，不必考慮移動臺是否能接收到來自基站的無線信號，因此觀測更方便、更自由，適合于不需要實時獲得定位結果的領域。但是，GPS-PPK技術在作業過程中傳輸差分信息的通訊鏈穩定性受到距離和作業環境的制約進而影響到GPS-PPK的精度。針對以上問題利用香港CORS兩個相隔約10km的基站HKKT和HKLT觀測數據，進行相同距離下的BDS+GPS-PPK、GPS-PPK和BDS-PPK的精度對比分析。實驗結果表明：不同系統和組合系統的PPK技術的平面和高程精度大部分也在6mm、10mm以內。

關鍵詞：精度分析;誤差統計;PPK;系統

中圖分類號：P228.4文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）33-0142-03

Abstract： GPS-PPK is a kind of dynamic relative positioning technology using post-processing carrier phase observations. Since it is post-processing， users do not need to have a data communication link. Of course， it is unnecessary to consider whether the mobile station can receive the wireless signal from the base station， so the observation is more convenient and free， and it is suitable for the field that does not need to obtain the positioning results in real time. However， the stability of communication chain of GPS-PPK technology transmitting differential information in the process of operation is restricted by distance and working environment， which affects the accuracy of GPS-PPK. In view of the above problems， the accuracy of BDS+GPS-PPK， GPS-PPK and BDS-PPK under the same distance is compared and analyzed by using the HKKT and HKLT observation data of two CORS base stations about 10km apart in Hong Kong. The experimental results show that the plane and elevation accuracy of PPK technology of different systems and combined systems are mostly within 6 mm and 10 mm.

Keywords： accuracy analysis; error statistics; PPK; system

引言

全球定位系統（Global Positioning System）在測繪領域的不斷應用，測繪工作者的工作效率不斷提高，同時降低了測繪外業的勞動強度。GPS的動態測量技術日益成熟，具有了全天候、精度高，自動化的特點。PPK（Post Processing Kinematic）技術是較早的GPS動態差分技術方式，它的測量方法是通過同步觀測基準站和移動站同步GPS衛星。同時，收集至少兩個歷元來計算基線。在獲取儀器間的相對位置后，根據基站坐標，從而推算出流動站的三維坐標。在現階段PPK技術運用于很多方面。有充分介紹了PPK與RTK的工作原理和PPK的工作流程，并分析對比了PPK與RTK的相同、不同之處以及這兩種技術的聯合應用[1-2]。有具體說明了PPK數據的解算過程并用具體數據證明了其精準度[3]。徐賢青，李東強在GPS-PPK技術在偏遠地區測量的應用實踐中探討了PPK技術在偏遠地區的應用，分析了其測量精度，提供了其在實際測量中的測量方法和注意事項[4]。張穎，沈衛明等將GPS動態后處理技術（GPS-PPK）運用到了海下地下測量中[5]。

1 GPS-PPK定位原理和方法

1.1 GPS-PPK測量的基本原理

GPS-PPK（Post Processing Kinematic）是GPS事后差分動態處理方法的縮寫，又被稱作準動態法、半動態法、停停走走法。GPS-PPK的測量方式是將一臺進行同步觀測的接收機安放在一個已知坐標的基準點上，將另一臺流動接收機放于地面監測點之上，對天空中的GPS衛星同步觀測。也就是固定站的接收機保持連續觀測，進行初始化的移動站接收機進行遷站，搬站到下一個待測點，這個過程中，必須讓接收機與衛星的連接，這樣可以將整周模糊度完好的傳遞到下一個點。基準站與移動站的同步觀測接收到的數據需要計算機的線性組合，換算成虛擬的載波相位觀測值，解算出接收機之間的相對方位與距離，并根據已知坐標，從而推算出移動站的三維坐標。本系統不需要實時傳輸數據鏈，就可以進行動態監測，本技術是十分重要的在野外測量時。待測點可以出現在基準站的作業范圍的任意地方，移動站與基準站之間一般不受地物地貌的影響，因此事后差分GPS-PPK測量系統比實時RTK測量系統要好。

1.2 GPS-PPK作業流程

（1）基站安放。將儀器架設在測區中的選取任意位置的一個合適的點，放置一臺可以進行靜態觀測的GPS接收機，儀器需要設定為1s、2s或5s的采樣間隔。或者在已知的控制點上安置測量儀器。

（2）設置移動站。安置其余的一臺或多臺接收機當作移動站。如果是采用Trimble接收機，需要將觀測模式設定為PPK模式。如果使用其他的接收機，就將模式設定為常規靜態測量。移動站與基準站采樣間隔需要一致。

（3）測量。在PPK測量時需要將儀器進行初始化，初始化可分為在測前初始化和測中初始化。

在測前的初始化：接收機至少需要先觀測10min以上，并靜待測量手簿提示儀器初始化完畢。如果是使用其他接收機則需要連續觀測至少18min的時間，然后將儀器改為動態觀測的模式測量點坐標，待測點的精度要求通常需要至少收集8個以上的觀測歷元（每一個觀測歷元的間隔至少為2s），測中流動站接收機要一直保持開機狀態，方可保證接收機時時刻刻都能對衛星進行不間斷追蹤。若在測量過程中遇到衛星失鎖的情況，則重新進行初始化。

測中的初始化：如果在測前沒有進行初始化直接測量，則每一個點需要接收至少8個歷元，在儀器的測量過程中同樣要保持機器一直處于開機，進而保證接收機對衛星進行不間斷的實時追蹤，于此同時進行一邊觀測，一邊等待初始化完成。如果在觀測中出現了衛星失鎖的狀況，就需要對儀器進行重新初始化。如果儀器是在初始化完成之后出現衛星失鎖的情況，則需要對初始化完成之前的測得的點進行重測。

為了確保測量成果精度的精準，需要在整個工作過程中對本測區內的2～4個已知的控制點進行檢驗。

為了確保測量成果精度的精準，需要在整個工作過程中對本測區內的2～4個已知的控制點進行檢驗。

1.3 GPS-PPK數據處理

測量結束之后，利用軟件及時將移動站和基準站的數據相對應的進行下載、保存。GPS-PPK數據解算的過程一般分為如下3個步驟：

（1）基線處理，解算基站與全部流動站之間的基線。

（2）三維無約束平差，測量的觀測值是用GPS-PPK的基線向量，用它的方差陣的逆作權，進而開始三維無約束平差，并推算出點在地方坐標系上的三維坐標同時進行精度評定。

（3）三維約束平差，利用三圍基準站在當地坐標系統中的坐標值，對整個測量網進行三維約束平差，進而獲得測量點在地方坐標系中的坐標值并進行精度評定。

2 實驗數據

為了驗證不同系統解算PPK的精度水平，使用了香港CORS中兩個基站HKKT和HKLT在2018年5月1日1h的觀測數據，兩組測站均使用LEICA GR50接收機，可以接收GPS和BDS衛星觀測數據。兩個站間距約10km，在分析中同樣以靜態觀測結果為真實值，計算PPK測量每個歷元定位結果的真誤差，并進行精度統計。實驗數據的基本情況如表1所示。

3 數據處理軟件

利用Trimble Business Center（以下簡稱TBC）軟件處理PPK數據的主要步驟如下：

（1）啟動TBC軟件后，在文件菜單點擊新建工程。按照設計要求進行工程相關設置，坐標系、單位、默認標準誤差、基線處理質量等，主要是基線處理一欄下：基線解類型、質量控制、衛星高度角等。導入觀測數據，并查看導入數據情況，如觀測時間、天線類型等。

（2）在“導入文件”移動站文件下點擊左邊+號，選中點，右鍵菜單選擇屬性，然后在屬性里點擊菜單頂部的“強制連續”按鈕。

（3）選擇菜單測量中的處理基線，打開處理基線對話框，選擇需要處理的基線并進行基線處理。完成基線處理后，從基線處理界面可以查看每條基線的RMS、解類型等信息。固定的基線可以選擇查看PPK數據處理結果。

4 數據統計與分析

4.1 數據統計

根據基線解算的結果進行統計，GPS+BDS、GPS和BDS系統的東方向、北方向和高程方向的誤差填寫到表2～4。根據之前的解算結果，計算出不同系統的點位中誤差填寫到表5。

4.2 數據結果分析

（1） 表2是對基線HKKT-HKLT在不同系統下東方向的誤差統計，從表中可以看出GPS+BDS系統東方向誤差主要集中在0～5mm的范圍內，占總數的94.7%，該比例明顯高于GPS和BDS，說明GPS+BDS系統組合東方向精度高于單系統，而GPS和BDS在東方向的誤差分布基本一致，說明二者精度相同。

（2）表3是對基線HKKT-HKLT在不同系統下北方向的誤差統計，從表中可以看出GPS+BDS與GPS系統在北方向的誤差分布基本相同，而BDS系統明顯不如前兩種系統。

（3）表4是對基線HKKT-HKLT在不同系統下高程方向的誤差統計，從表中可以看出GPS+BDS系統最好， BDS系統得到的高程精度略低于GPS。

（4） 表5可以看出在GPS+BDS、GPS和BDS解算結果中，GPS和BDS解算結果的平面精度基本相同，沒有顯著差別，BDS高程方向精度略低于GPS。然而利用GPS+BDS組合解算精度明顯高于單系統，尤其是在高程方向有明顯改善。

5 結束語

在信息與技術飛速發展的時代，衛星定位測量已經成為了測繪領域的重要手段之一。這一切都歸結于衛星定位的高精度、高效率、全天候、多功能、操作簡便的特點。本文研究了GPS-PPK技術從定位原理與方法，再到數據分析，現對本文作出以下總結：不同系統下GPS-PPK的定位精度， GPS和BDS解算精度基本相同，沒有顯著差別，而GPS+BDS解算精度明顯高于單系統。

參考文獻：

[1]劉小兵，黃飛.GPS PPK技術在測量外業中的應用探討[J].建材與裝飾，2017（19）：234-235.

[2]涂果.GPS PPK技術在測量外業中的應用探討[J].科技風，2019（18）：75.

[3]葛超，劉嬌，白斌.淺談基于TBC與TGO軟件的GPS PPK測量解算[J].測繪與空間地理信息，2016，39（12）：155-157.

[4]徐賢青，李東強.GPS PPK技術在偏遠地區測量的應用實踐[J].經緯天地，2015（4）：40-42.

[5]張穎，沈衛明，李靜，等.南黃海輻射沙脊群海域GPS-PPK海測方案應用分析[J].現代測繪，2019，42（03）：46-48.