GPS-PPK技術(shù)測量精度試驗(yàn)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(tài)相對定位技術(shù)。由于它是后處理，用戶不需要有數(shù)據(jù)通信鏈路。當(dāng)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(shí)時獲得定位結(jié)果的領(lǐng)域。但是，GPS-PPK技術(shù)在作業(yè)過程中傳輸差分信息的通訊鏈穩(wěn)定性受到距離和作業(yè)環(huán)境的制約進(jìn)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(shù)據(jù)，進(jìn)行相同距離下的BDS+GPS-PPK、GPS-PPK和BDS-PPK的精度對比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同系統(tǒng)和組合系統(tǒng)的PPK技術(shù)的平面和高程精度大部分也在6mm、10mm以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：精度分析;誤差統(tǒng)計(jì);PPK;系統(tǒng)

中圖分類號：P228.4文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)（Global Positioning System）在測繪領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，測繪工作者的工作效率不斷提高，同時降低了測繪外業(yè)的勞動強(qiáng)度。GPS的動態(tài)測量技術(shù)日益成熟，具有了全天候、精度高，自動化的特點(diǎn)。PPK（Post Processing Kinematic）技術(shù)是較早的GPS動態(tài)差分技術(shù)方式，它的測量方法是通過同步觀測基準(zhǔn)站和移動站同步GPS衛(wèi)星。同時，收集至少兩個歷元來計(jì)算基線。在獲取儀器間的相對位置后，根據(jù)基站坐標(biāo)，從而推算出流動站的三維坐標(biāo)。在現(xiàn)階段PPK技術(shù)運(yùn)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(shù)的聯(lián)合應(yīng)用[1-2]。有具體說明了PPK數(shù)據(jù)的解算過程并用具體數(shù)據(jù)證明了其精準(zhǔn)度[3]。徐賢青，李東強(qiáng)在GPS-PPK技術(shù)在偏遠(yuǎn)地區(qū)測量的應(yīng)用實(shí)踐中探討了PPK技術(shù)在偏遠(yuǎn)地區(qū)的應(yīng)用，分析了其測量精度，提供了其在實(shí)際測量中的測量方法和注意事項(xiàng)[4]。張穎，沈衛(wèi)明等將GPS動態(tài)后處理技術(shù)（GPS-PPK）運(yùn)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(tài)處理方法的縮寫，又被稱作準(zhǔn)動態(tài)法、半動態(tài)法、停停走走法。GPS-PPK的測量方式是將一臺進(jìn)行同步觀測的接收機(jī)安放在一個已知坐標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)上，將另一臺流動接收機(jī)放于地面監(jiān)測點(diǎn)之上，對天空中的GPS衛(wèi)星同步觀測。也就是固定站的接收機(jī)保持連續(xù)觀測，進(jìn)行初始化的移動站接收機(jī)進(jìn)行遷站，搬站到下一個待測點(diǎn)，這個過程中，必須讓接收機(jī)與衛(wèi)星的連接，這樣可以將整周模糊度完好的傳遞到下一個點(diǎn)。基準(zhǔn)站與移動站的同步觀測接收到的數(shù)據(jù)需要計(jì)算機(jī)的線性組合，換算成虛擬的載波相位觀測值，解算出接收機(jī)之間的相對方位與距離，并根據(jù)已知坐標(biāo)，從而推算出移動站的三維坐標(biāo)。本系統(tǒng)不需要實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)鏈，就可以進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，本技術(shù)是十分重要的在野外測量時。待測點(diǎn)可以出現(xiàn)在基準(zhǔn)站的作業(yè)范圍的任意地方，移動站與基準(zhǔn)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(tǒng)比實(shí)時RTK測量系統(tǒng)要好。

1.2 GPS-PPK作業(yè)流程

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

（2）設(shè)置移動站。安置其余的一臺或多臺接收機(jī)當(dāng)作移動站。如果是采用Trimble接收機(jī)，需要將觀測模式設(shè)定為PPK模式。如果使用其他的接收機(jī)，就將模式設(shè)定為常規(guī)靜態(tài)測量。移動站與基準(zhǔn)站采樣間隔需要一致。

（3）測量。在PPK測量時需要將儀器進(jìn)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(jī)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(jī)則需要連續(xù)觀測至少18min的時間，然后將儀器改為動態(tài)觀測的模式測量點(diǎn)坐標(biāo)，待測點(diǎn)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(jī)要一直保持開機(jī)狀態(tài)，方可保證接收機(jī)時時刻刻都能對衛(wèi)星進(jìn)行不間斷追蹤。若在測量過程中遇到衛(wèi)星失鎖的情況，則重新進(jìn)行初始化。

測中的初始化：如果在測前沒有進(jìn)行初始化直接測量，則每一個點(diǎn)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(jī)器一直處于開機(jī)，進(jìn)而保證接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行不間斷的實(shí)時追蹤，于此同時進(jìn)行一邊觀測，一邊等待初始化完成。如果在觀測中出現(xiàn)了衛(wèi)星失鎖的狀況，就需要對儀器進(jìn)行重新初始化。如果儀器是在初始化完成之后出現(xiàn)衛(wèi)星失鎖的情況，則需要對初始化完成之前的測得的點(diǎn)進(jìn)行重測。

為了確保測量成果精度的精準(zhǔn)，需要在整個工作過程中對本測區(qū)內(nèi)的2～4個已知的控制點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

為了確保測量成果精度的精準(zhǔn)，需要在整個工作過程中對本測區(qū)內(nèi)的2～4個已知的控制點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

1.3 GPS-PPK數(shù)據(jù)處理

測量結(jié)束之后，利用軟件及時將移動站和基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的進(jìn)行下載、保存。GPS-PPK數(shù)據(jù)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(quán)，進(jìn)而開始三維無約束平差，并推算出點(diǎn)在地方坐標(biāo)系上的三維坐標(biāo)同時進(jìn)行精度評定。

（3）三維約束平差，利用三圍基準(zhǔn)站在當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)中的坐標(biāo)值，對整個測量網(wǎng)進(jìn)行三維約束平差，進(jìn)而獲得測量點(diǎn)在地方坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值并進(jìn)行精度評定。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證不同系統(tǒng)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(shù)據(jù)，兩組測站均使用LEICA GR50接收機(jī)，可以接收GPS和BDS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。兩個站間距約10km，在分析中同樣以靜態(tài)觀測結(jié)果為真實(shí)值，計(jì)算PPK測量每個歷元定位結(jié)果的真誤差，并進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本情況如表1所示。

3 數(shù)據(jù)處理軟件

利用Trimble Business Center（以下簡稱TBC）軟件處理PPK數(shù)據(jù)的主要步驟如下：

（1）啟動TBC軟件后，在文件菜單點(diǎn)擊新建工程。按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工程相關(guān)設(shè)置，坐標(biāo)系、單位、默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)誤差、基線處理質(zhì)量等，主要是基線處理一欄下：基線解類型、質(zhì)量控制、衛(wèi)星高度角等。導(dǎo)入觀測數(shù)據(jù)，并查看導(dǎo)入數(shù)據(jù)情況，如觀測時間、天線類型等。

（2）在“導(dǎo)入文件”移動站文件下點(diǎn)擊左邊+號，選中點(diǎn)，右鍵菜單選擇屬性，然后在屬性里點(diǎn)擊菜單頂部的“強(qiáng)制連續(xù)”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(jìn)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(shù)據(jù)處理結(jié)果。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

4.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)基線解算的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，GPS+BDS、GPS和BDS系統(tǒng)的東方向、北方向和高程方向的誤差填寫到表2～4。根據(jù)之前的解算結(jié)果，計(jì)算出不同系統(tǒng)的點(diǎn)位中誤差填寫到表5。

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1） 表2是對基線HKKT-HKLT在不同系統(tǒng)下東方向的誤差統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出GPS+BDS系統(tǒng)東方向誤差主要集中在0～5mm的范圍內(nèi)，占總數(shù)的94.7%，該比例明顯高于GPS和BDS，說明GPS+BDS系統(tǒng)組合東方向精度高于單系統(tǒng)，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(tǒng)下北方向的誤差統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出GPS+BDS與GPS系統(tǒng)在北方向的誤差分布基本相同，而BDS系統(tǒng)明顯不如前兩種系統(tǒng)。

（3）表4是對基線HKKT-HKLT在不同系統(tǒng)下高程方向的誤差統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出GPS+BDS系統(tǒng)最好， BDS系統(tǒng)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(jié)果中，GPS和BDS解算結(jié)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(tǒng)，尤其是在高程方向有明顯改善。

5 結(jié)束語

在信息與技術(shù)飛速發(fā)展的時代，衛(wèi)星定位測量已經(jīng)成為了測繪領(lǐng)域的重要手段之一。這一切都?xì)w結(jié)于衛(wèi)星定位的高精度、高效率、全天候、多功能、操作簡便的特點(diǎn)。本文研究了GPS-PPK技術(shù)從定位原理與方法，再到數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)對本文作出以下總結(jié)：不同系統(tǒng)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(tǒng)。

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