精密單點定位技術在海島海岸帶航空遙感調查中的應用

蔣旭惠 ，張漢德 ，韓 磊 ，董 梁 ，崔璐璐

（1.中國海監北海航空支隊，山東 青島266033；2.青島市勘察測繪研究院測繪所，山東 青島 266033）

精密單點定位技術在海島海岸帶航空遙感調查中的應用

蔣旭惠1，張漢德1，韓 磊2，董 梁1，崔璐璐1

（1.中國海監北海航空支隊，山東 青島266033；2.青島市勘察測繪研究院測繪所，山東 青島 266033）

908專項海島海岸帶航空遙感調查中，充分應用了機載LiDAR（Light Detection And Ranging）系統，其航空數字照片與激光數據的定位采用機載GPS（global Positioning System）記錄的數據，而機載GPS數據通常要與已知坐標地面點的同步觀測數據進行差分解算以提高精度，所以已知地面點的坐標精度對整個架次的定位精度起著舉足輕重的作用。由于海島、海岸帶地區地勢復雜，不可能采用常規的基站聯測方法獲取到全部需要的地面點坐標。由此，可以嘗試操作簡單、精度較高的GPS精密單點定位（Precise Point Positioning(PPP)）技術。文章闡述了GPS PPP技術在908專項中的應用情況，并進行了精度分析。分析顯示，PPP技術解算的點位坐標精度完全能滿足專項中制作1：10000正射影像圖對地面基站的要求。

精密單點定位（PPP）；星歷；鐘差；點位精度

GPS從投入使用以來，其相對定位的定位方式發展得很快，定位精度不斷提高，但需要布設至少1個基站,作業時不僅受到作用距離的限制,且儀器成本和勞動成本都比較高。而絕對定位即單點定位發展相對緩慢，其優點是數據采集和處理較為方便、自由、簡單，用戶在任一時刻只需用一臺GPS接收機就能獲得WGS-84坐標系中的三維坐標。但由于偽距觀測值的精度一般為數分米至數米，用廣播星歷所求得的衛星位置的誤差可達數米至數十米，衛星鐘改正數的誤差為±20 ns左右,只能用于一些低精度要求的領域中[1]。精密單點定位技術(PPP)集成了普通單點定位和差分定位的優點,改變了以往只能使用雙差相位定位模式才能達到較高定位精度的現狀,是繼RTK/網絡RTK技術后的又一次技術革命。精密單點定位的精度得到很大的提高，在各種領域得到廣泛的應用，如在低軌衛星的定軌定位中的應用，在海洋、沙漠、戈壁等測站點位之間距離相對較長的油礦測繪，森林面積調查、精準農業以及高精度導航等方面都發揮了很大的作用。

目前航空遙感調查中的GPS定位一般都采用傳統的差分模型，要求地面布設有足夠密度（30～50 km）的GPS基準站。我國海域遼闊,地形復雜,布設如此密集的地面基準站具有相當的難度，需投入大量人力、物力和財力。已有研究表明，基于精密單點定位技術可以實現無地面控制點的航空測量[2]。無野外控制點也是908專項的一個特點；本專項引進的機載LIDAR系統中采用了IMU/DGPS高精度姿態測量部件，更使高精度的無野外控制點的航空遙感調查方式成為現實。該技術的實施，需要在飛行數據獲取過程中，距測區一定范圍內架設一臺或多臺差分GPS基站，用以在后期數據處理中與機載數據進行差分解算，以提高機載數據的解算精度。由此，整個架次數據成果的精度就取決于地面GPS基站坐標的精度。

908專項中用到的絕大部分地面控制點的坐標是通過與IGS基站聯測得到的，然而，中國海島海岸帶地域廣博，很多地區人力難以到達并進行測量，若能將精密單點定位技術（PPP)應用于本專項的地面控制點的坐標解算中，將大大提高該階段的工作效率。

1 PPP原理與精度研究現狀

GPS精密單點定位，就是利用IGS(或其他機構)提供的GPS精密軌道和精密鐘差信息計算衛星坐標和鐘差，同時應用比較完整的物理改正模型改正定位過程中的各種誤差，進行單站的絕對定位，以確定單測站在ITRF(或WGS84)坐標系中坐標的一種定位方法[3]。

GPS精密單點定位時，若采用雙頻接收機,可以利用LC相位組合,消除電離層延時的影響。這樣,定位誤差只有軌道誤差和衛星鐘差兩類。

假設LC的觀測方程如下:

這里，

式中：φL1和φL2為相位觀測值（m）；f1和f2為頻率；N1和N2為模糊度參數；c為光速；dT和dt分別為接收機和衛星參數；Dtrop為對流層延時；ρ為星站間的幾何距離,包含衛星和接收機的位置、地球自轉參數等。

如果選擇地心地固系表示衛星軌道,計算的參考框架同為地心地固系,可以消去觀測方程中的地球自轉參數。于是,只要給定衛星的軌道和精密鐘差,采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計算出接收機的精確位置。精密單點定位中使用的是IGS數據處理中心發布的精密星歷和衛星鐘差產品，在充分考慮所有的不能忽略的誤差模型改正，且算法正確的前提下，精密單點定位的精度和可靠性很大程度上取決于IGS產品的可靠性和精度。目前，IGS所提供的精密星歷的精度已優于5 cm，衛星鐘改正數的精度已達0.1 ns，隨著接收機性能的不斷改善，載波相位測量的精度也在不斷提高，不少接收機的載波相位測量噪聲己小于1 mm。大氣延遲改正模型和改正方法的研究在不斷深入，這些都為精密單點定位的精度提供了保證。

近10多a來，GPS的理論研究已日趨成熟，特別是GPS靜態定位方面，己有成熟可靠的理論和許多成功的軟件。國內學者也對精密單點定位技術進行了深入研究，武漢大學博士研究生葉世榕，利用自己提出的改進模型及自行研制的定位軟件進行了試算，得出與國際上研究相當的結論。周利等依據2004年第122天至第125天的中國境內的10個IGS跟蹤站觀測數據用Bernese進行高精度定位解算，分析其中4個測站4天坐標分量的重復性，也就是每天的坐標與4天坐標均值的差值，可以看出它們的坐標變動基本都在亞厘米級。武漢大學的張彩虹等對三峽庫區13個控制點進行了連續觀測，選擇了昆明、北京、與拉薩IGS跟蹤站作為已知點進行解算，其中拉薩站作為參考站，利用Bernese進行PPP（精密單點定位）得到的各點坐標的標準差范圍為1.5mm≤σ≤2.1 mm，這完全滿足了GPS A級網的精度要求。

2 Bernese軟件進行單點定位解算

在已有的GPS數據處理軟件中，Bernese軟件既可用非差方法進行精密單點定位，又可用雙差方法進行整網平差，而且它能對GPS數據和GLONASS數據同時處理，是目前在高校與測繪機構使用較多的單點定位軟件。該軟件在單點定位解算時，用chebyshev多項式數值積分的方法來計算衛星的位置和鐘差。其批處理引擎BPE是一個功能強大的自動化處理工具，是該軟件在技術上的一大突破，使用者只要事先設定程序處理選項并準備好所需文檔，在執行批處理時便不需要任何干預，且在處理完畢后程序會自動提取出每一步驟處理結果的統計量，讓使用者判斷其處理質量的好壞。BPE是滿足GPS數據高精度自動處理的獨立模塊，具體處理步驟為：（1）將GPS數據進行格式轉換；（2）下載解算所需要準備的電離層文件、軌道文件、精密星歷、衛星鐘差文件、板塊文件、IGS參考坐標、速率等文件；（3）分離并編輯基站文件信息；（4）啟動BPE模塊的PPP單點定位解算功能；（5）查看解算結果與精度。其處理進程如圖1。

圖1 BPE模塊解算進程

在用Bernese進行單點定位解算時，使用IGS中心提供的數據，可以得到測站先驗坐標，它是使用批處理PPP程序、按GPS時間生成的測站坐標。在程序運行結束后的輸出文件中，可以得到單位權的后驗值，以及點位的解算坐標的后驗均方根誤差（posteriori RMS error），該參數為衡量坐標量測及解算結果精度的重要指標。

3 908基站數據處理與分析

3.1 實驗數據處理

我們下載了2008年10月11日的三個中國境內及附近IGS跟蹤站數據，如表1所示，通過BPE模塊解算單點位置。實驗證明，其解算的點位精度均值為0.3 cm。

表1 IGS中國境內及附近IGS基站單點定位精度表

對908專項獲取的基站數據進行單點定位解算的過程中，有一個關鍵問題：在獲取基站數據后，要盡快對機載數據進行解算，地面基站點的絕對坐標必須在最短的時間內獲得。而進行精密單點定位前，用戶要先從IGS網站下載精密衛星星歷和衛星鐘差文件，由此，就受到IGS公布的星歷與鐘差等文件的時間限制。精密衛星星歷及鐘差分廣播星歷、超快速星歷、快速星歷、最終星歷四種，其中快速星歷的時間延遲為17 h；最終星歷時間延遲為13 d。二者的軌道精度均＜5cm，衛星鐘差誤差＜0.1 ns。為了保證飛行數據能在最短的時間內得到解算，我們作了如下實驗，于2009年12月6日對南長山島某點進行了觀測，該點位于南長山島某山頂（位置如圖2），并分別下載快速星歷和最終星歷文件進行解算，結果如表2～表4所示。

圖2 試驗點位示意圖

表2 快速星歷解算結果后驗單位權值：0.001 06 m

表3 最終星歷解算結果后驗單位權值：0.001 12 m

表4 解算得到的坐標比較表

如表4所示，對同一基站點分別用快速星歷和最終星歷進行解算，得到的該點的坐標值，二者的絕對差均在厘米級，甚至達到亞厘米級，表明在用該解算點作為1：10 000成圖的基站點時，這兩種文件的選擇對基站點的解算結果無明顯影響，驗證了之前陳默關于星歷文件選擇的研究結論。這就保證了基站數據處理可以提前至少一周進行。不過，我們在具體實施時，除非特殊緊急情況，一般盡量采用最終星歷文件進行解算，以保證點位解算的精度與穩定性。

3.2 專項數據處理

本專項引進的的LIDAR系統中采用了IMU/DGPS高精度姿態測量部件，使高精度的無野外控制點的航空遙感調查方式成為現實。由此，整個架次數據成果的精度就取決于地面GPS基站坐標的精度。基于以上結論，我們在此次航空遙感調查專項中，充分利用了精密單點定位的優勢。在由于時間或其他客觀條件限制，不能進行聯測的基站的位置上，采用精密單點定位方式確定其三維坐標，坐標解算采用Bernese軟件的BPE模塊實現。隨機選取不同日期觀測的5個基站數據進行單點定位解算，從解算結果中查看精度評定結果如表5。

表5 基站單點定位解算精度

對5個基站的單點定位解算結果顯示，平面點位中誤差最高為1.3 cm，均值為0.9 cm。即：采用雙頻GPS接收機Trimble 5700觀測2 h以上，利用IGS公布的最終星歷產品，用Bernese軟件進行PPP單點定位，得到的基站點位精度完全能滿足作為908專項制作1：10 000正射影像圖的地面基站點的要求。此外，基站點位解算的精度，與觀測時段選擇、觀測時間長短、外部環境條件、當日的IGS公布的衛星參數以及解算時的參數設置等都有關系，關于如何提高精密單點定位的精度有必要進行后續的深入研究。

4 結語

本文將PPP技術應用于908專項地面基站的坐標解算中，進行了實驗與分析，結果顯示，靜態精密單點定位的方法滿足了專項對地面基站的要求。目前，我們已經在進行中小比例尺成圖無地面基站的機載數據動態精密單點定位的實驗，若成果精度符合要求，將使數字航空攝影測量脫離飛行數據獲取時的長時間的地面基站架設工作。

[1]劉智敏，林文介.GPS非差相位精密單點定位技術的發展[J]，桂林工學院學報，2004，3（24）：340.

[2]張小紅，劉經南.基于精密單點定位技術的航空測量應用實踐[J]，武漢大學學報(信息科學版)，2006，1（31）：20.

[3]Kouba J， Heroux P.Precise point Positioning using IGS orbit and clock products[J].GPS Solutions，2000，5（2）：12-28.

Application of PPP in the Aerial Remote Sensing Investigation of China Island and Coast Area

JIANG Xu-hui1,ZHANG Han-de1,Han Lei2，DONG Liang1,CUI Lu-lu1
（1.Northern Seas Air-Borne Detachment of China Marine Surveillance,Qingdao Shandong 266033,China;2.Qingdao Prospecting and Surveying Institute,Qingdao Shandong 266033,China）

The airborne Light Detection and Ranging system is fully used in the 908 Item,which is called as Aerial Remote Sensing Investigation of China Island and Coast Area.The airborne GPS data is used to receive the positioning of the digital photos and laser data.Generally,the precision of the airborne GPS data needs to be improved using the differential GPS solution with the synchronization GPS data on some ground points whose coordinates are known.So the precision of the known ground points are significant to the whole data.Due to the complicated physiognomy of island and coast area,the GPS conjunction with base stations is impossible.Then the Precise Point Positioning (PPP)technology turns to be a suitable means for its simple operation and higher precision.The application of PPP in the 908 item is introduced.Besides,precision analysis is made out.The results show that the solution coordinate of base stations using PPP technology could satisfy the request to make orthophotomaps of 1:10000 scale.

precise point positioning;ephemeris;clock offset;position accuracy

TP722.4

B

1003-2029（2011）02-0018-04

2010-08-24

我國近海海洋綜合調查與評價—海島、海岸帶航空遙感調查與研究（908-01-HY）

蔣旭惠（1983-），碩士研究生，就職于中國海監北海航空支隊，從事航空遙感數據處理與研究工作。