基于動態短基線的精密單點定位精度檢驗＊

姚飛娟，杜 娟，劉 星

（中國洛陽電子試驗裝備中心，河南 洛陽471000）

0 引 言

GPS精密單點定位（PPP）是在不作載波相位差分的情況下，利用全球若干IGS跟蹤站獲得的GPS觀測數據計算出精密衛星軌道參數、精密星歷和衛星鐘差，以及單臺雙頻GPS接收機采集的載波相位觀測值，經后軟件處理就可實現數千萬平方公里乃至全球范圍內的厘米級到分米級的動態單點定位，無需地面基準站的支持，不受作用距離的限制，大大降低了作業成本而備受各行各業用戶青睞。因而，在動態高精度測量與導航定位以及低軌道衛星定軌等方面有廣泛的應用前景[1]。但其在高動態條件下的定位精度如何影響著PPP技術更廣領域的應用。利用GPS精度鑒定測姿系統[2－3]構建的動態超短基線獲得的測量數據，采用PPP模式對動態站進行定位數據處理，通過動態GPS天線相位中心的空間相對距離與靜態實測距離比較，實現高動態GPS精密單點定位精度檢驗。以某次校飛試驗數據為例，分析得出高動態下PPP處理的實際測量精度，驗證了采用超短基線檢驗方法行之有效，具有一定的現實意義和工程參考價值，為GPS精密單點定位技術應用于高動態領域提供了參考。

1 原理簡介

1.1 GPS高動態短基線構造

在GPS精度鑒定校飛試驗中，GPS設備受機載加裝限制，而校飛試驗航路設計具有直航線、勻航速運動特點，為了測量飛機姿態，應用GPS動態相對定位理論，簡化了測姿模型，利用主、副兩臺GPS接收機，天線加裝在飛機中軸線上（如圖1中的 GPS（1）和 GPS（2）所示），構建了用于精度鑒定的機載GPS測姿系統[3]，實現了GPS高動態短基線構造。

圖1 高動態測姿短基線示意圖

1.2 高動態精密單點定位精度比較

在精度鑒定校飛試驗中，為了快速的得到事后差分計算結果，通常在試驗時在已知點位架設基準站，移動目標站為飛機，安裝兩個雙頻GPS接收機，經事后載波相位差分處理對移動目標進行定位和測速；利用雙動態解算軟件可得到機載動態GPS目標之間的相對位置。試驗前靜態條件下測量機載雙天線的基線長，其精度小于等于0.3 mm，以該測量值為真值；為了檢驗PPP動態實際定位精度，通過國際GNSS服務組織IGS網站（ftp：／／garner.ucsd.edu）下載精密星歷和鐘差，其精密星歷產品數據又可分為超快速衛星星歷（IGU）、快速衛星星歷（IGR）和最終產品衛星星歷（IGS）。這些產品在精度、時延、更新率和采樣率等方面均有不同。大量文獻資料[4－5]已證明快速衛星星歷和最終產品衛星星歷兩種產品處理解算結果無明顯差別，在任務要求時間緊迫時，可采用IGR產品進行PPP模式解算求得定位結果。為了檢驗精密單點定位動態實際定位精度，利用IGS網站ftp下載IGR精密星歷數據和鐘差對機載兩個接收機記錄數據作PPP處理獲取機載雙臺GPS定位結果，之后利用基準站觀測數據與動態站觀測數據作載波相位差分處理獲得的各自定位結果；最后利用機載雙臺觀測數據作雙動態基線解算動態基線長結果；將各自結果根據空間兩點之間的距離公式（1）得到動態條件下基線的測量長度d，與真值（靜態條件下測試值）作比較，對精密單點定位結果進行檢驗。

式中，（X主，Y主，Z主）為靠近機尾的主接收機相位中心解算的大地直角坐標系下三維坐標。

為了精確客觀的分析比對精密單點定位的誤差統計結果，以精度最高的為真值，統計其殘差的平均值、方差及總誤差，從而更直觀的了解離散解算結果測量量與真值的符合度和分布情況。比對殘差序列

式中，Pdd，Psd為空間計算基線長和真值基線長。均值：

方差：

總誤差：

2 算例數據分析

為了驗證該方法的正確性和軟件有效性，利用IGS網站服務器提供時延為17h的IGR快速精密星歷，以2012年12月某次GPS精度鑒定飛行數據為例進行分析，接收機選用諾瓦泰GPS OEMV雙頻接收機，采樣率為20Hz，飛機航速為230m／s左右，飛行高度為8 000m左右，機載基線長為6.798 7m；各設備試驗期間運行正常，整個飛行過程數據錄取完整有效，參與比較數據PDOP值在3.2左右。選用 Waypoint軟件 GrafNav 8.1PPP處理模塊，對GPS接收機碼間偏差（DCB）[6]進行修正處理，得到機載主、副接收機PPP處理結果，經公式（1）計算得到實時測量基線長；此外利用Waypoint軟件GrafNav 8.1軟件將地面靜態基準站數據與主副機載站數據作載波相位差分處理，并進行了卡爾曼濾波和電離層修正，將處理結果經公式（1）計算得出動態條件下載波相位差分實時測量基線長；通過GrafMov 8.1的快速模糊度分辨算法（即KAR）完成雙動態矢量解算處理，得到高精度動態瞬時差分基線長；將三種處理方式所測得的實時基線長與真值（試驗前靜態測量所得）作差如圖2～4所示。

圖2 精密單點定位空間解算基線殘差

圖3 精密單點定位空間解算基線殘差

由圖4顯而易見，雙動態解算基線精度最高（±0.02m之間），以該模式處理結果為真值，分析統計PPP的動態實測定位精度，其基線的殘差均值、方差和總誤差如表1所示。

圖4 精密單點定位空間解算基線殘差

表1 動態基線長誤差統計

3 結 論

利用雙動態超短基線方法檢驗高動態PPP定位精度，經試驗數據分析驗證表明，高動態條件下，通過對GPS接收機碼間偏差（DCB）[6]進行修正，PPP可實現分米級的定位精度；該檢驗方法方便、有效。精密單點定位技術在作業實時性、精度要求不高時可成功應用IGR精密星歷和鐘差數據處理進行高動態、廣域精密定位。隨著PPP技術的成熟和研究的深入，可預見其在高精度導航鑒定領域具有廣泛的應用前景，將在更廣范圍進入實質性應用。

[1]劉丙申，劉春魁，杜海濤.靶場外測精度鑒定系統[M].北京：國防工業出版社，2008.

[2]劉丙申，孫付平，張紹軍.基于GPS的外測設備精度鑒定測姿方法的研究與應用[J].全球定位系統，2011，35（4）：6－9.

[3]杜玉祥.精密單點定位精度分析[J].礦山測量，2010（1）：26－27.

[4]羅海英，李 強.基于Waypoint8的GPS精密單點定位研究[J].全球定位系統，2009，34（3）：21－25.

[5]黃 健，汪 平，阮仁貴，等.DCB大地測量與地球動力學[J].2010（3）：110－117.

[6]李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2008.