基于RTKLIB的精密單點定位研究

丁慧君,羅 端,盧 兵

(1.內蒙古自治區測繪院,內蒙古呼和浩特 010051; 2.長江宜昌航道工程局,湖北宜昌 443000; 3.中國建筑第五工程局有限公司,湖南長沙 410004)

基于RTKLIB的精密單點定位研究

丁慧君1?,羅 端2,盧 兵3

(1.內蒙古自治區測繪院,內蒙古呼和浩特 010051; 2.長江宜昌航道工程局,湖北宜昌 443000; 3.中國建筑第五工程局有限公司,湖南長沙 410004)

研究利用開源免費GNSS數據處理軟件RTKLIB進行PPP解算,闡述了RTKLIB精密單點定位中使用的數據預處理方法以及電離層、對流層、頻間偏差等誤差項的采用的改正方法,設計了精密單點定位的解算策略并配置了RTKLIB軟件界面中的關鍵參數,對4個IGS測站實測數據進行了PPP定位解算,結果表明:利用RTKLIB軟件采用設計的PPP解算策略處理靜態數據,靜態PPP的收斂時間大約為15 min(到分米級),試驗中定位精度可達到厘米級。

RTKLIB;精密單點定位;PPP

1 引 言

當前,IGS(International GNSS Service)對各類產品解算進行了不斷的改進,GNSS定位技術也進入了一個新階段,精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)技術就是其代表之一。PPP技術不需要參考站或參考網絡的參與,提供GPS衛星鐘差和衛星精密星歷改正數據后,利用單臺高精度雙頻GPS接收機的載波相位和非差偽距觀測值即可實現高精度定位。這種方式大大降低野外實測的費用,同時也極大地提高了GPS精密定位操作上的靈活性。

目前,精密單點定位數據處理軟件已被國外多家公司與研究機構推出,例如:GrafNav 7.8、加拿大APPLANiX公司推出的POSPacAIR、挪威TerraTec公司推出的TerraPOS軟件、瑞士Leica公司的IPAS,但GrafNav,POSPacAIR,TerraPOS,IPAS都是商用軟件,價格較為昂貴且不提供源代碼[4]。張小紅教授開發的TriP是國內首款高精度的商用精密單點定位軟件[5],其源代碼不公開。RTKLIB是由日本學者Tomoji Takasu開發的具備GPS、GLONASS、GALILEO、BDS四系統聯合定位的軟件,包含PPP模塊。與GrafNav,POSPacAIR,TerraPOS, IPAS,TriP軟件相比,RTKLIB軟件最大的優勢在于免費,且所有源代碼公開、便于學習研究和算法測試,界面友好。探討RTKLIB軟件使用的模型改正、參數配置、解算策略,分析RTKLIB PPP定位結果精度,對于使用RTKLIB開展PPP解算具有重要意義,同時對于生產單位探索PPP技術及工程應用具有較好的參考價值。

2 精密單點定位數學模型

GPS偽距觀測值觀測方程如式(1)所示,GPS載波相位觀測值如式(2)所示。

式中,Pi、Φi分別為偽距觀測值和載波相位觀測值;ρ為GPS接收機和衛星間的幾何距離;c為真空中的光速;dt為接收機鐘差;dT為GPS衛星鐘差;dorb為GPS衛星軌道誤差;dtrop為對流層延遲;dion/i為Li頻率i=1,2上的電離層延遲;λi為Li載波波長;Ni為整周模糊度;ε(Pi)為多路徑和偽距觀測噪聲誤差;ε(Φi)為多路徑和載波相位觀測噪聲誤差。

RTKLIB中采用無電離層組合形成觀測方程,其觀測模型的簡化形式如下[2]:

3 數據預處理

從RTKLIB代碼中可以看到,在RTKLIB預處理模塊中,采用的是L1-L2 geometry free法、LLI周跳探測法,不進行周跳修復,只探測周跳。

4 誤差改正

4.1 電離層時延改正

在RTKLIB軟件的精密單點定位中,采用式(3)、式(4)的無電離層組合,在無電離層組合中,一階電離層影響被消除,殘余的高階項誤差大約為1～4cm,因此,電離層影響改正項在PPP中就可以不再考慮。需要注意的是,雙頻無電離層組合放大了觀測噪聲。

4.2 硬件延遲偏差改正(DCBs)

不同頻率的載波以及不同類型的測距碼的硬件延遲不同,設C1、P1、P2對應的硬件延遲分別為BC1、BP1、BP2,硬件延遲偏差BP1-P2、BP1-C1可達十幾個納秒,相當于幾米,這對于PPP是不可忽視的,對單頻PPP用戶更是需要考慮。IGS的精密鐘差產品是基于無電離層組合觀測值解算的,因此為正確使用IGS精密鐘差產品,對于單頻用戶而言,必須在衛星鐘差上加上一個改正數:

5 算例分析

5.1 解算策略

在RTKLIB中采用的是擴展卡爾曼濾波方法,詳細解算策略如表1所示。

表1 解算策略

RTKLIB關鍵參數配置如圖1～圖4所示。

圖1 RTKLIB配置界面1

圖2 RTKLIB配置界面2

圖3 RTKLIB配置界面3

圖4 RTKLIB配置界面4

5.2 解算結果分析

按照以上解算策略,處理了IGS跟蹤站OPTM、ZIMM、MDVJ、ONSA四個測站2012年第147天的數據,從IGS 1689周SINEX文件中提取站坐標作為已知值,將解算結果與已知值作差,再進行坐標系轉換,得到NEU三個方向的定位誤差。

結果表明,利用RTKLIB軟件采用表1所示PPP解算策略處理靜態數據,靜態PPP的收斂時間大約為15 min(到分米級),試驗定位精度ENU方向可達到厘米級,4個測站分布在全球不同區域,均獲得了厘米級的定位精度。在實際工程應用中,當測區范圍內無高精度已知點且對定位精度要求不太高時,可用該策略建立基準點,用于RTK作業等,具有較好的現實意義和應用價值。

圖5 OPTM站2012年147天PPP誤差

圖6 ZIMM站2012年147天PPP誤差

圖7 MDVJ站2012年147天PPP誤差

圖8 ONSA站2012年147天PPP誤差

[1] Zumberge J F.Automated GPS Data Analysis Service[J].GPS Solutions,1999,2(3),76.

[2] Kouba J,Heroux P.Precise Point Positioning Using IGS Orbitand Clock Products[J].GPS Solutions,2001,5(2):12～28.

[3] Gao Y,Shen X.Improving Ambiguity Convergence in Carrier Phase-based Precise Point Positioning[C].ION GPS 2001,Salt Lake City,USA,2001.

[4] 劉經南,葉世榕.GPS非差相位精密單點定位技術探討[J].武漢大學學報·信息科學版,2002,27(3):223～240.

[5] 葉世榕.GPS非差相位精密單點定位理論與實現[D].武漢:武漢大學,2002:25～27.

[6] 李瑋.GPS精密單點定位算法研究與軟件實現[D].北京:中國測繪科學研究院,2010:35.

[7] Satirapod C.General Report:Precise single point positioning software[C].School of Geometric Engineering,The University of New Source Wales,1998:12～15.

[8] Gao Y,James F M.Single-Point GPS Positioning Accuracy Using Precise GPS Data.The Australian Surveyor,1997,42 (4):185～192.

Precise Point Positioning Based on RTKLIB

Ding Huijun1,Luo Duan2,Lu Bin3
(1.Inner Mongolia Surveying and Drawing Institute,Hohhot Inner Mongolia 010051,China; 2.Changjiang Yichang Waterway Engineering Bureaus,Yichang 443000,China; 3.China Construction Fifth Engineering Division Corp.,Changsha 410004,China)

In order to develop Precise Point Positioning work using free open source RTKLIB,introduced the adopted data pre-processing method,the ionosphere,troposphere,DCB model of RTKLIB PPP.Designed a PPP positioning strategy and configured the key parameter of RTKLIB software.Four stations’field measured data were processed for PPP.The results show that convergence time of static PPP is about 15 min(to decimeter level)using designed RTKLIB PPP positioning strategy,positioning accuracy reach cm level.

RTKLIB;precise point positioning;PPP

2014—03—13

丁慧君(1986—),男,助理工程師,主要從事GPS數據采集與數據處理工作。