在線精密單點定位服務系統在山區像控測量中的可行性分析

鞏英明,王俊強,張 飛

(1.68029部隊,甘肅 蘭州 730020;2.96633部隊,北京 102218)

0 引 言

在大比例尺地形圖航空攝影測量任務中,航測所需像控點的測量主要依靠GPS載波相位實時動態(RTK)、GPS靜態相對測量或全站儀測量等方式,這些方式都能獲得滿足測量精度的數據。在山地困難地區,尤其是西部地區,呈現大地控制點少、地形起伏較大等特點,使得在這些測區野外實施像控點測量時,利用RTK或者GPS靜態相對測量方式的可行性不高。隨著精密單點定位技術的不斷成熟,目前精密單點定位技術能夠實現非差分條件下達到厘米級別的單點定位精度[1],將精密單點定位技術應用于山區像控點測量中,能夠克服傳統GPS靜態相對測量方式對已知大地控制點的依賴,以及RTK差分信號傳輸受地形起伏影響大的缺點,適應于高山地區像控野外測量任務。本文以某西部高山地區大比例尺地形圖航空攝影測量實例為基礎,對幾種在線精密單點定位服務系統應用于像控測量的可行性進行了分析。

1 精密單點定位技術原理

精密單點定位技術(PPP)是由美國噴氣推進實驗室(JPL)的Zumberge于1997年提出的。20世紀90年代末,由于GPS全球跟蹤站的數量急劇上升,全球GPS數據處理工作量不斷增加,計算時間呈指數上升。為了解決這個問題,作為國際GPS服務組織(IGS)的一個數據分析中心,JPL提出了這一方法,用于非核心GPS站的數據處理[2]。

該技術具體實現是利用IGS提供的高精度的GPS精密衛星星歷和衛星鐘差,以及單臺雙頻GPS接收機采集的載波相位觀測值,采用載波相位與偽距組合觀測方程進行精密單點定位,傳統模型為[3]

dtrop+λN+δmIF+ε(φIF),

dtrop+dmIF+ε(PIF)，

(1)

式中:φIF,PIF分別表示載波相位和偽距的無電離層組合觀測值;dtr表示接收機鐘差;dts表示衛星鐘差;dtrop表示對流層延遲;δmIF和dmIF表示包括相對論效應、固體潮、硬件延遲等一系誤差改正;λ和N分別為組合后的載波波長和組合模糊度;ε(φIF)和ε(PIF)為觀測值噪聲誤差。在多歷元觀測下,可根據上述模型采用序貫最小二乘法或卡爾曼濾波法解算。

精密單點定位的優點在于進行精密單點定位時,除能解算出測站坐標,同時還能解算出接收機鐘差、衛星鐘差、電離層和對流層延遲改正信息等參數,這些結果可以滿足不同層次用戶的需要(如研究授時、電離層、接收機鐘差、衛星鐘差及地球自轉等)。

2 幾種在線精密單點服務系統

隨著PPP技術和網絡技術的不斷發展,國內外有不少科研機構相繼推出了在線網絡定位服務,這些服務絕大部分面向全球用戶免費開放[4]。

2.1 PPP在線定位服務流程

在線精密單點服務系統是將精密單點定位技術與網絡技術相結合,可全天候自動為用戶提供高精度的精密單點定位解算。服務流程如圖1所示,用戶只需登入相應服務網站,將觀測數據上傳服務器,系統將自動下載相應的精密星歷,并基于精密單點定位技術自動解算,最后將最終解算的成果通過郵件發送給用戶。

圖1 在線精密單點定位數據處理流程

2.2 幾種在線精密單點服務系統概述

目前全球主要有四大在線PPP服務系統,分別是加拿大自然資源頒布的CSRS-PPP[5]、新伯倫瑞克大學頒布的GAPS-PPP[6]、美國氣動力實驗室(JPL)頒布的APPS[7]以及西班牙GMV公司的magicGNSS[8].

通過對這四種服務系統在GPS觀測數據處理中的反復試用可得如表1所示數據處理情況。從表中可知四種服務系統均能處理靜態GPS觀測數據,并且均能夠獲得ITRF框架下坐標數據,其中CSRS-PPP處理效率最高,表1示出了各服務系統的對比情況。

精密單點定位中影響數據解算收斂時間的因素很多,如觀測數據質量、采樣間隔、誤差估計模型、衛星空間幾何構型以及用戶所要求達到的精度等[9]。為了獲取在線精密單點定位服務系統解算的收斂時間,取某觀測數據質量良好的靜態點位數據,采樣間隔為15 s,利用CSRS-PPP系統解算可知,三方向坐標值在10 min左右時間收斂,如圖2所示。因此,在實際靜態單點測量像控點時采集半小時即滿足要求。

表1 各在線精密單點服務系統對比情況

圖2 點位解算收斂時間

3 算例分析

為了檢驗上述幾種在線精密單點定位服務系統解算數據的穩定性和精度,選取某待建高速公路航攝帶狀區域內基礎控制網部分數據進行驗證,控制網點位成果已通過高精度數據后處理軟件GAMIT解算獲取,精度滿足C級控制點要求。各在線精密單點定位服務系統解算成果與后處理軟件GAMIT解算的成果進行對比,以分析獲取結論。點位分布情況如圖3所示,其中D字母開頭點位為首級控制點,靜態數據測量時間為90 min,X字母開頭為加密點,靜態測量時間為60 min.

3.1 各精密單點定位服務系統處理數據穩定性比較

圖3 點位分布情況

圖5 各系統解算與真值的比較情況

3.2 各精密單點定位服務系統解算精度比較

將各精密單點定位服務系統解算成果與經高精度數據后處理軟件GAMIT解算后結果(視為“真值”)對比可分析各系統的解算精度。圖5示出了各系統解算與真值的比較情況,從圖中可知,CSRS-PPP的解算精度最優。同理,可利用外符合精度計算公式進一步分析各定位服務系統的精度。經計算可得:CSRS-PPP三個方向(N,E,H)外符合精度分別為±7.2 cm、±4.0 cm、±5.1 cm;magicGNSS解算三方向外符合精度分別為±7.7 cm、±8.7 cm、±8.0 cm;APPS解算三個方向外符合精度分別為±8.7 cm、±10.5 cm、±10.7 cm;GAPS-PPP解算三個方向外符合精度分別為±6.8 cm、±10.0 cm、±7.8 cm.以上可知,系統解算的精度由高至低依次為CSRS-PPP、magicGNSS、GAPS-PPP、APPS,四種在線定位服務系統外符合精度均滿足大比例尺地形圖航攝像控點測繪精度的要求[10],可應用于山地像控點測繪中。

綜合以上分析,從數據解算量、數據解算時間以及解算的穩定性和精度等方面考慮,CSRS-PPP系統要優于其他系統。因此,在實際運用中,CSRS-PPP系統為數據解算的最佳選擇。由于利用精密單點定位解算后數據精度的檢核條件不夠,因此在實際作業過程中,可利用CSRS-PPP系統解算為主,其他系統解算作為驗證,通過比對的方式,篩選出可靠的結果。在線精密單點定位服務系統獲取的是ITRF框架下的坐標,根據實際坐標結果需求,可利用測區七參數轉換模型將其轉換成指定坐標系,利用高精度區域似大地水準面模型可轉換大地高為正常高。

4 結束語

本文通過實際算例分析了四種在線精密單點定位服務系統的數據解算穩定性和精度等情況,結果表明,四種在線精密單點定位系統均可應用于山地像控點測量,實際作業中可根據對數據處理需求的情況,采用不同的系統進行解算,為控制點稀少的山地測區像控點測量提供了快速便捷的解決方法。

[1] 王玉龍,李秀麗，王建忠，等.精密單點定位技術在測繪生產中的應用[J].地礦測繪,2012,28(2):23-25.

[2] 劉焱雄,周興華,張衛紅，等.GPS精密單點定位精度分析[J].海洋測繪,2005,25(1):44-46.

[3] 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,2002,3(27):234-239.

[4] 高 攀,郭 斐,呂翠仙，等.精密單點定位在線GNSS數據處理精度比較分析[J].全球定位系統,2011,36(3):21-23.

[5] NATURAL RESOURCES CANADA. Online database(CSRS On-line Database)[EB/OL]. [2014-04-05].http://webapp.geod.nrcan.gc.ca/geod/tools-outils/ppp.php.

[6] UNIVERSITY of NEW BRUNSWICK. Online GAPS[EB/OL]. [2014-04-05]. http://gaps.gge.unb.ca.

[7] JET PROPULSION LABORATORY. Automatic precise positioning service-APPS[EB/OL]. [2014-04-05].http://apps.gdgps.net.

[8] GMV.magicGNSS [EB/OL]. [2014-04-05].http://magicgnss.gmv.com/ppp.

[9] 鄭作亞,黨亞民,盧秀山,等. GPS精密單點定位中影響收斂時間的因素及措施分析[J].大地測量與地球動力學,2009,29(5):108-111.

[10]國家測繪局測繪標準化研究所.GB/T 7931-2008 1:500、1:1000、1:2000地形圖航空攝影測量外業規范[S].北京:中國標準出版社,2008.