RTKLIB軟件靜態(tài)精密單點(diǎn)定位精度測(cè)試與分析

張建龍 ，徐愛(ài)功 ，張兆南 ，吳探詩(shī) ，李國(guó)明

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.東北煤田地質(zhì)局物探測(cè)量隊(duì)，遼寧 沈陽(yáng) 110101；3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

精密單點(diǎn)定位(PPP)，即非差相位單點(diǎn)定位，提出于上世紀(jì)七十年代子午衛(wèi)星時(shí)代，九十年代中期國(guó)際IGS組織開(kāi)始向全球用戶(hù)提供精密星歷和精密鐘差產(chǎn)品，為精密單點(diǎn)定位的發(fā)展提供了良好的機(jī)會(huì)。由于其具有單臺(tái)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度定位、定位不受作用距離限制、作業(yè)機(jī)動(dòng)靈活、成本低效率高、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視，相關(guān)學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)也對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，取得了一系列成果。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Zumberge等研究人員利用GIPSY軟件和IGS星歷，取得了單天解靜態(tài)定位精度1～2 cm左右，動(dòng)態(tài)2.3～3.5 dm左右的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(1997)[1]；加拿大Calgary大學(xué)的高揚(yáng)博士對(duì)PPP的理論和算法進(jìn)行了深入的研究，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)軟件；武漢大學(xué)葉世榕博士在其博士論文中對(duì)精密單點(diǎn)定位進(jìn)行了詳細(xì)的研究(2002)[2]；武漢大學(xué)的張小紅教授經(jīng)過(guò)多年理論研究，開(kāi)發(fā)出了精度和可靠性已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平的高精度PPP商業(yè)化軟件TriP；武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位中心自主研發(fā)的PANDA軟件在精密定軌和PPP方面也具有很高的精度；此外還有日本東京海洋大學(xué)的Tomoji Takasu等研發(fā)的RTKLIB軟件。

本文簡(jiǎn)要介紹了精密單點(diǎn)定位的理論基礎(chǔ)，采用RTKLIB軟件對(duì)IGS站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行靜態(tài)精密單點(diǎn)定位實(shí)驗(yàn)，利用不同星歷鐘差產(chǎn)品對(duì)其定位精度進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將解算結(jié)果與準(zhǔn)確值對(duì)比，為使用該軟件提供了參考。

1 精密單點(diǎn)定位基本原理

1.1 精密單點(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型

PPP一般采用一臺(tái)雙頻接收機(jī)，利用載波相位觀測(cè)值，和IGS組織提供的精密星歷以及衛(wèi)星鐘差所進(jìn)行的高精度定位[3]，PPP定位不同于傳統(tǒng)GPS定位的雙差模型，通過(guò)站間和星間求差來(lái)消除誤差，而是采用相位和偽距觀測(cè)值，通過(guò)雙頻相互組合消除電離層延遲，引入未知參數(shù)估計(jì)對(duì)流層延遲，其觀測(cè)方程為[4-6]：

(1)

(2)

1.2 精密單點(diǎn)定位誤差源及常用組合觀測(cè)量

在精密單點(diǎn)定位中，使用的是非差觀測(cè)值，它不同于以往的差分觀測(cè)值，通常有三類(lèi)誤差會(huì)影響定位精度，一是與接收機(jī)和測(cè)站有關(guān)的誤差，如接收機(jī)鐘差及天線相位偏差；二是與衛(wèi)星有關(guān)的誤差，如衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星天線中心偏差及相位偏差；三是與傳播路徑有關(guān)的誤差，如電離層延遲、對(duì)流層延遲、多路徑效應(yīng)等。

這些誤差源如果不進(jìn)行有效的消除或減弱會(huì)對(duì)定位結(jié)果有較大的影響，對(duì)于這些誤差的處理方式通常有兩種，即模型化處理和使用組合觀測(cè)值。上述衛(wèi)星天線相位中心改正、相對(duì)論效應(yīng)、潮汐等可以采用第一種方式改正，不能模型化處理的誤差，如電離層延遲等，則采用第二種方式改正。以下是PPP中幾種常用組合觀測(cè)量：

1) 消電離層Iono-free組合

在精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)處理中，為了充分消除電離層延遲影響，可以利用P1和P2，L1和L2分別組成線性觀測(cè)值。消除電離層的碼偽距組合觀測(cè)值為[6]

(3)

消除電離層的載波相位組合觀測(cè)值為

(4)

2) 寬巷(Wide-lane組合)

(5)

寬巷觀測(cè)值的突出優(yōu)點(diǎn)是容易固定整周模糊度。但由于測(cè)量噪聲大，寬巷觀測(cè)值一般只用來(lái)確定L1和L2的整周模糊度。

3)M-W組合

(6)

該組合把L1、L2載波相位和P1、P2碼偽距組合，能夠有效消除幾何距離、電離層及對(duì)流層的影響。

1.3 精密單點(diǎn)定位的數(shù)據(jù)處理流程

精密單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)解算的過(guò)程為，首先獲取所需文件包括測(cè)站觀測(cè)值文件，精密星歷和鐘差文件；其次進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要是消除各種誤差，得到較為干凈的數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，解算測(cè)站坐標(biāo)，接收機(jī)鐘差等。其解算流程如圖1所示。

2 RTLLIB軟件靜態(tài)精密單點(diǎn)定位實(shí)例分析

靜態(tài)精密單點(diǎn)定位通常需要在測(cè)站上進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)采用國(guó)際IGS站bjfs站2011年6月1日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采樣間隔為30 s，數(shù)據(jù)處理之前首先下載該天測(cè)站的觀測(cè)值文件和導(dǎo)航文件(bjfs1520.11o，bjfs1520.11n).由于精密單點(diǎn)定位還需要精密星歷和精密鐘差文件，需要到IGS網(wǎng)站下載星歷和鐘差數(shù)據(jù)。為了對(duì)比不同IGS產(chǎn)品對(duì)定位結(jié)果的影響，本次下載該天三種產(chǎn)品，數(shù)據(jù)為igs16383.clk，igs16383.sp3，igr16383.clk，igr16383.sp3, igu16383.clk，igu16383.sp3.此外，國(guó)際GNSS服務(wù)組織IGS發(fā)布的產(chǎn)品如表1所示[7]。

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前應(yīng)首先對(duì)數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行分析，必要的預(yù)處理是提高解算精度的前提，RTKLIB軟件不僅具有基線解算和精密單點(diǎn)定位功能，而且具有強(qiáng)大的圖形輸出功能，可以對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)衛(wèi)星可見(jiàn)性，衛(wèi)星天空視圖，DOP值，多路徑及衛(wèi)星高度角進(jìn)行圖形化顯示[8-9]，對(duì)本次下載的數(shù)據(jù)各指標(biāo)如圖2～5所示。可見(jiàn)，測(cè)站該天衛(wèi)星可見(jiàn)性良好，幾何精度因子DOP值較小，多路徑效應(yīng)不明顯，說(shuō)明觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

圖2 衛(wèi)星可見(jiàn)性

圖3 衛(wèi)星天空視圖

圖4 幾何精度因子DOP值

圖5 多路徑及高度角

2.2 解算結(jié)果分析

圖6～圖8是bjfs站使用RTKLIB軟件解算單天數(shù)據(jù)采用igs、 igr、igu星歷在X、Y、Z三個(gè)方向上的收斂曲線圖。為了將解算結(jié)果與準(zhǔn)確值對(duì)比，使用武漢大學(xué)導(dǎo)航定位中心研發(fā)的PANDA軟件對(duì)該天數(shù)據(jù)解算，并將其結(jié)果視為準(zhǔn)確值，表2示出了RTKLIB軟件單天解最后收斂結(jié)果與準(zhǔn)確值的差值。可以看出快速星歷鐘差產(chǎn)品解算結(jié)果與最終星歷鐘差產(chǎn)品定位精度相當(dāng)，都能夠較準(zhǔn)確的逼近準(zhǔn)確值，最終收斂結(jié)果與準(zhǔn)確值比較偏差X方向、Z方向保持在3～4 cm之間，Y方向低于1 cm，都具有較高的精度；而預(yù)報(bào)星歷鐘差產(chǎn)品Y方向誤差偏大，收斂時(shí)間較長(zhǎng)，收斂曲線也不太穩(wěn)定，表明預(yù)報(bào)星歷鐘差產(chǎn)品對(duì)該軟件靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的影響較大。

圖6 igs數(shù)據(jù)單天解收斂曲線圖

圖7 igr數(shù)據(jù)單天解收斂曲線圖

圖8 igu數(shù)據(jù)單天解收斂曲線圖

表2單天解解算最后收斂值與準(zhǔn)確值對(duì)比表

星歷及鐘差產(chǎn)品坐標(biāo)分量差值(絕對(duì)值)/migsX0.043 5Y0.009 4Z0.036 2igrX0.044 8Y0.006 2Z0.036 9iguX0.042 6Y0.222 8Z0.036 4

3 結(jié)束語(yǔ)

精密單點(diǎn)定位實(shí)現(xiàn)了只由一臺(tái)接收機(jī)在全球范圍內(nèi)就可以獲取ITRF框架內(nèi)的精確坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)幾個(gè)厘米級(jí)的高精度定位，因而在地形測(cè)量、大地測(cè)量、航空攝影、海洋測(cè)量、城市規(guī)劃、國(guó)土資源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]，它改變了以往只能靠差分模式消除各種誤差來(lái)達(dá)到高精度定位的狀況。但高精度的獲取依賴(lài)于各種誤差的充分消除，目前許多精密單點(diǎn)定位軟件源代碼不開(kāi)放，操作相對(duì)復(fù)雜。RTKLIB軟件是一款優(yōu)秀的開(kāi)源基線解算與定位軟件，該軟件可以進(jìn)行基線解算、實(shí)時(shí)定位、后處理分析、處理結(jié)果圖形化、以及對(duì)IGS相關(guān)產(chǎn)品下載[9]，該軟件操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，處理精度高，本文針對(duì)靜態(tài)精密單點(diǎn)定位的應(yīng)用對(duì)該軟件進(jìn)行了分析，采用事后星歷和快速星歷最后收斂值與準(zhǔn)確值比較差值均在4 cm左右，達(dá)到了預(yù)期的精度，完全滿(mǎn)足一般精度要求的工程需要，值得推廣使用。

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