GNSS精密單點定位技術在滑坡中的應用

張華留　高雅萍　張菊　張亞茹　曾發彬　成航

摘 要：以具體滑坡監測工程為例，結合實測數據，采用不同的軟件和不同的解算模型，對該技術所能達到的精度、實施方案的可行性進行討論，通過對結果的對比分析，探討GNSS精密單點定位技術在實際監測工程中的具體應用，得到一些有用的經驗。

關鍵詞：精密單點定位 誤差分析 精度

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0058-02

傳統的標準單點定位（Standard Point Positioning，SPP）采用偽距觀測值和廣播星歷提供的衛星軌道和衛星鐘差參數進行導航和定位。受廣播星歷和偽距觀測值精度限制，單點定位精度僅為數米至數十米，無法滿足高精度定位需求。精密單點定位（Precise Point Positioning，PPP）技術是1997年美國噴氣推進實驗室（JPL）的Zumberge等人提出的，并在GIPSY軟件中實現。精密單點定位的意義是：利用事先確定的高精度衛星星歷和衛星鐘差，以及雙頻載波相位觀測值，采用非差模型進行單點定位。精密單點定位與相對定位相比，最大的優勢是不需要架設參考站，從而克服了相對定位受距離限制的問題，單臺接收機即可實現高精度絕對定位[1]。PPP僅需要單臺接收機就可以實現高精度的動態和靜態定位，作業效率高、費用低，適用于各種環境，同時也為大范圍、大規模GPS網數據處理提供了一種新的解決思路[2]，但由于采用非差分觀測模型進行數據解算，一些可以通過差分消除的誤差，在非差觀測模型中必須重點考慮這些因素的影響，例如衛星天線相位中心偏差、接收機天線相位中心偏差及地球固體潮、海洋負荷等對測站坐標的影響就必須在單點定位中主要考慮。采用何種觀測值模型，采用怎樣的誤差修正模型就直接影響到精密單點定位技術的應用。該文結合具體滑坡監測工程，采用精密單點定位方法解算點位坐標，通過不同的精密單點解算軟件的計算和不同的計算模型的對比分析，分析精密單點定位方法在滑坡監測中的適用性。

1 精密單點定位基礎

1.1 精密單點定位觀測方程

觀測量有偽距觀測量和載波相位觀測量兩種，在地固系中偽距觀測值的非線性觀測方程如下所示。

1.2 精密單點定位的誤差源

（1）同測站、接收機有關的誤差。主要是接收機天線相位中心偏差、接收機鐘差、地球自轉的影響、潮汐的影響。（2）同衛星有關的誤差。包括衛星鐘差、相對論效應、衛星星歷誤差、衛星天線相位中心偏差及相位纏繞。（3）同信號傳播有關的誤差。主要是電離層延遲、對流層延遲以及多路徑效應。在GPS精密單點定位中，需要利用這些原始的載波相位和偽距觀測值形成線性組合觀測值，以幫助確定相位模糊度，進行周跳的探測和修復等。

1.3 常用的組合模型

觀測值之間的線性組合如下所示。

其中n、m為常數，在所有的任意線性組合中，只有遵循一些重要準則的組合才有意義，其標準為：（1）組合觀測值應能保持模糊度的整數特性，以利于正確確定整周模糊度；（2）組合觀測值應具有適當的特性，有助于周跳的探測；（3）組合觀測值應不受或基本不受電離層折射影響；（4）組合觀測值應具有較小的測量噪聲。

2 常用精密單點定位軟件簡介

2.1 TriP軟件

TriP軟件是武漢大學張小紅教授開發的國內首款高精度的商用精密單點定位軟件，其源代碼不公開。

2.2 GAMIT

GAMIT/GLOCK軟件是分析研究高精度GPS測量數據處理軟件，它由美國麻省理工學院（MIT）和斯克里普斯海洋研究所（SIO）聯合開發，其源代碼開放。軟件設計基于支持X-Window的UNIX系統，現在的版本適用于Sun（OS/4，Solaris 2）、HP、IBM/RISC、DEC和基于、Intel工作站的LINUX操作系統。作為科研軟件，GAMIT/GLOBK供研究和教育部門無償使用，只需通過正式途徑得到使用許可證。

2.3 Bernese

Bernese是瑞士伯尼爾大學天文研究所研發的高精度數據處理軟件。可以采用非差模型進行精密單點定位解算。現推出Bernese 5.0。

3 實例分析

3.1 實驗數據選取

此次實驗選取某滑坡實測數據，該區域位于隴南山區丘陵地帶，所有點均埋樁。觀測時間為6～12 h。觀測時間為2014年11月～2015年3月共5期。選取3個已知GPS控制點的觀測數據作為實驗數據，并利用已知GPS數據作為對比參考。

3.2 方案設計

（1）運用相對定位和精密單點定位模型進行解算，對比各種解算結果的坐標差，確定解算精度及適合的解算模型。

（2）選擇panda，GAMIT精密單點定位軟件進行解算，對解算結果進行分析對比，分析各自的優缺點。

3.3 具體試驗結果

利用GAMIT軟件對各實驗點四期觀測數據的處理結果如表1。

3.4 分析研究

通過對表格分析，我們得到以下結論：（1）采用GAMIT 軟件，對每期單點定位觀測數據處理，數據變化可以反映到小數點后5位，說明精密單點定位技術可以發現微小改變。（2）對比GAMIT和panda解算結果，兩者解算數據差在小數點后6位上，反映兩種解算軟件均可精確解算精密單點定位觀測數據。（3）通過實驗數據的解算，我們可以確定精密單點定位技術在滑坡監測中的可行性。

4 結語

此次實驗是用一個滑坡實測數據，通過經典相對定位的解算和采用精密單點定位方法解算的對比，來說明精密單點定位技術在滑坡監測中的具體應用的可行性。由于該文只對點位的經緯度坐標進行對比研究，對于高程精度，該文沒有作過多研究，由于研究時間的限制，該文研究的問題只限于定位精度的對比，而沒有從改進誤差模型的角度出發，結論可能具有一定的有限性。但是，就精密單點定位技術的具體應用而言，該技術的優勢非常突出。相信在不久的未來，該技術必將廣泛應用于監測領域。

參考文獻

[1] 汪平.GPS單頻精密單點定位理論研究與算法實現[D].解放軍信息工程大學，2010.

[2] 季朝亮，齊中華，張力仁，等.利用精密單點定位（PPP）方法在黑龍江省進行1：10 000像片控制測量的精度分析[J].測繪與空間地理信息，2014（10）：234-236，242.