基于地基增強系統的增強PPP技術

閆建巧,陳明劍,汪威,尹子明,劉天恒

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

基于地基增強系統的增強PPP技術

閆建巧,陳明劍,汪威,尹子明,劉天恒

(信息工程大學 導航與空天目標工程學院,鄭州 450001)

摘要：傳統精密單點定位(PPP)由于受精密星歷與精密鐘差的限制,存在收斂慢、實時性差的問題,因此,本文考慮基于地基增強系統的對流層延遲信息來增強PPP,使PPP在收斂速度上有一定的提高。本文詳細介紹了基于地基增強系統的定位技術現狀,并闡述了增強PPP原理及關鍵技術,最后使用實驗采集的數據進行驗證,結果表明，該項技術對PPP收斂速度有明顯的提高。

關鍵詞：地基增強;PPP;實時;動態;收斂速度

0引言

地基增強系統作為提升衛星導航系統服務質量的高效、可靠手段,已經成為衛星導航領域的重要發展方向[1]。目前,我國正在大力推進北斗地基增強系統的建設,考慮基于此系統來增強PPP,對于推進系統應用及提升PPP定位、導航等服務性能將有重大意義與應用前景[2-3]。

較為成熟的PPP技術大多是利用布設于全球范圍 (如IGS)內的跟蹤站的原始觀測數據計算出的精密軌道和精密鐘差,采用單臺接收機的偽距和載波相位觀測量進行定位解算[4-5]。對于對流層的改正也是采用模型法與參數估計法,本文考慮利用地基增強系統各基準站的對流層延遲信息內插流動站用戶的對流層信息,并將該對流層信息作為先驗信息來加快PPP的收斂。

目前基于地基增強系統的較為成熟的技術有網絡RTK和PPP-RTK等。其中,PPP-RTK結合了PPP和RTK技術的優點,已成為目前研究的熱點。兩種技術都需要多個參考站,它們的重要區別是網絡RTK一般服務于參考站覆蓋范圍內的用戶,而PPP-RTK可以服務于參考站外部的用戶。本文所述的增強PPP主要是利用先驗的天頂對流層信息來約束PPP,以達到增強PPP的效果[6]。

針對以上定位技術,本文采用實驗采集的數據分析以上定位技術的效果,并分析了傳統PPP與加入先驗對流層延遲信息的PPP靜、動態收斂速度。

1地基增強系統組成及定位技術

目前以局域參考網為核心的地基增強系統發展蒸蒸日上,且以北斗系統BDS為主的地基增強系統也正在逐步走向市場。通過處理參考網所采集的連續觀測數據,可獲取不同類型的改正信息,服務于各種精密定位技術[7]。

傳統PPP主要依賴于全球范圍內的廣域網發布的精密產品以及各項誤差改正模型,但這種廣域網并沒有發播空間大氣延遲誤差改正。這是由于全球網的地理范圍比較廣,測站布設相對局域網比較稀疏,難以實現大氣延遲的精確建模和預報[1]。所以,廣域網發布的產品中一般不包含大氣延遲,PPP技術對于大氣延遲誤差的改正也僅只是通過建模或參數估計的方法,以致使PPP的模糊度收斂所需時間比較長,精密位置的快速獲取性能比較差[5]。

1.1地基增強系統組成

地基增強系統一般有:連續運行參考站、數據處理中心、通信鏈路、用戶等四大部分組成。連續運行參考站(CORS)是系統的重要基礎設施,為數據服務中心提供原始觀測數據。通信鏈路是參考站與數據中心、數據中心與用戶相互聯系的通道[8]。

數據傳輸流程為:基準站將采集的原始觀測數據發送至數據處理中心,數據處理中心處理數據,生成改正信息產品,通過無線鏈路發給用戶。

本文所述的增強PPP思想是:假設用戶已獲得高精度的星歷與鐘差產品,然后加以地基增強系統播發的對流層改正信息,加快PPP的初始化。系統組成與數據傳輸如圖1所示。

圖1　數據傳輸示意圖

1.2基于地基增強系統的定位技術

基于地基增強系統的定位技術主要有:RTK技術, PPP-RTK技術。

以參考網為支撐的RTK技術需要在一定區域內均勻布設多個(至少三個)連續運行參考站(CORS),在該區域內構成網狀覆蓋,并利用通信鏈路將參考站實時觀測數據發送到計算中心,根據各參考站已知的高精度坐標,在計算中心對各誤差進行建模,生成流動站的改正信息,并按RTCM差分電文進行編碼,通過無線鏈路發播給用戶,可以達到厘米級、毫米級定位水平[9]。

RTK差分定位主要采用“觀測空間”傳輸信息,即向用戶發送虛擬觀測值信息,用戶與虛擬參考站做差分定位;PPP-RTK技術是將“觀測空間”傳輸信息轉換到狀態空間,即向用戶提供各種誤差改正的狀態信息,用戶利用這一信息與原始觀測數據結合使用以提高PPP定位精度[10]。

本文所述的增強PPP主要是依托地基增強系統,將地基增強系統網內的參考站計算的對流層誤差改正信息以單通信鏈路的形式播發給用戶,用戶根據自己的位置坐標內插出用戶天頂方向對流層改正,并將其作為增強信息用到PPP解算中。

2關鍵技術

增強PPP關鍵技術主要包括內插模型與處理算法,具體為：

1) 內插模型

在各參考站計算出對流層延遲信息后,用戶站內插。內插時,用戶通過距離來選擇參考站。用戶每個歷元可以選擇距離最近的至少4個有效參考站,平均距離在40 km左右。目前,內插模型較多,較為常用的是張小紅教授提出的以下6類模型。這6類模型的RMS均在10 mm以下,能夠滿足區域參考站增強PPP的精度要求,其中只顧及高程因子的H1QX1模型最佳,為6.2 mm;H1QM3模型次之,但同時顧及了平面因素,其它模型參數越多,精度相對較高些[11]。

H1QM3:ZTD=a0+a1B+a2L+a3H,

H1QM4:ZTD=a0+a1B+a2L+a3BL+a4H,

H1QM6:ZTD=a0+a1B+a2L+a3BL+a4B2+

a5L2+a6H,

H1QX1:ZTD=a0+a1B+a2L+a3BH+

a4LH+a5H,

H3QM3:ZTD=a0+a1BH+a2LH+a3H,

H3QX1:ZTD=a0+a1H.

(1)

其中: ai為回歸系數; B為大地維度; L為大地經度; H為大地高。這六種模型都與高程因子有關。用戶使用時可根據當地的高差以及自身的位置選擇合適的模型。

2) 附加對流層信息的PPP數學模型

PPP用戶通過以上內插算法獲得自己的對流層延遲信息后,將該對流層延遲信息作為先驗信息來加快PPP的收斂[12],其增強的誤差方程為

(2)

式中: V為誤差向量; A為設計矩陣; X為待估參數向量; L為觀測向量;ZTD表示先驗對流層延遲信息; v表示先驗對流層信息誤差; 0表示全0矩陣。

與PPP觀測方程相比,增強PPP增加了一個虛擬觀測方程,即利用先驗對流層信息對對流層延遲參數施加外部約束。觀測值的方差陣為

(3)

3實例與結果分析

為分析基于地基增強系統的RTK的定位效果及傳統PPP與增強PPP的收斂速度的差異,設置以下實驗對其進行驗證:以傳統PPP為參照,分析增強PPP的定位效果及收斂速度;并將兩者的定位效果分別與RTK進行對比,分析其與RTK定位效果的差別。

3.1數據采集

系統動態實時定位精度測試在野外實地進行,靜態數據在基準站采集一小時的數據。其測試方法簡述如下:在作業車上裝載中海達Vnet8接收機,其中一組只設置采集GPS數據,另一組設置采集GPS+BDS,采樣率均設為1s,利用車載作業獲取實驗數據并做分析。圖2為車輛在行駛路線上的軌跡圖。

圖2　動態行駛路線圖

3.2實驗結果分析

1) 動態定位精度分析

利用動態采集的數據采用事后解算動態PPP的模式,圖3為單GPS系統動態RTK、動態PPP、增強PPP測量精度統計圖,其中橫坐標表示定位精度(單位m),縱坐標表示處于相應精度范圍內的百分比。圖4為GPS+BDS雙系統動態RTK、動態PPP、增強PPP測量精度統計圖。

圖3　動態RTK、動態PPP、增強PPP測試測量精度統計分布圖(GPS) (a) RTK; (b) 動態PPP; (c) 增強PPP

圖4　動態RTK、動態PPP、增強PPP測試測量精度統計分布圖(GPS+BDS) (a) RTK; (b) 動態PPP; (c) 增強PPP

從圖4分析得出:

1) 動態RTK測量精度

平面精度:單GPS平均值為0.021m;GPS+BDS為0.014m;

高程精度:單GPS均值為0.030m,GPS+BDS均值為0.026m.

2) 動態PPP測量精度

在車速為60～80km/h的城市主干道上,

動態PPP在完成初始化后精度80%維持在0.2～0.4dm,6%達到10cm以內的精度;在車輛經過高樓、高架橋等建筑物時,信號受遮擋,中斷后需重新收斂,所以在整個測試過程有13%的精度大于0.4m.

無論是單GPS系統,還是GPS+BDS雙系統,定位精度在0.1～0.2m范圍內,平面精度優于高程;加入BDS系統后,精度與單GPS相比,平面方向上有所提高,高程方向改善不明顯。

3) 增強動態PPP測量精度

增強動態PPP與動態PPP相比,由于僅增加了先驗對流層信息一個自由度的約束,在測量精度上與動態PPP相比,并沒有明顯的改善。

a) 對流層精度分析

為檢驗對流層的精度問題,本文選取以下四個測站解算出其天頂方向的對流層延遲誤差,并將IGS站發布的ZTD作為真值,進行比較。其中橫軸為觀測時間,縱軸為計算值與真值的誤差。從圖5可以看出,與IGS發布的ZTD文件相比,測站解算出的對流層誤差都在2cm左右,該精度能夠滿足PPP的要求,即可獲得高精度的先驗對流層信息。

圖5　四個測站解算出其天頂方向的對流層延遲誤差 (a) abmf; (b) areg; (c) bjnm; (d) kiru

b) 收斂速度分析

分析收斂時間,圖6為靜態PPP、動態PPP增強與未增強初始化收斂時間對比圖。動態PPP截取10min.的數據,中間由于遮擋,觀測衛星較少,信號中斷,重新收斂了一次。

從圖6分析得出:

1) 動態增強PPP與傳統PPP收斂時間分析

動態增強PPP與傳統PPP相比,在初始化時間與重新初始化時間上均有明顯的提高,如動態增強PPP在精度達到0.2dm內僅需要145個歷元,而傳統PPP需要325個歷元;在信號中斷重新初始化也明顯快于傳統PPP.

2) 靜態增強PPP與傳統PPP收斂時間分析

靜態增強PPP與傳統PPP相比,有對流層增強的收斂速度明顯快于無對流層增強的。例如高程方向上誤差,增強PPP在收斂到30cm用了約800個歷元的數據,而傳統PPP需1000個歷元的數據。

圖6　動態、靜態增強PPP與未增強PPP初始化時間對比圖 (a) 動態PPP位置; (b) 靜態E方向; (c) 靜態N方向; (d) 靜態U方向

4結束語

本文介紹了基于地基增強系統的定位技術與利用對流層延遲增強PPP,并設置實驗對基于地基增強系統的網絡RTK技術、動態PPP、增強PPP技術定位性能及收斂速度進行分析。結果表明:動態PPP定位精度雖不及RTK,但能滿足車輛導航的需求。增強PPP僅利用了對流層信息來加強約束,對精度的改善并不明顯,但在收斂速度上較傳統PPP有明顯提高。

參考文獻

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閆建巧(1989-),女,碩士生, 主要研究方向為精密單點定位相關技術研究。

陳明劍(1976-),男,副教授,主要研究方向為GNSS精密單點定位及地基增強系統建設及其應用。

汪威 (1989-),男,碩士生,主要研究方向為北斗CORS關鍵技術研究。

尹子明(1990-),男,碩士生,主要研究方向為基于CORS的BDS數據質量分析。

劉天恒(1990-),男,碩士生,主要研究方向為網絡RTD技術應用研究。

The Enhanced PPP Technology Based on Ground-based Augmentation System

YAN Jianqiao,CHEN Mingjian,WANG Wei,YIN Ziming,LIU Tianheng

(CollegeofNavigationandAerospaceEngineering,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract: Traditional PPP (Precise Point Positioning) is limited to the precise ephemeris and precise clock,so it has the problem of slow convergence and poor real-time. Therefore, we considered basing on the troposphere delay information of ground-based augmentation system to improve the convergence speed of PPP. This paper describes the state of the positioning technology based on ground-based augmentation system, and described the principle and key technology of enhanced PPP. Finally using the data collected by the experimental to validate that the convergence rate of enhanced PPP has increased significantly.

Keywords:Ground-based augmentation; PPP; real-time; dynamic; convergence rate

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.009

收稿日期：2015-11-29

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0050-06

作者簡介

聯系人： 閆建巧 E-mail:1091855678@qq.com