PPK動態后處理測量技術及精度分析

王智，曹慶磊，張洪德，胡玉祥，2，孟慶年

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

PPK(post processed kinematic)測量技術是利用載波相位進行事后差分的GNSS定位技術，屬于動態后處理測量技術，該技術采用動態初始化OTF(On The Flying)可快速解算整周模糊度[1]，外業測量時觀測 10 s～30 s就可以解算出厘米級的空間三維坐標[2]，與RTK實時載波相位差分測量技術不同，PPK測量時在流動站和基準站之間不需要建立實時通訊鏈接[3]，而是在外業觀測結束以后，對流動站與基準站GNSS接收機所采集的原始觀測數據進行事后處理，從而計算出流動站的三維坐標[4]。

PPK測量技術的工作原理是，在一定的有效距離范圍內，在測量工作區適當位置處架設一臺或者多臺基準站接收機，再使用至少一臺GNSS接收機作為流動站在作業區域進行測繪，由于同步觀測的流動站和基準站的衛星鐘差等各類誤差具有較強的空間相關性，外業觀測結束以后在計算機中利用GNSS處理軟件進行差分處理，進行線性組合，并形成虛擬的載波相位觀測值，計算出流動站和基準站接收機之間的空間相對位置[5]；然后在軟件里固定基準站的已知坐標，即可解算出流動站待測點的坐標。作業過程中基準站GNSS接收機保持連續觀測，流動站GNSS接收機先進行初始化，再依次在每個待測點上進行一定時間的觀測，為了將整周模糊度傳遞至待測點，流動站接收機遷站過程中需要對衛星進行持續跟蹤[6]，基準站也可以是CORS系統，即流動站只要在CORS系統有效覆蓋范圍內即可進行PPK作業并解算。

2 PPK作業方法及數據處理

目前天寶等主流品牌GNSS接收機都具有PPK作業功能[7]，下面以天寶R10 GNSS接收機及后處理軟件TBC介紹PPK作業模式的設置、作業方法及數據處理過程。

2.1 PPK測量模式設置及外業過程

在R10接收機手簿主界面“設置”里的“測量形式”中新建一個類型為“GNSS”的測量形式。然后分別在流動站選項和基準站選項里進行設置?；鶞收具x項和流動站選項里的測量類型均選擇“后處理動態測量”，天線類型選擇“R10 Internal”，測量到“快釋接頭底部”，由于基準站一直保持接收衛星信號的狀態，其記錄設備可選擇“接收機”，記錄間隔根據工程需要可選擇 1 s或 5 s，流動站由于要在不同的待測點上進行觀測，為了方便輸入點號等操作，流動站記錄設備可選擇“控制器”，即將數據記錄在手簿里，截止高度角輸入13°。

外業作業過程如圖1所示：

圖1 PPK外業作業流程

基準站接收機采樣率一般設置為 1 s或 5 s，流動站初始化時間建議設置為 5 min～15 min，天寶R10接收機默認的初始化時間為 8 min，在每個待測點上觀測 5 s～15 s，若在作業過程中流動站接收機因傾斜、關機或者遮擋出現衛星失鎖的情況，則需要重新初始化。在每個待測點上一般觀測 10 s～ 30 s即可，為得到更可靠的測量精度，應將GNSS接收機頭安放在基座內，并采用三腳架進行精確對中，嚴格整平。為確保測量結果的準確性，應在測區就近檢核已有控制點。

2.2 PPK測量數據處理

TBC(Trimble Business Center的簡稱)是Trimble的最新數據處理軟件，該軟件不僅能夠對GNSS測量數據進行處理，也可以對水準儀、全站儀以及三維激光掃描儀的測量數據進行處理。TBC能夠高效解算靜態基線，其處理速度是TGO軟件的10倍以上，對GPS L1/L2/L5以及GLONASS的數據均能進行解算，用戶可以對起算點和起算邊進行自定義，并將GNSS數據與全站儀、電子水準儀數據進行聯合平差計算。處理PPK測量數據時，應先在TBC坐標系統管理器里建立測量工程對應的坐標系統，并設置相應參數，具體包括建立參考橢球、基準轉換模型、似大地水準面模型、投影參數等等[8]。

建立坐標系統后，在TBC軟件主界面分別導入流動站接收機和基準站接收機的觀測數據，數據格式可以是天寶GNSS接收機原始數據格式Dat或TO2等格式，也可以是Rinex等標準格式，輸入基準站在當前坐標系下的坐標，并設為固定基準，然后進行基線處理，便可解算出各個流動站觀測點的空間三維成果。當基線處理精度較差時，應對基線進行精化處理，如在基線時段編輯器里刪掉質量較差的觀測時間段，或改進電離層、對流層改正模型，并再次進行基線處理，直至獲取符合精度要求的解算結果。

2.3 作業模式改進

為提高測量精度并增加多余觀測便于檢核，PPK測量作業時可設置多個基準站，在測繪作業區域適當位置處架設多臺基準站接收機同步觀測衛星數據，流動站在基準站控制范圍內進行作業，依次對各個待測點進行數據采集，這樣即可有效改善作業方法，提高測量精度和可靠性；或聯測測區周邊的CORS站，這樣不需要在測區架設基準站，僅用一臺流動站GNSS接收機即可完成作業，其作業原理和多基站作業模式相同，也可以在測區架設多臺基準站，并同步聯測一個或多個CORS數據，這樣可大大增加多余觀測，有效增加檢核，提高作業精度。

數據處理時，在TBC里分別導入多個基準站或CORS站以及流動站的觀測數據，為提高解算精度，可下載同步IGS等精密星歷導入TBC里參與基線解算，基線解算合格后在TBC里固定多個起算點坐標進行網平差即可獲取各個流動站的坐標，也可在TBC里導出Asc等格式基線文件，并導入科傻等第三方平差軟件進行計算。

3 測量精度影響因素

為驗證PPK的測量精度以及與測量時間、距離的影響，在青島市地鐵控制網中的控制點進行檢測，在某樓頂已知高等級控制點上架設基準站，流動站共在10個控制點上進行了檢測，基準站與流動站采樣率均設置為 5 s，將控制點的已知成果作為真值比較分析PPK測量的精度。

3.1 測量時間對精度的影響

流動站在每個控制點均進行了不同時間長度的觀測，時間長度依次為 5 s、15 s、30 s、60 s、300 s等不同長度，表1為在控制點GPS109上進行不同時間長度觀測對應的水平精度和垂直精度統計表。

PPK測量時間與觀測精度統計表 表1

從表1可以看出，當觀測時間逐漸增加，PPK測量的水平精度和垂直精度也隨之提高，PPK觀測 300 s時的精度相對于觀測10s時的精度提高了約一倍。從精度增加的速度看，長時間的PPK觀測并不能帶來測量精度的顯著提高。

對流動站在GPS109上進行不同時間長度的觀測，將其解算結果與真值進行比較，分析其X坐標較差、Y坐標較差以及距離較差的變化趨勢，結果如圖2所示；對流動站在各個點上進行不同長度時間測量的解算結果與真值進行距離較差對比分析，選取其中4個點，對比結果如圖3所示，圖中每條折線代表一個控制點的變化，其中最遠的一個點距離基準站 59.7 km。

從圖2和圖3可以看出，隨著PPK觀測時間的增加，解算結果與真值較差大小的變化并無明顯規律，但有逐漸收斂穩定的趨勢，距基準站約 1.5 km的范圍與真值坐標較差在 12 mm之內，距離基準站約 60 km的范圍與真值較差在 30 mm之內。

圖2 GPS109測量時間與真值較差分析圖

圖3 PPK測量時間與真值距離較差趨勢圖

3.2 流動站與基準站的距離對精度的影響

由于在流動站接收機和基準站接收機之間不需要建立通訊鏈接，PPK測量的作業半徑要比RTK測量要大，測試中最近的點位距離基準站為 1.47 km，最遠的點位距離基準站為 59.72 km，對各點觀測 30 s時的精度進行分析，水平精度和垂直精度統計圖如圖4所示：

圖4 PPK測量精度與距離關系圖

從圖4可以看出，在觀測同樣時間長度下，隨著與基準站距離的增加，PPK的觀測水平精度和垂直精度隨之降低，精度降低的速度與距離增加的程度大致呈線性趨勢，對外業觀測的數據用TBC進行解算，并將解算結果與真值進行對比，較差分析結果如圖5所示：

圖5 PPK測量解算結果較差與距離關系圖

由圖5可以看出，隨著與基準站距離的增加，PPK測量解算結果與真值的較差呈現不規則的波動，并沒有明顯的變化趨勢，但在 60 km范圍，與真值較差在 2 cm～3 cm之內。

作業時觀測環境與信號質量的差異也會對PPK作業產生顯著影響，進行基準站選擇時，應遠離發射塔、高樓等遮擋物，保證足夠的衛星高度角，并遠離大面積水域，防止多路徑效應、電磁波的干擾以及衛星信號被遮擋和反射。

綜上分析，隨著PPK觀測時間長度的增加，測量精度會逐步提高，但提高的程度并不顯著，測量結果也隨著時間的增加由無規則變化趨于穩定；隨著與基準站距離的增加，PPK測量精度會逐步降低，但在 60 km范圍內測量結果并沒有明顯變化，其精度完全滿足常規城市測量工作的需要。

4 結 語

(1)PPK測量技術無須在流動站與基準站接收機之間建立實時的通訊鏈接，因此其測量作業半徑更大，觀測更為靈活，各個流動站之間點位誤差互不傳遞、不累積，其外業作業模式與RTK相似，數據處理方法與靜態測量基本相同，定位精度高。作業時可通過多基站或聯測CORS、加入精密星歷參與解算等方法來提高測量精度、確保測量成果的可靠性。作業時應就近檢核已有的控制點，確保成果的準確性。

(2)為了確保PPK作業模式的準確性，以及整周模糊度的準確解算，在流動站接收機進行觀測之前，需進行至少 5 min的初始化測量。由于是事后處理得到測量結果，PPK作業無法在實地放樣，流動站接收機在遷站過程中需保持對GNSS信號的持續跟蹤，不然失鎖后接收機需再次初始化，在實際測繪作業中，該測量技術可以作為RTK技術的補充。

(3)PPK測量精度與觀測時間長度、基準站距離等因素有關，觀測時間越長、距基準站越近，PPK測量精度越高，但隨著時間的變化，改善地并不顯著，測量結果與時間、距離的變化并沒有明顯規律，但隨著觀測時間的增加會趨于穩定，在 60 km作業范圍內，PPK后處理差分定位精度可達到 2 cm～3 cm。