不同解算策略對PPP的影響研究

常 晶

（華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063210）

王濤濤等[1]根據精密單點定位原理，對4種不同時長（30 min、1 h、2 h、24 h）的GNSS觀測數據進行了RTKLIB精密單點定位測試，分析了RTKLIB單點定位精度與時長的量化關系，并給出了實用性高的參數組合。管真等[2]分析了GNSS衛星星歷幾種類型的精度，并對精密星歷進行了詳細分析，將超快星歷、快速星歷和最終星歷對比后得出，快速星歷在精度上比較接近最終星歷，通過對比常用的幾種衛星坐標插值擬合方法，認為采用Chebyshev多項式擬合方法對精密星歷進行擬合插值，擬合效果比較好。何一辛等[3]利用IGS不同分析中心提供的精密軌道和鐘差產品，對全球分布的15個跟蹤站進行精密單點定位解算得到了德國地學研究中心（GFZ）、歐洲航天局（ESA）及歐洲定軌中心（CODE）的產品較為優秀而且在實際PPP解算時應注意提高軌道產品精度。程贇等[4]利用ICS提供的綜合精密產品和不同分析中心的精密產品，比較分析了不同分析中心精密軌道和精密鐘差產品的區別，并基于RTKLIB比較不同分析中心精密產品PPP單天解相對于IGSPPP單天解的點位分量誤差，得出盡管不同分析中心的精密軌道和精密鐘差產品存在差異，但采用同一分析中心精密產品進行精密單點定位時，其X、Y、Z坐標分量偏差均在mm級，其點位定位誤差在2 mm～8 mm之間波動，而且同一分析中心的軌道和鐘差產品具有自洽性和一致性。

1 RTKLIB精密單點定位算法分析

1.1 RTKLIB介紹

RTKLIB軟件選擇精密單點定位算法的情況下，解算步驟包含資料提取和處理、信息預處理、觀測建模以及誤差修復等。

在全球導航衛星系統GNSS中，RTKLIB屬于重要標準，其來源于日本東京海洋大學，關鍵的功能如下。

1）允許各類GNSS系統的基礎以及精密定位算法，尤其是GPS、GLONASS等。

2）允許各類GNSS實時以及后處理模式，具體有單點定位、DGPS/DGNSS等。

3）允許各類GNSS標準格式以及協議：RINEX2.10、RINEX2.11等。

4）允許各類GNSS接收裝置專用數據協議模式：OEMStar、NVS等。

1.2 RTKLIB精密單點定位解算流程

RTKLIB內部借助GPST（GPST時間）應用到GNSS的數據處置以及定位算法方面。數據從RTKLIB內展開處置前，應當調整成GPST時間。選擇GPST的主要因素在于防范處理潤秒。接收裝置以及衛星的方位從RTKLIB內體現成ECEF坐標體系里的X、Y、Z軸。但是，能夠評估精密單點定位準確性的坐標屬于接收裝置方位的本地坐標，即ENU坐標，這一坐標基本從GNSS導航處理。基于此，ECEF坐標至本地ENU坐標存在轉換的問題，其轉換能夠借助旋轉矩陣解決。

RTKLIB的算法完善，導航以及定位能力卓越，能夠解決各類GNSS定位解算。從該軟件內執行精密單點定位需要依賴于RTKPOST功能組，其中涉及六個方面，能夠實現資料提取和處理、模糊度運算等功能。RTKLIB精密單點定位的算法流程如圖1所示。

圖1 RTKLIB精密單點定位算法流程圖

2 不同解算策略對精密單點定位性能的影響分析

本實驗采用2015年1月1日JFNG站的觀測數據。試驗的具體策略如下。

1）先后借助向前、向后濾波展開了GPS-PPP靜態定位。

2）分別選取了15°、20°、30°和45°四個值進行GPSPPP靜態定位。

3）分別使用精密單點定位靜態解算模式（PPP Static）、精密單點定位動態模式（PPPKinematic）進行比較。

4）不同對流層模型GPS-PPP靜態定位。

2.1 不同濾波方法對PPP收斂速度和定位精度的影響

為研究各種濾波方式在PPP收斂效率以及定位準確性上的作用，圖2提到測站前/后向濾波GPS-PPP的定位情況。具體來看，E、N、U三種路徑當中，前向濾波方式收斂效果優于后向濾波，但是從穩定性以及精度兩個層面的差異不明顯，對于RMS值，在測站前向濾波GPS-PPP當中，RMS數據均低于后向濾波，并且，兩種測站RMS數據也沒有超過3 cm。所以，前向濾波法有利于增強收斂效率。在RMS數據來看，E路徑中，前向濾波法可以實現更低的RMS值，由此讓PPP精度有所提高，然而，N和U方向前向濾波法對PPP精度改善略差于E方向。所以，從展開PPP數據處理的階段借助前向濾波法能夠提升PPP收斂效率，降低收斂的時間損耗，并且在精度方面起到了優化作用。

圖2 前/后向濾波PPP定位解算精度對比分析

2.2 不同衛星截止高度角對PPP收斂速度和定位精度的影響

衛星截止高度角主要作用在于限制遮擋物，或者多線路效應下建立的蔽遮高度角，沒有達到這一角視空域的衛星無需追蹤。

從展開精密單點定位靜態運算階段，衛星截止高度角能夠干預測站關于衛星的觀察時間，并且還能影響觀測信息，而觀測信息屬于精密單點定位的重要參考依據。另一方面，衛星截止高度角有差異的情況下，精密單點定位階段各方面誤差也會有一定的區別，其共同干預精密單點定位最后的運算精確性。

本實驗選擇2015年1月1日JFNG站的觀測值，展開PPP靜態解算，確定15°、20°、30°、45°四個高度角，FNG測站的不同衛星截止高度角下PPP定位解算精度對比分析如圖3所示。

圖3 JFNG測站不同衛星截止高度角下PPP定位解算精度對比分析

根據上圖能夠得知，在各種截止高度角中，PPP收斂時間有一定的拉長，15°、20°的收斂時間較為相同，在0.5 h左右，如果高度角設定成30°的情況下，收斂時間拉長，基本處在1 h，如果高度角在45°情況下，解算缺乏穩定性，定位同樣也面臨干預。

2.3 不同解算模式對PPP收斂速度和定位精度的影響

RTKLIB中有三類PPP解算方式，具體為靜態解算模式、動態模式和固定模式。

1）靜態精密單點定位屬于目前最為普遍的一種定位模式，借助各個頻率觀測數據的相互結合，產生組合觀測值，應對其中誤差，增強定位精度，不過考慮到參數估算方式難以解決高動態數據，從實踐上存在局限。

2）動態精密單點定位模式。主要的原理在于借助MGEX精密星歷等，基于接收裝置的觀測信息展開動態非差處置，實現精度要求。因為在獨立性、動態性等方面的優勢，該技術從高精度動態應用方面體現了不可替代的作用。

實驗納入了JFNG站2015年1月1日的測量信息，精密星歷主要選擇IGS提到的15 min間距的軌道以及鐘差產品，具體名為igs18775.sp3。

本實驗依托于GPS單系統實施，而最后的結果儲存于格式為.pos的文件內，結合RTKPLOT系統表現詳細的定位結果，FNG測站的不同定位模式下PPP定位結果精度分析如圖4所示。

圖4 JFNG測站的不同定位模式下PPP定位結果精度分析

根據上圖能夠發現，兩類定位模式均可以實施PPP解算，不過，E、N、U三種路徑當中的誤差圖顯示，基于PPPStatic模式，輸出結果相對PPPKinematic更平穩。在誤差程度上展開對比，PPPKinematic僅可以滿足亞米級精度要求，不過PPPStatic可以達成厘米級精度需求。

2.4 不同對流層模型對PPP收斂速度和定位精度的影響

涉及對流層干延遲誤差的問題，一般應用ztd-est等模型，而對流層濕延遲誤差更加適用于隨機游走。

圖5先后體現了JFNG測站不同模型的GPS-PPP靜態定位誤差情況。基于圖5，選擇Saastamoinen模型的情況下，表現在PPP收斂速度以及精度方面的作用明顯，誤差和其余模型對比之下更差，尤其是U路徑中的誤差和其余兩條路徑對比更大，而選擇Estimate ZTD、Estimate ZTD+Grad的情況下，誤差更加可控，收斂效率更高，同時，兩個對流層模型收斂周期以及精度基本一致，Estimate ZTD+Grad表現出輕微的優勢，且兩個模型的RMS數據都不超過2 cm，而Saastamoinen模型無法控制到3 cm內。

圖5 JFNG測站的不同對流層改正模型下PPP定位結果

3 結論

通過不同解算策略對精密單點定位功能的影響探究，發現在實施PPP數據處理的階段，借助前向濾波法能夠增強PPP收斂能力，并且在定位精度方面存在優化作用；衛星截止高度角在30°范圍內幾乎不考慮PPP收斂方面的影響，若大于30°，則收斂速度和高度角反向變動；在PPP解算中，如果與Kinematic模式對比，Static模式定位存在一定的精度優勢；選擇Saastamoinen模型的情況下，PPP收斂速度、精度將面臨顯著的影響。從RTKLIB軟件來看，主要對周跳展開測量，但不展開修正，其算法的優化有待探究。