摘要：精密单点定位GPS技术是目前受关注的GPS研究领域，具有广泛应用前景。本文在介绍了精密单点定位的数学模型、数据处理总体思路以及不同IGS产品对解算结果的影响基础上，从静态和地面车辆动态两种模式分别介绍了精密单点定位精度测试过程与数据分析结果：精密单点定位可以达到厘米级的定位精度。
关键词：精密单点定位 GPS 精度测试
0引言
传统GPS单点定位的精度仅能达到10米左右，很难满足高精度导航定位的要求。因此差分GPS的作业方式应运而生，由于这种定位方式可以消除或大幅度削弱接收机钟差、卫星钟差、对流层延迟、电离层延迟及其轨道误差等影响，并能达到厘米级的高精度，差分GPS定位在导航定位领域得到广泛应用。但它存在需要在作业区附近建立差分基准站、流动站与基准站之间的作业距离受到限制、精度不均匀等不足之处，直接影响了其作业效率与工程质量。十多年来国内外专家学者也做过一些改进，但未能从根本上改变“差分GPS”的理念。。
精密单点定位（简称PPP）是利用高精度的GPS卫星星历和卫星钟差以及单台接收机的双频载波相位观测值进行定位，这一概念最初在开发的数据处理软件GIPSY上给予实现。由于PPP仅利用单台接收机即可在全球范围内进行静态或动态高精度定位，并且能直接得到高精度的ITRF框架坐标，真正实现了全球高精度无缝观测。因此，它在高精度工程测量和动态高精度的导航与定位等方面都具有不可限量的应用前景。随着伽利略等GPS之外的新一代全球导航定位系统相继投入使用，精密单点定位将会给导航定位领域带来新的变化。
1.精密单点定位的原理
1.1 精密单点定位的概念及关键之处
与传统的GPS载波相对定位相比，精密单点定位具有模型复杂、待估参数多等特点。
精密单点定位是指利用高精度的GPS卫星星历和卫星钟差，以及双频载波相位观测值，采用非差模型进行高精度单点定位的方法。。精密单点定位的解算过程如下：到IGS官方网站下载精密卫星星历和卫星钟差，输入精密卫星星历和卫星钟差，并将它们的值固定，然后利用非差相位观测值解算测站的位置参数，同时解算非差整周模糊度、接收机钟差及对流层延迟等参数。
为了达到dm级甚至cm级(比传统GPS单点定位高数十倍甚至数百倍)定位精度，精密单点定位主要有如下关键之处：
a.在定位过程中需同时采用相位和伪距观测值；
b.需使用精密卫星星历和精密卫星钟差等重要数据。目前静态或事后处理的动态用户已经可以无偿从IGS、JPL等网站上获取，事后精密卫星星历的精度己优于5cm，精密卫星钟差的精度己达0.1ns 。
c.在解算模型需考虑固体潮、大洋负荷、卫星天线相位偏差等误差的精确改正模型。
d.精密单点定位无法固定整周模糊度，并且其定位质量依赖于的非差观测数据的质量。因此。非差观测数据的预处理显得尤为关键。
1.2 IGS介绍
精密卫星星历和钟差是精密单点定位的基础。目前，能够提供精密卫星星历和钟差的主要有两个机构：美国智能地球空间局和国际GPS服务组织IGS。而IGS是使用最多、精度最高、最有权威的数据发布机构。
IGS精密星历采用SP3格式给出15、5min或30s等间隔时间点上的卫星坐标和卫星钟差，坐标参考基准属于ITRF参考框架。目前，IGS事后精密卫星星历的精度已优于5m,精密卫星钟差的精度已达0.1ns。IGS事后精密卫星星历和卫星钟差产品包括：超快速产品、快速产品和最终产品三种，他们在精度、时延、更新率和采样率方面是不同的。
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2.GPS精密单点定位精度测试与分析
2.1 静态精密单点定位精度测试与分析
静态精密单点定位的精度测试是在某精确坐标已知的基站上架设仪器，进行多时段观测，然后用加拿大卡尔加里大学研制的商业解算软件P3进行事后解算，把解算结果数据与基站已知数据进行比较，试验是选用Leica530SR双频接收机，每个时段的观测时间大约为1个小时，观测了20个有效时段。数据采样率为10s,卫星截止高度角设定为15°。
一个观测时段采用IGR和IGS星历在N、E、H分量上的收敛曲线。从图中可以看出，17小时的快速星历钟差产品IGR和13天的最终星历钟差产品IGS的定位绝对误差基本相同，N、E方向上几乎没有差值，H方向上有微小偏差，对定位精度没有影响。两者解算结果在N、E、H三个方向上均能达到厘米级的定位精度，绝对误差变化趋势基本一致，这表明IGS提供的快速星历钟差产品和最终星历钟差产品对静态精密单点定位精度的影响是基本等价的，因此在坐标解算时使用快速产品即可，不需要等待最终产品。
三个观测时段分别采用IGR、IGS、JPL、CODE的解算结果总结。从表中的解算结果可以得出如下结论：利用1小时静态观测数据进行单点定位解算，其平均点位精度可达7.3cm；卫星钟差改正采样间隔是影响收敛的重要因素，和5min采样间隔的卫星钟差IGR、IGS相比，30S采样间隔的JPL、CODE的解算收敛速度明显加快，在达到10cm以内精度所需收敛时间从40多分钟减小到20多分钟。
2.2 动态精密单点定位精度测试与分析
从内符合精度和外符合精度两个层面分析动态精密单点定位的精度。首先是把基站的静态观测数据模拟动态解，计算其RMS值，从内符合角度进行精度分析；然后把动态精密单点定位解算结果同差分解算结果作比较，从外符合角度进行精度分析。
为了能够客观地评价地面车辆的动态精密单点定位的精度，进行了多次地面车辆动态试验，由于篇幅限制，本文以其中一组数据为例进行分析。试验是在加拿大卡尔加里某机场附近进行的，在试验车上放一台SF-2050M型双频接收机，采集动态数据用于单点定位解算和差分的移动站解算，同时在卡尔加里大学GPS实验室楼顶选择精确坐标已知的S5点作为基站，安放另一台同样的接收机，采集原始观测数据用于差分解算。试验车行驶时间为60分钟。车速控制在每小时60公里之内，接收机的采样率为1s。
采用了某基站一个小时的静态观测数据，使用P3软件对静态数据模拟动态解，求解出其RMS值的纬度、经度和高程三维分量随GPS时间的变化曲线如图4所示。从图中可以看出，三维分量上的RMS值均小于4.5cm。因此，动态精密单点定位的内符合精度可以达到6厘米的水平。这说明对于精密单点定位而言，动态定位和静态定位只存在环境模式的差别，而数学定位解算模型的差别不大。
将动态观测数据用p3软件进行解算，其解算结果同商业软件GrafNav的差分解算结果作比较。三维平均偏差分别为2cm、8cm和7cm，平均点位偏差为10.8cm。由此可见，纯动态精密单点定位解的精度比静态数据动态解的精度要差，其主要原因是因为数据观测的质量较差和观测环境的影响。
3.结语
精密单点定位是刚兴起的高新技术，应用前景广泛，已成为GPS研究领域的热点之一。在PPP的精度测试方面人们一直在探索和研究之中，特别是动态精度测试，精密单点定位的数学模型、数据处理总体思路以及不同IGS产品对解算结果的影响，应用单点定位软件，通过实测的试验数据对静态和地面车辆动态情况下的精密单点定位可以达到厘米级的定位精度。
参考文献：
[1] 叶世榕. GPS非差相位精密单点定位理论与实现[D]，武汉大学博士学位论文.2002.4
论文作者:于荣文, 丁玉臣
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第18期
论文发表时间:2019/11/7
标签：单点论文; 精密论文; 精度论文; 数据论文; 动态论文; 静态论文; 接收机论文; 《工程管理前沿》2019年第18期论文;