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《測繪學報》 構建與學術的橋梁 拉近與權威的距離 GNSS精密單點定位技術及應用進展 張小紅1,2,3, 李星星1,2,3, 李盼1 1. 武漢大學測繪學院, 湖北 武漢 430079; 收稿日期：2017-06-20；修回日期：2017-09-11 基金項目：國家自然科學基金（41474025）；湖北省自然科學基金重點項目（2015CFA039） 第一作者簡介：張小紅(1975-), 男, 教授, 研究方向為GNSS精密定位及其應用。E-mail:xhzhang@sgg.whu.edu.cn 摘要：綜合分析討論了GNSS精密單點定位（PPP）技術及應用的最新進展。重點對GNSS精密單點定位實數(shù)解、固定解、實時精密單點定位、PPP-RTK和多頻多系統(tǒng)精密單點定位等5個方面的核心關鍵技術和實現(xiàn)方法進行了總結(jié)和討論。結(jié)合PPP技術的特點和優(yōu)勢，論述了PPP在低軌衛(wèi)星定軌、地震、對流層和電離層等方面的典型應用。針對多頻多系統(tǒng)GNSS的最新發(fā)展動態(tài)，展望了PPP技術今后的發(fā)展趨勢，并指出了精密單點定位技術和推廣應用還有待進一步研究的問題。 關鍵詞：全球衛(wèi)星導航系統(tǒng) 精密單點定位技術 實時精密單點定位 多頻多系統(tǒng)GNSS 進展 Review of GNSS PPP and Its Application ZHANG Xiaohong1,2,3, LI Xingxing1,2,3, LI Pan1 Abstract: In this paper, we summarized the development of precise point positioning (PPP)technologies and its applications. Key technologies and methodologies for PPP float solution, ambiguity-fixing PPP, real-time PPP and multi-GNSS PPP were intensively analyzed and discussed. Typical PPP applications were summarized and demonstrated. Finally, we illustrated the prospect of PPP and pointed out problems to be solved for PPP development and applications in the coming years. Key words: GNSS precise point positioning PPP-RTK multi-GNSS prospects 精密單點定位(precise point positioning，PPP)指的是用戶利用一臺GNSS接收機的載波相位和測碼偽距觀測值，采用高精度的衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品，并通過模型改正或參數(shù)估計的方法精細考慮與衛(wèi)星端、信號傳播路徑及接收機端有關誤差對定位的影響，實現(xiàn)高精度定位的一種方法[1-3]。 PPP技術集成了GNSS標準單點定位和GNSS相對定位的技術優(yōu)點，克服了各自的缺點，已發(fā)展成為一種新的GNSS定位方法。PPP技術無需用戶自己設置地面基準站、單機作業(yè)、定位不受作用距離的限制、作業(yè)機動靈活、成本低，可直接確定測站在國際地球參考框架(ITRF)下的高精度位置坐標[4]。PPP是GNSS定位技術中繼RTK/網(wǎng)絡RTK技術后出現(xiàn)的又一次技術革命，它的出現(xiàn)改變了以往只能使用差分定位模式才能實現(xiàn)高精度定位的局面，為全球高精度GNSS定位提供了一種有效的新方法。 PPP一般采用非差觀測模型，能同時精確估計測站在ITRF框架下的絕對坐標、接收機鐘差以及絕對天頂對流層延遲及其水平梯度、信號傳播路徑上的電離層延遲等參數(shù)，與相對定位的雙差模型相比，PPP在廣域精密定位、地震監(jiān)測、水汽反演和電離層監(jiān)測等方面應用具有突出優(yōu)勢。因此，PPP在大范圍移動測量、低軌衛(wèi)星定軌、精密授時、大氣科學、地球動力學等諸多方面具有獨特的應用價值。鑒于PPP技術自身的優(yōu)勢和特點，近年來，PPP技術逐漸發(fā)展成為衛(wèi)星導航定位技術領域的熱點研究方向之一，正蓬勃發(fā)展，并顯現(xiàn)出了廣闊的應用前景。國內(nèi)外先后有多所高校和研究機構的眾多學者對PPP技術開展了廣泛、深入、細致的研究，并先后在PPP定位模型、關鍵技術、算法軟件、定位試驗及應用等方面取得了豐富的研究成果[5-15]。 1 PPP技術進展 自從20世紀90年代末，美國JPL學者Zumberge提出PPP技術以來[1]，先后歷經(jīng)了從GPS單系統(tǒng)到GNSS多系統(tǒng)，從雙頻到單頻再到多頻，從模糊度浮點解到模糊度固定解，從后處理到實時的發(fā)展過程。近十來年，導航學界主要圍繞PPP定位模型、數(shù)據(jù)預處理、誤差精細建模、模糊度固定和快速初始化5大主題展開研究，主要解決PPP的精度、時效和可靠性3大問題，其核心是PPP模糊度固定和快速初始化。 在PPP的發(fā)展過程中貫穿了3條發(fā)展主線：① 浮點解到固定解的發(fā)展主線；② 后處理到實時的發(fā)展主線；③ 單系統(tǒng)到雙系統(tǒng)乃至多系統(tǒng)集成的發(fā)展主線。這3條發(fā)展主線并非平行獨立發(fā)展，而是相互交叉并融合。浮點解到固定解的發(fā)展過程主要圍繞如何固定非差模糊度為核心[16-22, 62]；后處理到實時的發(fā)展主線主要圍繞高精度實時衛(wèi)星軌道和高頻衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品處理為重點[23-24]；單系統(tǒng)到多系統(tǒng)集成的發(fā)展主線主要圍繞系統(tǒng)間偏差、頻間偏差和頻內(nèi)偏差的估計與建模為關鍵[9, 13-15, 25-27]。 1.1 實數(shù)解PPP進展 從1997年PPP提出到2007年的10年時間里，國內(nèi)外學者對PPP的研究重點主要聚焦于實數(shù)解PPP的定位模型、誤差模型精化、參數(shù)估計方法、數(shù)據(jù)處理算法以及科學與工程應用等方面。針對電離層和接收機鐘差處理方法的不同，先后提出了不同的PPP定位模型。最早采用的是非差消電離層組合模型，利用雙頻偽距和相位觀測值，分別組成消電離層的偽距觀測方程和載波相位觀測方程[1-3]；后來，卡爾加里大學的高揚教授針對偽距消電離層組合噪聲較大的問題，提出了UofC模型，該模型采用雙頻消電離層組合的相位觀測方程和兩個頻率上的偽距載波半和觀測方程，該模型與雙頻消電離層模型相比，偽距觀測值的噪聲可被減半，但需要額外估計L1和L2上的載波相位模糊度參數(shù)[5]。為了消除接收機鐘參數(shù)，有學者在消電離層組合模型的基礎上進行星間單差(即星間單差模型)，該模型無需估計接收機鐘差參數(shù)，計算效率更高，但也放大了觀測噪聲，同時增加了觀測值之間的相關性[16, 28]。上述模型都是采用線性組合消除電離層一階項對定位的影響。后來，又有學者提出直接采用非差非組合PPP定位模型，該模型直接采用原始偽距和相位觀測方程，同時求解測站坐標、接收機鐘差、天頂對流層延遲、非差相位模糊度及其傾斜路徑上的電離層延遲誤差[6, 11-15]。非差非組合PPP模型與傳統(tǒng)的非差消電離層組合PPP模型相比，具有以下幾個特點：① 觀測噪聲不會被放大；② 模型更具普適和通用性，可適用于單頻、雙頻和多頻PPP定位；③ 保留了觀測值中的所有信息，利用該模型不僅可以直接估計得到高精度的斜路徑上的電離層延遲量，由于保留了需要估計的電離層參數(shù)，這也為引入外部電離層信息加快PPP的收斂速度提供了可能。研究結(jié)果表明，在不增加任何外部信息的情況下，采用上述這些模型進行PPP定位解算、定位精度和收斂時間并無顯著差異[13, 15, 27]。 當然，除了PPP定位模型研究，在此期間，在非差數(shù)據(jù)預處理、參數(shù)估計方法、縮短收斂時間、對流層參數(shù)化方法等方面也開展了不少研究，取得了一系列成果，在此不再贅述?？傮w上講，雙頻GPS實數(shù)解PPP的理論、模型和算法已經(jīng)基本成熟，關鍵技術已經(jīng)基本解決，目前已進入實用化階段，國內(nèi)外已有不少軟件具有實數(shù)解PPP的處理能力，包括GIPSY、Bernese、PANDA、IE、TriP等科研和商用軟件，有些機構還發(fā)布了PPP在線處理軟件，主要有：CSRS、GAPS、APPS、Magic-PPP等。 1.2 PPP固定解進展 隨著浮點解PPP技術的發(fā)展和成熟，最近10年，國際上對PPP的研究重點也從非差模糊度的實數(shù)解轉(zhuǎn)向固定解。高精度定位必須采用載波相位觀測值，接收機測量衛(wèi)星到地面站之間的距離時，包括兩部分，一部分是接收機能直接測量出的不足一周的部分，另一部分是未知的整周波長數(shù)(也稱為整數(shù)模糊度)。但是，整數(shù)模糊度與硬件延遲偏差高度線性相關，很難直接分離。因此，這個硬件偏差就破壞了模糊度的整數(shù)特性。如何恢復非差模糊度的整數(shù)特性，并將其固定成整數(shù)，這是PPP固定解的首要難題。其核心關鍵是要分離接收機端和GNSS衛(wèi)星端的初始相位和硬件延遲偏差，進而恢復非差模糊度的整數(shù)特性。為此，先后提出了UPD方法、整數(shù)鐘方法和鐘差去耦3種實現(xiàn)PPP固定解的方法[16-22]。 文獻[16]嘗試使用星間單差模型固定星間單差模糊度的整數(shù)值。但限于當時IGS軌道和鐘差產(chǎn)品精度較差原因，并沒有給出實測數(shù)據(jù)的定位結(jié)果。文獻[19]采用星間單差模型，使用全球大約180個GPS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)逐站取平均計算衛(wèi)星端星間單差的未檢校的相位延遲(uncalibrated phase delay，UPD)，實現(xiàn)了固定星間單差模糊度的PPP定位。PPP用戶使用這套UPD產(chǎn)品即可通過后處理實現(xiàn)星間單差模糊度的整數(shù)固定解。其試驗結(jié)果表明，能可靠固定80%以上的獨立模糊度，模糊度固定后的PPP單天靜態(tài)解東方向的定位精度較實數(shù)解PPP提高了大約30%。文獻[29]在文獻[19]的基礎上使用LAMBDA方法搜索非差窄巷模糊度，利用1 h的觀測數(shù)據(jù)進行靜態(tài)PPP整數(shù)固定解試驗，三維坐標精度可以改善68.3%。在文獻[19]的基礎上，文獻[20]從GNSS觀測的基本數(shù)學模型出發(fā)，提出了基于單站PPP浮點解確定非差寬巷和窄巷模糊度估值，然后聯(lián)合整網(wǎng)的寬巷和窄巷UPD觀測方程，通過引入接收機或衛(wèi)星端UPD基準，利用迭代最小二乘進行整網(wǎng)的統(tǒng)一平差處理，估計確定衛(wèi)星和接收端的UPD。與星間單差方法逐站平均計算UPD的方法相比，寬巷和窄巷UPD都是聯(lián)合所有參考站的非差浮點模糊度整體求解，且選擇某一接收機端的UPD為基準，以消除方程組的秩虧，該方法的抗差能力更強，UPD的估計精度更高[14, 20, 38]。采用該方法，武漢大學測繪學院已向全球用戶免費發(fā)布與IGS精密軌道和鐘差兼容的GPS衛(wèi)星的UPD產(chǎn)品，按自定義格式將寬巷和窄巷UPD存放于服務器上(ftp://gnss.sgg.whu.edu.cn/)。 與文獻[19]的思路不同，文獻[18]從鐘差估計的角度出發(fā)，提出了估計能夠恢復PPP模糊度整數(shù)特性的衛(wèi)星鐘差的方法，也即整數(shù)鐘(integer-recovery clocks, IRCs)法。該方法首先估計非差寬巷UPD改正數(shù)，然后在鐘差估計過程中，利用衛(wèi)星鐘差參數(shù)吸收非差窄巷UPDs。使用IRC衛(wèi)星鐘差改正數(shù)，PPP求解的模糊度參數(shù)具有整數(shù)特性，進而可以采用傳統(tǒng)的模糊度固定方法進行確定。法國CNES已經(jīng)公開發(fā)布寬巷UPD和整數(shù)鐘產(chǎn)品[21]。 此外，加拿大NRCan的Collins等提出了鐘差去耦模型(decoupled clock model)。在鐘差去耦模型中，偽距對應的GPS衛(wèi)星鐘差由偽距確定，而載波相位對應的GPS衛(wèi)星鐘差由載波相位確定，載波相位模糊度不再受偽距硬件延遲的影響，通過對偽距和載波相位使用不同的衛(wèi)星鐘改正數(shù)恢復非差模糊度的整數(shù)特性，也成功固定了非差整數(shù)模糊度。其試驗結(jié)果表明經(jīng)過大約30 min左右的初始化后，可以成功解算非差整數(shù)模糊度[17]。 研究結(jié)果表明，上述3種非差模糊度固定解方法在理論上是等價的，只是實現(xiàn)方式不同。為了保持與IGS現(xiàn)有精密軌道和鐘差產(chǎn)品的一致性，筆者更傾向于采用UPD方法實現(xiàn)PPP的固定解。PPP固定解顯著改善了PPP的定位精度特別是東西分量的精度。但是，由于受大氣延遲等各種殘余誤差的影響，PPP固定解需要較長的初始化時間。在沒有任何外部信息約束的條件下，單獨利用GPS單系統(tǒng)觀測，要實現(xiàn)厘米甚至毫米級的定位精度通常需要30 min甚至更長的首次初始化時間，且信號失鎖后的重新初始化時間與首次初始化時間幾乎一樣長，這與網(wǎng)絡RTK的模糊度初始化時間還有相當距離[30]。這也是PPP固定解迫切需要解決的核心難題。 1.3 實時PPP進展 就定位模型和方法來講，實時PPP和后處理PPP沒有本質(zhì)區(qū)別，但在實際的實現(xiàn)方式上還是有顯著不同的，實時PPP必須要有實時的高精度衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品的支持，且用戶要能實時通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星通信鏈路獲取。實時PPP的概念最早是由JPL的Muellerschoen等人提出的，他們利用實時計算的高精度軌道和鐘差改正信息，進行實時PPP定位服務。試驗結(jié)果表明，在全球范圍內(nèi)可望實現(xiàn)水平方向定位精度為10~20 cm的實時動態(tài)定位[23]。NavCom的Hatch也提出了利用JPL實時定軌軟件RTG實現(xiàn)全球RTK計劃，通過因特網(wǎng)和地球靜止通信衛(wèi)星向全球用戶發(fā)送精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差修正數(shù)據(jù)，利用這些修正數(shù)據(jù)，實現(xiàn)2~4 dm的實時動態(tài)定位，收斂速度需要30 min[31]。隨后Veripos、OminiStar和Trimble等商業(yè)公司，采用相類似的方法，基于自己建立全球跟蹤站網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)流，研發(fā)實時精密定軌和估鐘軟件，利用衛(wèi)星通信鏈路播發(fā)加密的軌道和鐘差改正等信息，為海洋、精密農(nóng)業(yè)等用戶提供商業(yè)實時PPP服務。 2007年，國際GNSS服務組織(IGS)啟動了實時計劃項目(IGS-RTPP)。在IGS-RTPP的協(xié)調(diào)下，目前全球范圍已有超過100個跟蹤站正在提供實時數(shù)據(jù)流。利用這些IGS連續(xù)運行跟蹤站的實時觀測數(shù)據(jù)流，基于互聯(lián)網(wǎng)可以實時估計并播發(fā)精密衛(wèi)星鐘差改正數(shù)及超快精密軌道產(chǎn)品。目前國際上GFZ、CNES等機構正在研發(fā)實時精密單點定位系統(tǒng)，并在系統(tǒng)開發(fā)方面取得了一些初步成果，實時PPP在平面方向的定位精度為5 cm，高程方向為10 cm左右。實時精密單點定位系統(tǒng)能夠在有網(wǎng)絡通信覆蓋的全球區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)實時、高精度和全天候的動態(tài)定位，且運營成本相對低廉，可在海上作業(yè)、地震監(jiān)測、軍事指揮、交通運輸、災害預警、精細農(nóng)業(yè)等眾多潛在領域推廣應用。 從當前全球已實現(xiàn)的商業(yè)化的實時PPP系統(tǒng)來看，限制實時PPP應用的技術瓶頸依然存在，主要表現(xiàn)在已有的實時PPP商用產(chǎn)品的定位初始化時間較長，首次初始化時間及衛(wèi)星失鎖后的重新初始化時間一般需要20 min甚至更長。這嚴重制約著實時PPP技術的發(fā)展和應用。 1.4 PPP-RTK進展 隨著實時PPP技術的發(fā)展以及非差模糊度固定方法的提出并逐步成熟，為了進一步改善實時PPP定位的精度、可靠性和時效性，文獻[32]首次提出了PPP-RTK的概念，其基本思想是融合PPP和RTK兩種技術的優(yōu)勢，利用局域網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)，精化求解相位偏差、大氣延遲等參數(shù)，重新生成的各類改正信息，并單獨播發(fā)給流動站使用。經(jīng)過這些措施，實現(xiàn)了基于PPP模式的實時動態(tài)定位技術(PPP-RTK)。正如前文所述，PPP模糊度可以固定為整數(shù)，但問題是初始化時間較長。為了縮短PPP初始化時間，文獻[33]借鑒網(wǎng)絡RTK誤差處理的思想，提出利用較密集的CORS網(wǎng)增強PPP的概念和方法，解決了非差模糊度的快速固定難題，實現(xiàn)了PPP模式的網(wǎng)絡RTK定位原型系統(tǒng)?；赟-system理論，Teunissen從理論上對比分析了6組PPP-RTK模型的可估參數(shù)及改正數(shù)屬性，建立了不同模型之間的相互轉(zhuǎn)化關系[34]。 針對信號短時中斷所引起的PPP重新初始化的問題，文獻[35]利用波長為5.4 cm的無幾何距離組合觀測值來實時修復非差周跳，進而達到連接失鎖前后模糊度參數(shù)的目的。文獻[36—37]提出了利用模糊度已固定歷元的大氣延遲信息連接中斷觀測值的算法。這些算法在信號短時中斷時比較有效，但在數(shù)據(jù)中斷超過幾分鐘或者發(fā)生電離層閃爍時會失效。但是，為了保持PPP定位不依賴于密集參考網(wǎng)的支持這一獨特優(yōu)勢，不采用CORS網(wǎng)來增強，在雙頻條件下，要實現(xiàn)PPP非差模糊度的快速(3~5 min)初始化還具有相當?shù)碾y度，這也是目前公認的制約厘米級實時PPP應用的技術瓶頸，亟需尋求新的方法突破這一難題。文獻[38]提出了利用全球電離層模型約束信息縮短PPP初始化時間的方法，初始化時間得到了明顯改善，但通常仍然需要15 min左右。 IGS現(xiàn)在已能提供成熟的實時軌道和鐘差產(chǎn)品(http://www.)。目前實時軌道和鐘差的精度可滿足PPP實時模糊度固定的需要。文獻[12]提出了一種基于原始觀測值的顧及大氣約束的PPP模型與方法。該方法不僅可以將PPP和網(wǎng)絡RTK集成為無縫的定位服務，而且將這兩個技術融合為一個統(tǒng)一的模型和算法。該方法可以縮短全球PPP的初始化時間，也可以補償由站間距離大而引起的殘余系統(tǒng)誤差對增強PPP的影響，但這要取決于先驗大氣延遲的精度。 1.5 多頻多系統(tǒng)PPP進展 隨著BeiDou、Galileo等衛(wèi)星系統(tǒng)的建設和發(fā)展，多頻多系統(tǒng)融合GNSS精密定位已成為GNSS精密定位的發(fā)展趨勢。為了促進多系統(tǒng)GNSS間的兼容和互操作能力，IGS于2003年成立多系統(tǒng)GNSS工作組(multi-GNSS working group, MGWG)，并于2012年開始建立多系統(tǒng)GNSS試驗跟蹤網(wǎng)(MGEX)。該跟蹤網(wǎng)的建立為多系統(tǒng)組合PPP的研究和試驗創(chuàng)造了條件。文獻[9, 28]先后研究了GPS/GLONASS組合精密單點定位，結(jié)果表明組合GLONASS后，PPP的收斂速度有顯著改善。文獻[14]提出了利用GLONASS觀測信息輔助GPS/BDS單/雙系統(tǒng)模糊度固定的思路，進一步改善了PPP固定解性能。結(jié)果表明：加入GLONASS觀測值為PPP提供了更多的冗余信息，系統(tǒng)抗粗差能力更強，可將PPP固定解的首次固定所需時間減少約10~30%，顯著縮短了PPP首次固定時間，提高了歷元固定率[14]。文獻[15, 39—40]對GPS+GLONASS+BeiDou+Galileo四系統(tǒng)組合精密單點定位模型進行了研究，并分析了四系統(tǒng)聯(lián)合精密單點定位的性能。 在多頻PPP方面，文獻[41, 42]研究了多種三頻GPS線性組合PPP模型，相對雙頻PPP將收斂時間縮短了10%左右。文獻[25]提出了一種考慮GPS inter-frequency clock bias(IFCB)建模及改正的三頻PPP模型，將水平和高程分量的定位精度改善了20%左右。文獻[27]從函數(shù)和隨機模型兩方面對比了兩類常用的無電離層組合和一組原始觀測值PPP模型，其結(jié)果表明在動態(tài)觀測條件較弱的情況下，加入第三頻觀測值可有效改善定位性能[27]。 當前，多頻多系統(tǒng)PPP研究主要圍繞實數(shù)解PPP開展。在三頻PPP模糊度解算方面，文獻[43]的仿真結(jié)果表明，三頻PPP模糊度的初始化時間可縮短至數(shù)十個歷元。文獻[44]利用實測的中國區(qū)域的BDS數(shù)據(jù)，基于三頻原始觀測值模型，結(jié)果表明固定超寬巷和寬巷模糊度可顯著改善定位性能。文獻[45]已經(jīng)建立多系統(tǒng)PPP-RTK的模型。 2 PPP技術應用進展 精密單點定位采用非差模型，只利用一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)就可以同時解算得到ITRF框架下的位置坐標、接收機鐘差、電離層延遲、對流層延遲等參數(shù)，因此與差分定位技術相比，精密單點定位在精密時間傳遞、地震監(jiān)測、電離層建模、水汽監(jiān)測等方面又具有獨特的應用優(yōu)勢。PPP技術已被逐步應用于海陸空不同載體的高精度動態(tài)和靜態(tài)定位、精密授時、低軌衛(wèi)星的精密定軌、GPS氣象、地球動力學等諸多地學研究及工程應用領域[8, 46-58, 63]，具有重要的應用前景。 在精密靜態(tài)/動態(tài)定位和授時方面，文獻[46]利用精密單點定位技術對GPS浮標進行動態(tài)定位，實現(xiàn)了分米級的局部海平面變化監(jiān)測精度。文獻[8]將精密單點定位技術成功應用于南極Amery冰架動態(tài)監(jiān)測，獲得了冰架前端的流速和流向，并恢復出了南極海域的潮汐信包括海潮半周日和周日變化參數(shù)。文獻[47]將精密單點定位應用于GPS輔助空中三角測量，取得和差分相當?shù)慕Y(jié)果。 在低軌衛(wèi)星定軌方面，文獻[48]利用精密單點定位技術對CHAMP、GRACE衛(wèi)星進行定軌，取得了事后dm級的定軌精度。文獻[49]采用純幾何法對GRACE衛(wèi)星定軌，取得了單天3~5 cm的軌道精度。文獻[50]利用少量IGS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)，通過計算未檢校的相位小數(shù)偏差改正信息，并播發(fā)送給用戶使用，實現(xiàn)了基于PPP固定解的快速精密定軌系統(tǒng)。目前，PPP已成為低軌衛(wèi)星定軌的主要技術手段之一。 在GNSS水汽遙感方面，文獻[51]采用精密單點定位技術對德國境內(nèi)170個站網(wǎng)為期2 a的觀測數(shù)據(jù)進行分析，獲得了1~2 mm的近實時綜合水汽含量。文獻[52]將精密單點定位技術應用于海洋水汽監(jiān)測，利用其得到的天頂對流層濕延遲反演大氣可降水量(PWV)，其數(shù)值與無線電探空儀和船載水汽輻射計的測量結(jié)果吻合較好，差異僅為2~3 mm。筆者等采用快速精密星歷和快速精密鐘差，近實時地反演了美國SumitNet網(wǎng)中8個測站的可降水量，獲得了優(yōu)于1 mm的PWV值[53]。文獻[54]通過與ECMWF數(shù)值天氣模型進行對比，結(jié)果表明多GNSS組合PPP可反演出精度更高、可靠性更強、幾何分布更均勻的實時對流層產(chǎn)品。文獻[55]利用GNSS/VLBI并址站數(shù)據(jù)的研究結(jié)果表明GPS和GLONASS單系統(tǒng)實時PPP估計PWV的精度相當，雙系統(tǒng)解精度相對單系統(tǒng)更高。 在地震監(jiān)測方面，PPP技術具有獨特優(yōu)勢，近10年來，先后有一大批學者開展了相關方面的工作。大地震引起的地面運動可以波及到幾千千米之外，此時采用相對定位的方法，通常無法直接獲得震區(qū)內(nèi)GPS測站的同震位移系列，而PPP技術不在依賴參考站，可以單站獲得同震位移系列。文獻[56]基于高頻GPS數(shù)據(jù)(1 Hz)成功恢復出Denali地震瞬時地表形變位移，其結(jié)果與地震儀觀測的結(jié)果能很好地吻合，為高采樣GPS觀測數(shù)據(jù)獲取地震波信號的研究提供了可行性。文獻[57]利用PPP技術獲得Tohoku地震期間近場區(qū)GPS測站的瞬時位移，并根據(jù)地震發(fā)生后90~100 s內(nèi)的位移量反演出近似斷層滑動模型，進而推估地震震級為Mw 8.8，而根據(jù)地震儀在地震發(fā)生后120 s確定的震級只有Mw 8.1[57]。 在電離層建模方面，文獻[11]采用非組合精密單點定位方法求解電離層TEC的方法。由于相位觀測值的觀測噪聲和受多路徑影響較小，基于非差非組合PPP模型，利用相位觀測值提取電離層TEC，將大大提高電離層TEC的提取精度，進而大幅提高電離層建模精度。隨著PPP模糊度固定技術的發(fā)展和成熟，文獻[64]基于PPP固定解技術提取電離層TEC，其結(jié)果表明精度更高。文獻[58]采用PPP固定模糊度的網(wǎng)解方式提取電離層TEC方法，電離層TEC的提取精度達0.1 TECU，這為今后建立更高精度的電離層模型提供了可能[58]。 3 PPP技術展望 精密單點定位技術從提出到現(xiàn)在已有近20年的時間，PPP理論、方法、技術和應用都取得了長足的發(fā)展，并逐步走向成熟。但是，PPP技術還存在幾大問題需要解決：① PPP的初始化時間；② PPP技術的成熟度仍然不及網(wǎng)絡RTK技術。地基區(qū)域CORS增強雖然可以縮短PPP的初始化時間，但需要和網(wǎng)絡RTK基本一樣密度的地面參考站網(wǎng)的支持，PPP技術的優(yōu)越性無法真正體現(xiàn)。隨著多頻多模GNSS系統(tǒng)的出現(xiàn)，給PPP技術的研究帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。 一方面多系統(tǒng)組合并引入多頻觀測，有可能解決PPP的模糊度快速固定問題，并進一步提高PPP技術的可靠性和可用性。目前，BeiDou所有工作衛(wèi)星都能發(fā)射三頻信號。此外，還有多顆GPS Block II-F衛(wèi)星和Galileo衛(wèi)星可以播發(fā)三頻信號。這些三頻信號為開展三頻PPP固定解方法的研究創(chuàng)造了實際條件[59]。在雙差相對定位模糊度解算中已經(jīng)證明三頻信號能顯著改善模糊度的搜索空間，提高模糊度解算的效率和可靠性，加快模糊度的解算速度[60, 61]。TCAR/MCAR等多頻模糊度解算方法已經(jīng)在短基線相對定位中得到了成功應用。這為實現(xiàn)PPP非差模糊度的快速確定，進而解決PPP初始化時間長的問題提供了可供借鑒的解決思路。 但另一方面，多系統(tǒng)組合定位需要處理包括系統(tǒng)間偏差、頻間偏差、頻內(nèi)偏差等帶來的一系列新的偏差參數(shù)，這給精密單點定位的數(shù)據(jù)處理帶來新的問題。PPP一般采用IGS的衛(wèi)星鐘差和軌道，IGS精密衛(wèi)星鐘差是以雙頻無電離層組合偽距為基準估計的。因此PPP定位模型中，如果利用非組合觀測值，或采用與IGS雙頻組合不同的其他組合觀測值建立觀測方程時，需考慮不同頻率、不同觀測值類型上的衛(wèi)星端和接收機端的硬件延遲(hardware delays)的影響，包括同頻率上的碼偏差(intra-frequency biases)和頻間偏差(inter-frequency biases)。目前IGS只發(fā)布了GPS衛(wèi)星端同一頻率上的P1-C1的差分碼偏差(DCB)，只能滿足GPS單頻和雙頻PPP定位要求。 此外，BeiDou、Galileo等新衛(wèi)星的天線相位中心，衛(wèi)星端硬件延遲偏差、GNSS系統(tǒng)間偏差等各種誤差模型的精化還有不少提升空間。隨著Multi-GNSS的發(fā)展，模型算法和軟件的改進，GNSS衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差的精度也還有改善空間，特別是實時精密軌道和鐘差產(chǎn)品，以及電離層甚至對流層產(chǎn)品的時空分辨率的改善，這些都將為進一步提升實時PPP的實用性提供了可能性。特別是近年來提出的基于低軌星座的衛(wèi)星導航或者低軌星座增強的GNSS，由于其幾何變化非?？欤赡苣軌驈母旧辖鉀QPPP快速初始化的問題。 ?【引文格式】張小紅，李星星，李盼。GNSS精密單點定位技術及應用進展[J]. 測繪學報，2017，46(10)：1399-1407. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170327 |
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