精密单点定位技术在海岛海岸带航空遥感调查中的应用

蒋旭惠 ，张汉德 ，韩 磊 ，董 梁 ，崔璐璐

（1.中国海监北海航空支队，山东 青岛266033；2.青岛市勘察测绘研究院测绘所，山东 青岛 266033）

精密单点定位技术在海岛海岸带航空遥感调查中的应用

蒋旭惠1，张汉德1，韩 磊2，董 梁1，崔璐璐1

（1.中国海监北海航空支队，山东 青岛266033；2.青岛市勘察测绘研究院测绘所，山东 青岛 266033）

908专项海岛海岸带航空遥感调查中，充分应用了机载LiDAR（Light Detection And Ranging）系统，其航空数字照片与激光数据的定位采用机载GPS（global Positioning System）记录的数据，而机载GPS数据通常要与已知坐标地面点的同步观测数据进行差分解算以提高精度，所以已知地面点的坐标精度对整个架次的定位精度起着举足轻重的作用。由于海岛、海岸带地区地势复杂，不可能采用常规的基站联测方法获取到全部需要的地面点坐标。由此，可以尝试操作简单、精度较高的GPS精密单点定位（Precise Point Positioning(PPP)）技术。文章阐述了GPS PPP技术在908专项中的应用情况，并进行了精度分析。分析显示，PPP技术解算的点位坐标精度完全能满足专项中制作1：10000正射影像图对地面基站的要求。

精密单点定位（PPP）；星历；钟差；点位精度

GPS从投入使用以来，其相对定位的定位方式发展得很快，定位精度不断提高，但需要布设至少1个基站,作业时不仅受到作用距离的限制,且仪器成本和劳动成本都比较高。而绝对定位即单点定位发展相对缓慢，其优点是数据采集和处理较为方便、自由、简单，用户在任一时刻只需用一台GPS接收机就能获得WGS-84坐标系中的三维坐标。但由于伪距观测值的精度一般为数分米至数米，用广播星历所求得的卫星位置的误差可达数米至数十米，卫星钟改正数的误差为±20 ns左右,只能用于一些低精度要求的领域中[1]。精密单点定位技术(PPP)集成了普通单点定位和差分定位的优点,改变了以往只能使用双差相位定位模式才能达到较高定位精度的现状,是继RTK/网络RTK技术后的又一次技术革命。精密单点定位的精度得到很大的提高，在各种领域得到广泛的应用，如在低轨卫星的定轨定位中的应用，在海洋、沙漠、戈壁等测站点位之间距离相对较长的油矿测绘，森林面积调查、精准农业以及高精度导航等方面都发挥了很大的作用。

目前航空遥感调查中的GPS定位一般都采用传统的差分模型，要求地面布设有足够密度（30～50 km）的GPS基准站。我国海域辽阔,地形复杂,布设如此密集的地面基准站具有相当的难度，需投入大量人力、物力和财力。已有研究表明，基于精密单点定位技术可以实现无地面控制点的航空测量[2]。无野外控制点也是908专项的一个特点；本专项引进的机载LIDAR系统中采用了IMU/DGPS高精度姿态测量部件，更使高精度的无野外控制点的航空遥感调查方式成为现实。该技术的实施，需要在飞行数据获取过程中，距测区一定范围内架设一台或多台差分GPS基站，用以在后期数据处理中与机载数据进行差分解算，以提高机载数据的解算精度。由此，整个架次数据成果的精度就取决于地面GPS基站坐标的精度。

908专项中用到的绝大部分地面控制点的坐标是通过与IGS基站联测得到的，然而，中国海岛海岸带地域广博，很多地区人力难以到达并进行测量，若能将精密单点定位技术（PPP)应用于本专项的地面控制点的坐标解算中，将大大提高该阶段的工作效率。

1 PPP原理与精度研究现状

GPS精密单点定位，就是利用IGS(或其他机构)提供的GPS精密轨道和精密钟差信息计算卫星坐标和钟差，同时应用比较完整的物理改正模型改正定位过程中的各种误差，进行单站的绝对定位，以确定单测站在ITRF(或WGS84)坐标系中坐标的一种定位方法[3]。

GPS精密单点定位时，若采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。这样,定位误差只有轨道误差和卫星钟差两类。

假设LC的观测方程如下:

这里，

式中：φL1和φL2为相位观测值（m）；f1和f2为频率；N1和N2为模糊度参数；c为光速；dT和dt分别为接收机和卫星参数；Dtrop为对流层延时；ρ为星站间的几何距离,包含卫星和接收机的位置、地球自转参数等。

如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数。于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置。精密单点定位中使用的是IGS数据处理中心发布的精密星历和卫星钟差产品，在充分考虑所有的不能忽略的误差模型改正，且算法正确的前提下，精密单点定位的精度和可靠性很大程度上取决于IGS产品的可靠性和精度。目前，IGS所提供的精密星历的精度已优于5 cm，卫星钟改正数的精度已达0.1 ns，随着接收机性能的不断改善，载波相位测量的精度也在不断提高，不少接收机的载波相位测量噪声己小于1 mm。大气延迟改正模型和改正方法的研究在不断深入，这些都为精密单点定位的精度提供了保证。

近10多a来，GPS的理论研究已日趋成熟，特别是GPS静态定位方面，己有成熟可靠的理论和许多成功的软件。国内学者也对精密单点定位技术进行了深入研究，武汉大学博士研究生叶世榕，利用自己提出的改进模型及自行研制的定位软件进行了试算，得出与国际上研究相当的结论。周利等依据2004年第122天至第125天的中国境内的10个IGS跟踪站观测数据用Bernese进行高精度定位解算，分析其中4个测站4天坐标分量的重复性，也就是每天的坐标与4天坐标均值的差值，可以看出它们的坐标变动基本都在亚厘米级。武汉大学的张彩虹等对三峡库区13个控制点进行了连续观测，选择了昆明、北京、与拉萨IGS跟踪站作为已知点进行解算，其中拉萨站作为参考站，利用Bernese进行PPP（精密单点定位）得到的各点坐标的标准差范围为1.5mm≤σ≤2.1 mm，这完全满足了GPS A级网的精度要求。

2 Bernese软件进行单点定位解算

在已有的GPS数据处理软件中，Bernese软件既可用非差方法进行精密单点定位，又可用双差方法进行整网平差，而且它能对GPS数据和GLONASS数据同时处理，是目前在高校与测绘机构使用较多的单点定位软件。该软件在单点定位解算时，用chebyshev多项式数值积分的方法来计算卫星的位置和钟差。其批处理引擎BPE是一个功能强大的自动化处理工具，是该软件在技术上的一大突破，使用者只要事先设定程序处理选项并准备好所需文档，在执行批处理时便不需要任何干预，且在处理完毕后程序会自动提取出每一步骤处理结果的统计量，让使用者判断其处理质量的好坏。BPE是满足GPS数据高精度自动处理的独立模块，具体处理步骤为：（1）将GPS数据进行格式转换；（2）下载解算所需要准备的电离层文件、轨道文件、精密星历、卫星钟差文件、板块文件、IGS参考坐标、速率等文件；（3）分离并编辑基站文件信息；（4）启动BPE模块的PPP单点定位解算功能；（5）查看解算结果与精度。其处理进程如图1。

图1 BPE模块解算进程

在用Bernese进行单点定位解算时，使用IGS中心提供的数据，可以得到测站先验坐标，它是使用批处理PPP程序、按GPS时间生成的测站坐标。在程序运行结束后的输出文件中，可以得到单位权的后验值，以及点位的解算坐标的后验均方根误差（posteriori RMS error），该参数为衡量坐标量测及解算结果精度的重要指标。

3 908基站数据处理与分析

3.1 实验数据处理

我们下载了2008年10月11日的三个中国境内及附近IGS跟踪站数据，如表1所示，通过BPE模块解算单点位置。实验证明，其解算的点位精度均值为0.3 cm。

表1 IGS中国境内及附近IGS基站单点定位精度表

对908专项获取的基站数据进行单点定位解算的过程中，有一个关键问题：在获取基站数据后，要尽快对机载数据进行解算，地面基站点的绝对坐标必须在最短的时间内获得。而进行精密单点定位前，用户要先从IGS网站下载精密卫星星历和卫星钟差文件，由此，就受到IGS公布的星历与钟差等文件的时间限制。精密卫星星历及钟差分广播星历、超快速星历、快速星历、最终星历四种，其中快速星历的时间延迟为17 h；最终星历时间延迟为13 d。二者的轨道精度均＜5cm，卫星钟差误差＜0.1 ns。为了保证飞行数据能在最短的时间内得到解算，我们作了如下实验，于2009年12月6日对南长山岛某点进行了观测，该点位于南长山岛某山顶（位置如图2），并分别下载快速星历和最终星历文件进行解算，结果如表2～表4所示。

图2 试验点位示意图

表2 快速星历解算结果后验单位权值：0.001 06 m

表3 最终星历解算结果后验单位权值：0.001 12 m

表4 解算得到的坐标比较表

如表4所示，对同一基站点分别用快速星历和最终星历进行解算，得到的该点的坐标值，二者的绝对差均在厘米级，甚至达到亚厘米级，表明在用该解算点作为1：10 000成图的基站点时，这两种文件的选择对基站点的解算结果无明显影响，验证了之前陈默关于星历文件选择的研究结论。这就保证了基站数据处理可以提前至少一周进行。不过，我们在具体实施时，除非特殊紧急情况，一般尽量采用最终星历文件进行解算，以保证点位解算的精度与稳定性。

3.2 专项数据处理

本专项引进的的LIDAR系统中采用了IMU/DGPS高精度姿态测量部件，使高精度的无野外控制点的航空遥感调查方式成为现实。由此，整个架次数据成果的精度就取决于地面GPS基站坐标的精度。基于以上结论，我们在此次航空遥感调查专项中，充分利用了精密单点定位的优势。在由于时间或其他客观条件限制，不能进行联测的基站的位置上，采用精密单点定位方式确定其三维坐标，坐标解算采用Bernese软件的BPE模块实现。随机选取不同日期观测的5个基站数据进行单点定位解算，从解算结果中查看精度评定结果如表5。

表5 基站单点定位解算精度

对5个基站的单点定位解算结果显示，平面点位中误差最高为1.3 cm，均值为0.9 cm。即：采用双频GPS接收机Trimble 5700观测2 h以上，利用IGS公布的最终星历产品，用Bernese软件进行PPP单点定位，得到的基站点位精度完全能满足作为908专项制作1：10 000正射影像图的地面基站点的要求。此外，基站点位解算的精度，与观测时段选择、观测时间长短、外部环境条件、当日的IGS公布的卫星参数以及解算时的参数设置等都有关系，关于如何提高精密单点定位的精度有必要进行后续的深入研究。

4 结语

本文将PPP技术应用于908专项地面基站的坐标解算中，进行了实验与分析，结果显示，静态精密单点定位的方法满足了专项对地面基站的要求。目前，我们已经在进行中小比例尺成图无地面基站的机载数据动态精密单点定位的实验，若成果精度符合要求，将使数字航空摄影测量脱离飞行数据获取时的长时间的地面基站架设工作。

[1]刘智敏，林文介.GPS非差相位精密单点定位技术的发展[J]，桂林工学院学报，2004，3（24）：340.

[2]张小红，刘经南.基于精密单点定位技术的航空测量应用实践[J]，武汉大学学报(信息科学版)，2006，1（31）：20.

[3]Kouba J， Heroux P.Precise point Positioning using IGS orbit and clock products[J].GPS Solutions，2000，5（2）：12-28.

Application of PPP in the Aerial Remote Sensing Investigation of China Island and Coast Area

JIANG Xu-hui1,ZHANG Han-de1,Han Lei2，DONG Liang1,CUI Lu-lu1
（1.Northern Seas Air-Borne Detachment of China Marine Surveillance,Qingdao Shandong 266033,China;2.Qingdao Prospecting and Surveying Institute,Qingdao Shandong 266033,China）

The airborne Light Detection and Ranging system is fully used in the 908 Item,which is called as Aerial Remote Sensing Investigation of China Island and Coast Area.The airborne GPS data is used to receive the positioning of the digital photos and laser data.Generally,the precision of the airborne GPS data needs to be improved using the differential GPS solution with the synchronization GPS data on some ground points whose coordinates are known.So the precision of the known ground points are significant to the whole data.Due to the complicated physiognomy of island and coast area,the GPS conjunction with base stations is impossible.Then the Precise Point Positioning (PPP)technology turns to be a suitable means for its simple operation and higher precision.The application of PPP in the 908 item is introduced.Besides,precision analysis is made out.The results show that the solution coordinate of base stations using PPP technology could satisfy the request to make orthophotomaps of 1:10000 scale.

precise point positioning;ephemeris;clock offset;position accuracy

TP722.4

B

1003-2029（2011）02-0018-04

2010-08-24

我国近海海洋综合调查与评价—海岛、海岸带航空遥感调查与研究（908-01-HY）

蒋旭惠（1983-），硕士研究生，就职于中国海监北海航空支队，从事航空遥感数据处理与研究工作。