精密单点定位技术在中小比例尺地形测绘中的应用

刘涛

(新疆维吾尔自治区第二测绘院,新疆乌鲁木齐830002)

精密单点定位技术在中小比例尺地形测绘中的应用

刘涛

(新疆维吾尔自治区第二测绘院,新疆乌鲁木齐830002)

综述了国内外精密单点定位技术的研究现状，针对新疆1:10 000基础测绘的特点，结合精密单点定位技术在基础测绘中的实际应用情况，具体分析精密单点定位技术应用于基础测绘的可行性及其定位精度。

像控点测量;GPS;精密单点定位;静态定位；精度

传统GPS单点定位是利用广播星历采用距离交会法来解算接收机天线所在点的三维坐标,又称伪距法单点定位。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,卫星钟改正数的误差为±5 ns左右,伪距定位精度使用P码时约为6 m,使用C/A码时约为20 m～30 m,只能用于导航定位、资源调查等一些低精度领域中。精密单点定位（PrecisePointPositioning）技术简称PPP恰好集成了普通单点定位和差分定位的优点，克服了各自的缺点。它的出现改变了以往只能使用双差相位定位模式才能到达较高定位精度的现状，是GNSS定位技术中继RTK/网络RTK技术后的又一次技术革命。本文将结合具体的工程，分析讨论精密单点定位用于基础测绘的可行性，并分析其定位精度。

1 PPP的技术特点

与差分GPS定位不同，精密单点定位是利用国际GNSS服务机构IGS提供的或自己计算的GPS精密星历和精密钟差文件，以无电离层影响的载波相位和伪距组合观测值为观测资料，对测站的位置、接收机钟差、对流层天顶延迟以及组合后的相位模糊度等参数进行估计。它的特点在于各站的解算相互独立，计算量小于一般的相对定位，作业机动灵活，精度与差分定位相当。

目前 IGS所提供的事后精密星历精度已优于 2.5 cm,卫星钟差的精度已优于0.075ns,接收机的性能不断提高,改正模型和改正方法的研究也在不断深入。精密单点定位单天解的精度在水平方向达毫米级，垂直方向可以达到1 cm～2 cm。

PPP技术的主要特点为：不需要架设基准台站；单台接收机实现高精度的静态、动态定位，作业机动灵活、节约用户成本、提高作业效率；直接得到最新ITRF框架的三维地心坐标。

2 新疆基础测绘应用PPP技术的必要性

新疆地域辽阔，面积1 660 000 km2，占我国陆地国土面积的1/6，有5 600 km的国境线。新疆地形特点是：山脉与盆地相间排列，盆地被高山环抱，俗喻“三山夹两盆”。区内山脉融雪形成众多河流，绿洲分布于盆地边缘和河流流域，绿洲总面积约占全区面积的5%，具有典型的绿洲生态特点。

新疆测绘的基础相对较为薄弱，基础地理信息资源覆盖范围较低，与此同时新疆经济的快速发展迫切需要大量的基础地理信息数据。新疆的基础测绘作业区大多集中在戈壁荒漠、交通不便的山区。因多种因素的制约不仅工作量大而且困难程度较高，突出表现在山区多、戈壁荒漠多、地形复杂、交通困难，通讯条件差等。除此之外因基础控制点稀少且大多被破坏造成几乎每个外业项目都需做大量的基础控制测量工作，劳动强度高，项目周期长。

采用常规技术手段进行控制测量工作需要投入大量的人力、物力，工作量大、工期长、条件艰苦。受到资金、技术、装备的限制新疆的地理空间框架体系建设相对落后，大量地区没有控制点或被人为破坏，现有少量的CORS站点集中在少数中心城市，单基站RTK和网络RTK在基础测绘工作中受到较多限制无法发挥其方便、快捷的效率。

精密单点定位技术相对于常规交会、导线测量、GPS静态定位、单基站RTK等多种技术手段有着显著的优势：单机作业、不受作业距离限制、计算工作量小、定位精度高等。尤其是在作业区交通困难、通讯条件差、控制点稀少的情况下优势更加明显。在基础测绘控制测量工作中应用精密单点定位技术可以有效提高工作效率、降低劳动强度、缩短工作周期。

3 PPP技术在实际应用中的精度分析

按国家标准GB/T 13977-92《1∶5 000、1∶10 000地形图航空摄影测量外业规范》第3.2.4款规定相片平面和平高控制点对于附近国家等级三角点或高级地形控制点的平面位置中误差不超过图上±0.1mm。1∶10000基础测绘相片控制点平面坐标中误差实地不应超过± 1m。虽然精密单点定位单天解的精度可达厘米级，定位精度完全能够满足1∶10000航测相片控制点的平面精度要求，但考虑到实际作业中：一是不需要如此高的定位精度，二是为了节约工作成本、提高工作效率应尽量缩短观测时间。因此有必要通过对不同时长的定位数据进行解算以确定多长时间的数据可以满足实际的精度要求。具体实验方案如下：

通过对IGS乌鲁木齐站的数据分时段进行处理，并将处理结果与站点已知坐标进行比对。

1）以60min时长为单位,处理24h的数据，共计24组数据，计算统计结果如图1所示。

图1 IGS乌鲁木齐站60 min时长PPP定位精度分析/cm

通过分析可以看出1h数据的定位精度，最小值为2 cm，最大值为20 cm完全满足1:10 000比例尺航测像控点平面精度的要求。

2）以30min时长为单位,处理24h的数据，共计48组数据,计算统计结果如图2所示。

图2 IGS乌鲁木齐站30 min时长PPP定位精度分析/cm

通过分析可以看出30 m in数据的定位结果外符合精度最小值为7 cm，最大值为52 cm，坐标差小于50 cm的时段数为47个占98%。30 min的数据同样能够满足1∶10000航测像控点平面精度的要求，定位精度小于1/2限差要求。

因此，利用IGS站点的观测数据进行精密单点定位解算，结果表明1 h和30 min定位精度均可以满足1∶10000航测像控点的平面精度要求。考虑到实际作业时观测条件与IGS站点的观测条件相比有一定的差距（各种外部干扰因素、使用的仪器精度等），其定位结果可能会比利用IGS站点的数据差。因此笔者又利用以往项目的静态GPS网数据进行精度比对，更有说服力。笔者处理了2006年基础测绘和田项目C级GPS网的观测数据，从以下3个方面做了精度比对：

1）对定位结果（坐标）进行比对；

2）对定位结果（基线分量）进行比对；

3）对快速星历、快速钟差解算与事后精密星历和事后精密钟差解算的结果进行比对。

采用快速星历及钟差进行精密单点定位解算的结果与C级GPS网平差结果的比较结果如图3所示。

图3 静态GPS网数据采用快速星历、钟差PPP定位精度分析/mm

最小值为2 cm，最大值为31 cm，各点的坐标差均小于35 cm。

采用事后精密星历及钟差进行精密单点定位解算的结果与C级GPS网平差结果的比较结果如图4所示。

图4 静态GPS网数据采用事后精密星历、钟差PPP定位精度分析/mm

各点的坐标差均小于35 cm，最小值为1 cm、最大值为31 cm。

采用事后精密星历、钟差进行精密单点定位解算的结果与采用快速预报星历、钟差进行精密单点定位解算的比较结果如图5所示。

图5 静态GPS网数据采用采用快速预报星历、钟差

与采用事后精密星历、钟差定位结果的比较/mm

各点的坐标差均小于5 cm，最小值为2mm、最大值为 21 mm。因此，采用快速精密星历或事后精密星历对PPP的定位精度影响不显著。

下面给出的是采用事后精密星历进行精密单点定位解算的2点之间的坐标差与C级网无约束平差的基线的比较如图6所示（忽略ITRF2000框架与WGS－84坐标系统间的差异）。

图6 采用事后精密星历进行精密单点定位解算的两点之间的坐标差与无约束平差基线的比较/cm

各基线的坐标差均小于30 cm，最小值为0.4 cm、最大值为29.4 cm。

为了进一步验证精密单点定位技术在实际工程项目中的精度情况，对2007年昌吉准东煤化基地基础测绘项目C级GPS网数据进行了处理并与已知坐标进行比对。具体做法是：求解出C级GPS控制点的ITRF框架坐标；利用C级GPS网起算点已知坐标，求解出ITRF框架坐标至1980西安坐标系的转换参数；通过坐标转换参数求解出GPS网中待定点的1980西安坐标系坐标；比较经过转换的 1980西安坐标系坐标和已知1980西安坐标系坐标的差值。

经过上述转换过程后，精密单点定位解算的结果与C级GPS网平差结果的比较如图7所示。

图7 精密单点定位解算的结果与C级GPS网平差结果的比对/cm

各点的坐标差均小于20 cm，最小值为6 cm、最大值为19 cm。

依照上述方法又对拜城、策勒基础测绘项目的 C级GPS网共计43个点的静态数据进行了处理，其结果比较如图8所示。

各点的坐标差均小于10 cm，最小值为1 cm，最大值为9.8 cm。

通过对IGS站数据、GPS网静态数据处理结果的精度进行对比分析、统计，30 m in数据的定位精度虽然较弱但其最大误差仍然小于1/2限差要求，1 h数据的定位结果最大误差小于1/3限差要求。由此可知30 m in或1h定位数据的精密单点定位精度完全能够满足1∶10000航测像控点的平面精度要求。精密单点定位技术应用于1∶10000航测像控点的平面测量是切实可行的。

图8 精密单点定位解算的结果与C级GPS网平差结果的比对/cm

4 精密单点定位技术的实际应用技术方法

1）定位数据采集。使用测量型双频GPS接收机采用静态观测方法实地采集 2个时段的定位数据，时段长度30min，采样间隔15 s，卫星高度截至角15°，有效观测卫星总数≥4。仪器对中误差不大于1mm，测前、测后2次量取天线高的互差应小于3mm，取平均值作为最后天线高。应逐项填写测量手簿中的记录项目，测量手簿格式、记录内容及要求参照国标 GB/T 18314-2009《全球定位系统（GPS）测量规范》附录D。

2）卫星星历及卫星钟差数据准备。精密单点定位数据处理需使用精密卫星星历和钟差，应根据定位数据采集的日期从相关网站下载精密卫星星历和钟差数据。从精度分析知道，使用快速预报星历、钟差数据的定位精度与使用精密星历、钟差数据的定位精度相比差异不大（小于5 cm），考虑到精密星历、钟差的发布有10天以上延迟，而快速预报星历、钟差的延迟不足 1天，实际作业时采用快速预报星历、钟差进行数据处理。

3）通过解算软件求出待定点位的ITRF框架坐标。首先对采集到的定位数据进行预处理，将数据格式转换成Rinex格式，将量测的GPS天线高改算至相位中心的真高。解算软件使用武汉大学TriP软件，将Rinex格式观测数据、快速预报星历和快速预报钟差数据导入计算项目中，输入仪器真高，选择适当计算参数进行计算，得到待定点的ITRF框架坐标。根据计算后的精度分析报告判断计算结果是否能满足精度需要。

4）坐标转换参数求解及坐标转换。TriP软件解算出的定位坐标是ITRF框架坐标，而在生产中往往需要地方或者国家平面坐标，所以还需要对ITRF框架坐标进行坐标转换，得到项目需要的平面坐标系统的平面坐标。转换参数的求解主要依据项目已有控制点的平面坐标和ITRF框架坐标进行计算，求解出4个转换参数（2个平移、1个旋转、1个尺度）。利用转换参数将待定点的ITRF框架坐标转换为所需平面坐标系统的坐标。

5 结语

通过上面的比较分析可以得出结论：精密单点定位技术的定位精度可以满足基础测绘对像控点的点位精度要求。精密单点定位技术为困难地区中小比例尺地形测图提供了便捷的方法，测区内可以不用布测基础平面控制网且像控点平面联测时可以不用同步联测，这将极大地提高作业效率、缩短作业周期、降低劳动强度。

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[3] 张小红，刘经南，Rene Forsberg.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，2006，31 (01):19-22，46

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[5] 李征航，吴秀娟.全球定位系统技术的最新进展(第四讲)-精密单点定位[J].测绘信息与工程，2002，27(05):34-37

[6] GB/T 18314-2001全球定位系统（GPS）测量规范[S].

[7] GB/T 13977-92 1∶5 000、1∶10 000地形图航空摄影测量外业规范[S].

Application of Precise Point Positioning Technology to Topographic Surveying and Mapping with Middle and Small Scale

by LIU Tao

The development and progress of Precise Point Positioning (PPP)were summarized firstly in this paper.The PPP was applied to 1:10 000 map production of Xingjiang Province.The feasibility and accuracy of PPP in such application were analyzed and discussed.

photogrammetric control point surveying，GPS，Precise Point Positioning，static positioning，accuracy

2011-03-04

P228.42

B

1672-4623(2011)03-0032-03

刘涛，高级工程师，主要从事测绘生产和管理工作。