精密单点定位技术在测绘生产中的应用*

王玉龙，李秀丽，王建忠

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛 066001)

精密单点定位技术在测绘生产中的应用*

王玉龙，李秀丽，王建忠

(河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队，河北秦皇岛 066001)

首先概括了PPP技术的发展情况、技术原理以及作业特点，然后通过实例分别阐述了采用在线定位服务系统和单机软件进行数据解算的方法，并对计算结果的精度进行对比分析，证明了该技术可以运用于日常的测绘生产实践中。

GPS精密单点定位技术;WGS-84;精度分析

0 引言

在传统的GPS技术应用中，一般都采用相对定位的作业方式，通过组差消除接收机钟差、卫星钟差等公共误差及削弱对流层延迟、电离层延迟等相关性强的误差影响，达到提高精度的目的。这种作业方式无需考虑复杂的误差模型，具有解算模型简单、定位精度高等优势[1]。但也存在一些不足，如作业时必须至少有1台接收机安置于已知点上观测，这样不仅影响了作业效率，也增加了作业成本;另外随着距离的增加，对流层延迟、电离层延迟等误差相关性减弱，定位精度逐渐降低;最重要的是在没有已知点的地区无法获得定位点准确的WGS-84坐标。

在这种情况下GPS精密单点定位(Precise Point Positioning，简称PPP)技术应运而生，并凭借其可单机作业、机动灵活、低成本、高效率，可直接获得ITRF框架下的三维坐标等优点成为目前GPS研究领域的热点之一。为此，本文对PPP技术的基本原理、测量方法、数据解算以及精度情况进行了阐述。

1 精密单点定位技术(PPP)的发展概况

20世纪70年代初期，R.RAnderle首次提出了利用固定已知的卫星轨道和多普勒卫星观测值信息来确定单站位置的方法，并将这种方式命名为“Precise Point Positioning，PPP”。利用精密卫星星历和卫星钟差，处理非差相位观测值的PPP方法于1992年被GSD(Geodetic Survey Division of Natural Resources Canada)采用。

20世纪90年代中期国际 GNSS服务局 (IGS)开始向全球提供精密星历和精密卫星钟差产品，这就为非差相位精密单点定位提供了可能。1997年，美国喷气推进实验室(JPL)的研究人员提出了利用 GIPSY软件和IGS精密星历，同时利用一个GPS跟踪网的数据确定5 s间隔的卫星钟差，在单站定位方程式中，只估计测站对流层参数、接收机钟差和测站三维坐标的精密单点定位研究思路，通过实验，取得了24 h连续静态定位精度达1～2 cm的结果，用实测数据证明了利用非差相位观测值进行精密单点定位是完全可行的。随后，德国科学院地学研究中心(GFZ)和加拿大大地测量局(GSD)及卡尔加里大学先后发表论文，表明他们也已经完成精密单点定位的类似试验研究，取得了同样精度的静态和动态定位结果。

国内进行GPS精密单点定位的研究起步稍晚，但目前的研究应用已经与国际水平相当。武汉大学、上海天文台、西安测绘研究院、中科院测量与地球物理研究所、同济大学等单位先后对精密单点定位进行了研究。近年来，上海天文台曾在《测绘

2 PPP技术原理及作业特点

PPP技术是一种基于单个GPS接收机的双频观测数据、利用IGS发布的精密星历及钟差产品，并对观测值中影响在厘米级以上的系统误差，如相对论效应、相位缠绕(phase wind-up)等进行改正，进而精确确定全球任一点位置的方法，其定位精度可达分米甚至厘米级的水平[2]。

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进行定位解算，同时采用精细的模型对卫星天线相位中心偏差、固体潮影响、海洋负荷影响等加以改正，并用辅助参数对测站位置、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。它要求卫星轨道精度达到厘米级水平，卫星钟差改正精度达到亚纳秒级水平。其特点在于各站的解算相互独立，计算量远远小于一般的相对定位。

精密单点定位工作模式与普通静态GPS工作模式相差不大，要求采用双频GPS接收机进行静态观测，观测时间不小于2 h，如果希望获得更高精度的定位结果就必须在此基础上延长观测时间，卫星高度截止角15°，采样间隔15 s，PDOP≤6。观测时段可在UTC时(通用协调时间，UTC=北京时间－8 h)的0～24 h之间任意选取，并且最好不要跨UTC时间0点;天线高量取至厂商指定的天线参考点位置，并须获得厂商提供的各参考点至天线相位中心改正常数，以便于在随后的数据处理中精确计算天线高;观测中不记录气象元素，其它项目按GPS观测记录手簿的要求认真填写。

与传统的绝对单点定位相比，精密单点定位利用的不是广播星历，而是IGS提供的精密星历和精密卫星钟差，其精度比传统的绝对单点定位精度要高得多，用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在全球范围内的任意位置都可以获得分米甚至厘米级的精度;与相对定位相比，精密单点定位具有单站即可作业、不受基线长度限制、可以单历元解算、直接获得点位三维坐标(WGS-84或ITRF框架下的坐标)等优点。

3 数据解算

目前对于精密单点定位数据处理的途径有两种:一种是利用单点定位解算软件在单机上进行处理，另外一种就是使用一些网站提供的PPP在线观测数据解算服务来处理。

国内外比较成熟的精密单点定位软件有以下几种:瑞士BERNE大学研制的GPS数据处理软件BERNESE 5.0;加拿大卡尔加里大学开发的P3软件;诺瓦泰公司的GrafNav7.8及更高版本;加拿大APPLANiX公司的POSPacAIR软件;挪威Terra-Tec公司推出的TerraPOS软件;瑞士Leica公司的精密动态单点定位软件IPAS PPP;国内的有武汉大学开发研制的PANDA软件以及张小红教授研制开发的Trip软件等。

如果用户没有以上介绍的解算软件也没关系，因为目前世界各地有不少科研机构都开发了自己的在线定位服务系统，这些系统大部分都面向全球用户免费无限制使用，只要用户将标准的Rinex格式的接收机文件上传给在线定位服务系统，系统就会在较短的时间内将定位结果发给用户。目前，有以下5大机构提供这类定位服务:美国NASA喷气推进实验室(JPL)的Auto－GIPSY(AG)、美国加州大学SOPAC的SCOUT、澳大利亚国家制图局的AUSPOS、美国国家大地测量局的OPUS和加拿大自然资源部大地测量司(GSD)的CSRS－PPP。其中SCOUT、AUSPOS和OPUS三大系统采用网平差的解算方式进行定位解算，它们会自动选择上传站点附近3个IGS或CORS参考站一起平差。Auto－GIPSY(AG)与CSRS－PPP则采用精密单点定位的方式定位[3]。

4 应用实例及精度分析

为了检验精密单点定位技术在实践中的可操作性以及可以达到的精度，笔者选择了河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队近年所做的青龙县D级GPS控制网中的观测数据进行试验。数据处理采用在线定位服务系统和张小红教授的Trip1.0进行对算，互为检核。

进行计算之前，首先将其原始数据格式转换为包含正确天线高的 Rinex通用数据格式，然后到 http://garner.ucsd.edu/(加利福尼亚大学圣地亚哥分校)网站下载各个GPS观测文件所对应日期的IGS精密星历以及精密钟差文件。

鉴于美国喷气动力实验室网站的在线定位系统无需注册，且具有操作简便，解算快捷等优点，所以数据解算选择在此网站上进行。具体操作步骤为:首先登陆网站首页 http://apps.gdgps.net/，然后选择“即时定位”进入页面，见图1。

图1 上传准备好的Rinex文件Fig.1 Upload Rinex files which apoised

各个选项均为默认值无需修改，在浏览框里选择要上传进行解算的Rinex文件，然后点击“Upload”按钮开始上传，在等待几分钟后(具体时间视网速而定)数据解算完毕自动跳转到下一页面，如图2所示。

最上方显示上传的观测文件名称，下面一行依次是解算出来的纬度、经度和大地高，此网页内嵌了Google Map，解算出来的点位被自动标注在图上，非常直观且便于浏览查看。

接下来使用Trip1.0软件(试用版)对此点进行解算，分别将Rinex格式的O文件和N文件以及对应的精密星历文件、30 s间隔的精密钟差文件导入后计算出定位结果，过程如图3所示。

图2 解算出结果并标注在Google Map中Fig.2 Calculated result and labeled on Google map

图3 将精密星历及钟差文件导入TripFig.3 Precise ephemeris and clock errors file import Trip

在全部8个点解算工作完成后，将两种方法解算出的经纬度坐标以及大地高进行比较，为了便于理解，将经纬度地理坐标投影到WGS-84椭球的3°分带平面直角坐标系中，并计算出两种算法定位结果的点位较差列于表中，具体统计数据，见表1。

表1 在线定位服务系统与Trip1.0软件解算结果对比表Tab.1 Contrast table between online positioning service and Trip1.0 solution results

从表1中可以看出:两者点位较差最大0.113 m，最小0.036 m;高程较差最大0.133 m，最小0.052 m。这个精度远远高于传统GPS绝对单点定位的精度，但是并没有达到前文所介绍的精度。究其原因，除了两种解算方法自身软件模型方面差异因素外，还受以下因素的影响:观测时间、对流层延迟、卫星几何精度因子GDOP数值等[4]。

5 在现阶段测绘生产实践中的意义

经过国内外专家近20年的不懈努力研究，PPP技术发展到今天已经日趋成熟，方便灵活的作业方式——单机作业无需联测已知点、以及令人满意的定位精度——厘米级，在理想条件下甚至能达到毫米级精度等优点，使其在测绘领域的应用越来越广泛。比较常见的有用于GPS辅助空中三角测量中确定摄影中心的空间位置、海洋类测绘(包括海岛(礁)测绘、海岸线测量、水深测量)、航道测量、1∶5 000以下中小比例尺地形测绘等。

精密单点定位技术还可以解决许多实际问题，比如获得点位准确的WGS-84坐标。长期以来使用的WGS-84坐标都是通过对控制网的三维无约束平差得到的，具体就是先指定网中某点为基准点，然后以此点的WGS-84坐标系经纬度坐标以及大地高为基准进行GPS网的无约束平差，通过无约束平差可以发现粗差改善GPS网的质量，同时解算出整个控制网中所有点位相对于基准点的WGS-84坐标。但是通过研究发现直接测定的基准点WGS-84坐标精度较低，一般来说会有几米到几十米的偏移，这显然不是所需要的。

应用精密单点定位技术，可以先准确地计算出基准点的WGS-84坐标，然后再进行三维无约束平差从而获得控制网内其它点位的高精度WGS-84坐标，上述问题迎刃而解。

PPP技术还可以应用在WGS-84坐标系到国家或地方坐标系的转换参数(7参数或者3参数)计算中，过去往往由于参与计算的WGS-84坐标不够准确，致使计算结果误差较大，影响正常使用，现在问题也得到解决。

6 结束语

当今世界科技飞速进步，测绘地理信息行业的新技术、新方法发展迅猛，精密单点定位(PPP)技术经过十几年的发展，如今已经为越来越多的测绘单位和技术人员所接受。通过实践，表明PPP技术操作简便、精度较高，完全可以运用在日常测绘生产工作中，从而更好的为经济发展服务。

[1]汪平，郝金明，沈国康，王浩宇.GPS单点定位观测值的精度分析与改进[J].大地测量与地球动力学，2009，29(3):141 －144.

[2]张宝成，欧吉坤，袁运斌，钟世明.基于GPS双频原始观测值的精密单点定位算法及应用[J].测绘学报，2010，39(5):478 －483.

[3]李黎，戴吾蛟，李浩军，苏强.AUSPOS在线定位系统研究分析[J].全球定位系统，2008(5):43－46.

[4]曹相，高成发.GPS精密单点定位(静态)影响收敛速度的因素分析[J].现代测绘，2007，30(1):19 －21.

Application of Precision Point Positioning Technique in Surveying and Mapping Production

WANG Yu-long，LI Xiu-li，WANG Jian-zhong
(Qinhuangdao Team of Mineral and Hydrogeology Engineering Geology，Hebei Bureau of Geo-exploration，Qinhuangdao Hebei 066001，China)

This paper first introduces the background，technical principles and operating characteristics of the PPP technique，then expounds the online location-based services and stand-alone software for data solver by examples，and analyzes the results accurately，in order to prove that the technology can be applied to the daily practice of surveying and mapping.

Precision Point Positioning;WGS-84;precision analysis

文献标识码:B 文章编号:1007－9394(2012)02－0023－03

2012－03－23学报》上发表文章，阐述了他们应用JPL的GIPSY软件进行了类似精密单点定位原理的小区域网站的静态定位试验，数据处理结果表明单天解也可达到厘米级定位精度。

王玉龙(1972～)，女，四川达县人，工程师，现主要从事GIS制图及测绘数据处理方面的工作。