GNSS精密数据处理的关键策略与方法

韩志云，钱 进，钱曙光，吴 星

（1.中国空间技术研究院，北京 100094；2.北京卫星导航中心,北京100094；3.中国科学院大学 地球科学学院，北京 100088；4.总装备部工程设计研究总院，北京 100077）

目前GNSS正向着精密化、实时化发展，已经为现阶段无缝高精度导航定位提供了良好的铺设。GNSS系统高精度实时精密定位服务从系统发展角度主要可分为2类：基于网络RTK技术的区域连续运行参考系统（CORS）和基于实时精密单点定位技术的实时精密定位系统。与此同时，多系统的全球导航卫星系统也逐步发展起来，可以有效克服单系统存在的问题，增强导航定位服务的稳定性和可靠性。

1 研究现状分析

现阶段的网络RTK系统都是在CORS基础上建立起来的，也就是说大部分的CORS包含了网络RTK的定位功能。因而CORS的发展现状也反映了网络RTK系统的发展现状。目前全球范围内的CORS主要有美国CORS，最初由美国国家大地测量局NGS的跟踪站网、海岸警卫队USCG差分网、联邦航空局FAA的WAAS网、工程兵团USACE的跟踪网等137个GPS基准站组成了CORS雏形，现已发展到400个左右的基准站，来建立和维持国家参考框架、差分GPS服务、气象、地震等研究；欧洲的EPN覆盖整个欧洲大陆，由连续观测的高精度GPS/GLONASS接收机构成的若干站组成，是欧洲参考框架EUREF建立的基础，拥有基准站122个左右，用于建立和维持欧洲区域参考框架、精密定位、RTK和差分服务等研究；日本的CORS为GeoNET，其前身是由日本国家地理院GSI从20世纪90年代初开始布设用于地壳应变监测的COSMOS系统，目前基准站达1 200个左右，用于地壳运动监测网络、大地控制网、大地测量、RTK、气象、地震等研究；我国的CORS建立于2006年，目前也已建成1 200个左右的基准站；澳大利亚的CORS网络完成度也较高；德国的SAPOS网由德国国家测量部门联合德国测量、运输、建筑、房屋等部门的差分GPS计划，建立起一个长期连续运行的、覆盖全球的多功能差分GPS定位导航服务体系，基本服务是实时为用户提供cm级精度的改正数据[1]。

以实时精密单点定位技术为核心发展起来的全球高精度实时动态定位服务系统，可利用全球或区域稀疏分布的基准站，提供覆盖全球范围的高精度实时定位服务，能有效弥补网络RTK 服务系统在上述应用领域的不足。自1997年美国喷气推进实验室（JPL）的Zumberge等人利用IGS精密星历和GIPSY软件成功地验证了精密单点定位技术的可行性以来，精密单点定位误差改正模型被不断精化，精度显著提高。目前采用IGS等组织提供的高精度卫星轨道及钟差改正，精密单点定位可以达到静态定位cm至mm级精度，动态定位dm至cm级精度，其后处理的定位精度正逐渐向网络RTK服务的定位精度水平接近，广泛应用于GPS地面网解算、车辆导航、大气探测、精密授时以及星载GPS精密定轨等领域。随着实时基准站的增加与实时通信水平的提高，基于广域跟踪站网络的实时精密定位应用服务已经成为了国际上研究的热点。IGS组织2002年专门成立了实时工作组，并确定在2007～2010年开展IGS实时实验计划。该计划的目的在于能初步形成IGS的实时产品服务，参加机构包括NRCan、ESOC、BKG等多家知名研究机构（IGS-RT-PP）。目前RT-PP计划已经实现了初步目标，BKG、GSOC、NRCan、ESA、TUW、GFZ、GMV、CNES、Geo++以及Wuhan GNSS Center等多家机构已开始向IGS发布实时精密轨道、钟差产品。各分析中心产品采用RTCM-SRR格式编码发送给IGS，用户可通过BNC软件实时获取精密轨道和钟差产品进行实时精密单点定位[2]。

多系统GNSS提供了多频的卫星信号，这就为观测值线性组合提供了更多的选择。较经典的双频载波相位混合伪距线性组合——MW组合可以消去一阶电离层、对流层、接收机钟差、卫星钟差等影响，不受基线长度限制，多历元平滑后，取整即可获得双差宽巷的整周模糊度值。随着GNSS系统提供的卫星信号频率的增多，三频组合观测值为消除电离层一阶与二阶项提供了可能。同时，对于周跳探测、误差削弱和整周模糊度固定也可以通过不同观测值组合得到帮助。多系统GNSS也为用户提供了更大的卫星覆盖范围、更好的卫星空间几何分布，增强了导航定位服务的完好性、可靠性和精度保证[3]。

2 关键技术

2.1 网络RTK关键技术

网络RTK关键技术主要包括基准站网模糊度确定、区域误差模型建立和流动站误差的计算、流动站双差模糊度的确定和大规模基准站组网技术、网络RTK系统完备性监测技术5个方面[4,5]。

网络RTK系统基准站间距离较大，电离层和对流层相关性比较低，双差后残余误差很大，模糊度与误差难以分离。要得到cm级的误差分布，必须先固定好模糊度。基准站网模糊度确定的常用方法有：韩绍伟的长距离GPS静态基线模糊度求解法、高星伟的单历元整周模糊度搜索算法、唐卫明的快速确定长距离基准站网模糊度的三步法等。

影响GPS定位的误差中，与距离相关的电离层误差、对流层误差和轨道误差是网络RTK误差处理的主要内容。其中，轨道误差可以使用IGS的快速预报星历较好地解决，对流层误差一般首先通过模型改正后，用参数进行估计。电离层误差是最为复杂的，也是最主要的误差，国内外很多学者对电离层误差的模型化和内插方法做了研究。在网络RTK定位中，广泛应用的方法主要有2种：一种是把各种误差分开建立模型，然后根据流动站的位置计算出相应的误差；另一种是把各种误差放在一起，直接根据流动站相对于基准站的坐标内插其误差。

网络RTK中双差后的残差仍然较大，需要通过基准站网数据进行改正，消除其对定位的影响。Hatch提出了双频P码伪距法和最小二乘搜索法；陈小明提出了附加模糊度参数的卡尔曼滤波法；孙红星提出了双频数据相关法；高星伟提出了单历元流动站整周模糊度搜索法等。

网络RTK技术需要首先进行基线解算，并以此为基准计算误差改正数。一般是以计算量较小或最邻近的点选择最佳基线，选取Delaunay三角形构建基准站三角网。

网络RTK系统完备性是保证用户安全性的一个重要组成，当系统不能提供用户需要的服务时，系统在预定的时间范围内给用户提供及时有效的警告信息和这些信息可靠性指标。另外，完备性还包括用户对系统提供的信息进行保护水平计算，检查是否超过报警限值。很多学者为完备性研究作了很大的贡献，但还没有专门为网络RTK系统的完备性进行系统的研究，没有能从理论上解决目前网络RTK系统存在的问题。

2.2 实时精密单点定位关键技术

实时PPP技术目前存在两大问题亟待解决，即实时PPP快速初始化和实时PPP质量评估方法。

对于实时精密单点定位用户来说，由于无法采用后处理中的整体解算、反向滤波等方法来提高初始定位阶段的定位精度，在获得高精度的定位精度之前必然存在一个初始化过程，初始化时间主要取决于初始观测过程中的卫星几何分布、接收机质量和观测环境等。目前实时动态达到dm级定位精度一般需要约15～30 min的收敛时间，当初始观测条件较差时可能需要更长的收敛时间。在实时PPP初始化阶段，由于其定位结果精度得不到保障，因此实时PPP用户需要额外等待较长的初始化时间。对于实时动态PPP用户，还会遇到信号遮挡而导致PPP频繁地重新初始化。这些都严重制约了实时PPP技术的推广应用。如何加快PPP的收敛速度，实现与RTK技术相当的收敛速度是实时PPP技术应用推广亟待解决的问题。

实时PPP质量评估包括初始化判定与精度评定，RTK技术主要是通过双差模糊度是否固定来判定是否完成初始化过程，而PPP技术尚没有一种可靠的初始化判定标准。目前PPP的收敛时间是基于大量观测数据处理统计得到的一个经验值，实际定位所需要的收敛时间则会因具体的观测环境而有所不同。为了使用户获得可靠的高精度定位结果，往往需要用户等待更长的时间以确保定位结果达到要求的定位精度。另一方面，实时动态定位中，PPP与RTK技术实际上都没有给出定位精度，而是采用事后分析的方法，这显然不合理，因此研究实时PPP的质量评估方法也是实时PPP技术应用推广所亟待解决的关键问题。

2.3 多频GNSS导航定位关键技术

各GNSS系统之间都有异同，若要实现多系统GNSS导航定位，就必须利用多系统之间的相同点，同时解决之间的差异，才可能将多系统完全意义上地组合使用。因而，要实现多系统的兼容使用，需要分析各个系统的特性，考虑系统间的异同点，充分利用不同系统组合使用的优势，提高导航定位服务性能；还需要考虑干扰问题，包括系统间的干扰和各自系统内部的干扰，在导航定位接收机端，需为这些干扰留有一定的余量。

3 主要技术和数据处理策略

3.1 网络RTK

目前网络RTK主要技术和方法有：虚拟参考站法、主辅站技术、区域改正参数法、综合误差内插法和改进的综合误差内插方法。

虚拟参考站法由Herbert Landau等提出，基本思想是利用参考站网数据建立起各种误差模型；流动站先发送概略坐标给数据处理中心，数据处理中心生成虚拟参考站观测值，并回传给流动站；流动站利用虚拟参考站数据和流动站数据进行差分，得到高精度定位结果。作业模式是双向数据通信。

主辅站技术由徕卡公司基于“主辅站概念”提出，基本思想是计算出辅站相对于主站的弥散性的和非弥散性的差分改正数；利用主站的改正数和辅站的相对改正数计算流动站的误差；流动站观测值进行改正后，进行高精度定位。作业模式分为单向数据通信和双向数据通信。

区域改正参数法由德国的Geo++ GmbH最早提出，基本思想是计算出网内电离层和几何信号的误差影响；把误差影响描述成南北方向和东西方向区域参数；流动站根据参数计算出误差并进行改正。作业模式是单向数据通信。

综合误差内插法由武汉大学卫星导航定位技术研究中心提出，基本思想是计算出网内基准站间双差综合误差；内插出流动站的综合误差；对观测值进行改正，高精度定位。作业模式分为单向数据通信和双向数据通信。而改进的综合误差内插法主要分为2个方面：一是内插的L1载波相位电离层误差；二是对电离层误差之外的误差，如对流层模型残差、轨道误差等与信号频率无关的误差进行综合内插。

3.2 实时精密单点定位

实时PPP收敛后能够达到dm级甚至cm级定位精度，但是达到此精度需要15～30 min的收敛时间,且在遇到信号中断后，PPP需要重新进行初始化,严重制约了实时PPP的应用推广。PPP收敛速度主要取决于钟差轨道精度、卫星几何构形变化、观测值噪声及观测环境等。近几年国内外学者期望通过固定非差PPP相位观测值模糊度的方法来加快PPP收敛，非差模糊度固定的关键是如何分析接收机和GPS卫星硬件延迟（包括码硬件延迟和相位硬件延迟）对接收机位置、钟差以及模糊度的影响，然后寻求有效的估计或者分离方法，进而恢复非差整周模糊度的整数特性。Ge等将非差模糊度分解为宽巷与窄巷模糊度，通过地面观测网估计卫星端硬件延迟部分，将其代入星间单差实现单差模糊度的固定，且适用于目前IGS发布的钟差产品。另外经多位学者研究发现，利用密集的区域参考站来精化误差模型可以实现PPP的快速初始化，达到与RTK相当的收敛速度。

质量评估主要包括PPP初始化判定和精度评定2部分。目前精密单点定位的质量评估一般采用事后模式，静态观测通过与测站准确坐标比较，动态则与RTK结果或高精度定位软件结果比较分析，关于实时动态PPP质量评估的研究较少。RTK实时动态定位一般通过在观测前后与已知点进行校准，观测过程中通过模糊度固定信息给出解的状态，以此作为质量评估方法，但是该方法对于定位精度的评定实际上是假设双差模糊度固定正确，双差定位理论上可以获得cm级甚至更高的定位精度。对于实时动态PPP而言，若模糊度可以固定，可借鉴RTK的评估方法进行质量评估；但在模糊度无法固定时，目前仍没有较好的实时质量评估方法。因此研究实时动态PPP初始化判定标准、实时定位精度，建立统一、完善的实时动态PPP质量评估方法是实时PPP推广应用亟待解决的问题。

3.3 多频GNSS导航定位

针对不同GNSS系统之间的差异，在不同的参考时间和坐标系统情况下，首先是考虑统一时空基准。对于不同的时间系统，需要考虑之间的偏差。由于多系统导航定位采用的定位算法是在单系统各自独立定位的基础上扩展而来的，因而可以采用增加状态变量法把各个系统的接收机时钟误差当作未知量一并求解，最终使得组合系统的时间统一，减小系统误差。对于不同坐标系之间的系统偏差，需要对不同坐标系之间的直角坐标进行转换，综合考虑坐标原点的平移、坐标轴之间的旋转，一般采用七参数布尔萨（Bursa）转换公式来统一坐标系。同时，统一的机构及时播发不同坐标的转换参数，可更好地方便用户使用。对于不同的星历内容，广播星历在计算轨道时需要考虑其特殊的计算方法要求；而精密星历，随着GNSS的综合发展，IGS最终需将各系统的精密星历统一播发起来。对于不同的区分卫星方式，主要是由于GLONASS系统采用频分多址方式区分卫星，而其他系统则是码分多址方式。在多系统数据处理中涉及到GLONASS卫星信号发射频率计算时，应依据其卫星的频率通道数计算相应的频率。不过GLONASS计划将发射码分多址的卫星，最终将全部代替频分多址的卫星，将这方面的差异消除。

在不同系统融合算法上，不仅需要考虑上述差异，同时在综合使用更多的来自不同GNSS系统的观测值时，需要根据卫星空间几何构型、削弱误差以及固定模糊度等目的，合理进行处理。在选星算法上，主要是传统的最小GDOP选星算法，但是其仅考虑了卫星空间几何分布，而没有考虑卫星信号和测量误差精度差异的影响，因而学者研究了改进的选星算法。在多频组合观测值方面，主要考虑载波相位宽巷、无电离层或削弱电离层、低噪声组合观测值。在数据预处理方面，需要准确地探测和修复周跳。双频载波相位周跳探测与修复的方法中，TurboEdit方法是用MW组合和电离层组合探测与修复周跳，方法简单且不受接收机的运动状态影响，可直接探测原始载波相位观测值的周跳；但是对于多频观测值，需要拓展该方法，寻找出相对应的MW组合观测值与电离层组合观测值，进而探测所有频率的周跳。在模糊度解算方面，Teunissen提出的LAMBDA方法是国际公认的理论最严密、效率最高的模糊度解算方法，其主要包含多维整数高斯变换和球形模糊度搜索2部分。

4 结 语

网络RTK技术为区域内用户提供了实时高精度的GPS误差改正信息；实时精密单点定位技术打破了网络RTK的作用距离限制，可以为用户提供实时高精度的定位结果；而多频GNSS技术使精密单点定位变得多样化、更灵活，也提高了用户使用的效率。

随着多频GNSS系统的完善、全球连续运行参考站的不断建立、网络技术等的发展，网络RTK技术的发展趋势主要是实现长距离和大规模的覆盖范围，使用多频多模，实现高可靠的单历元高精度定位，并且加强完备性。来自IGS的实时精密数据也将包含各GNSS系统的轨道钟差等，并且打算将实时的电离层改正也加入进来；在PPP算法方面，非差模糊度的固定和快速初始化也在不断地研究和发展当中。与此同时，多频GNSS为消除误差、探测周跳和固定模糊度等方面的研究也在不断进行中，这些都将使用户能更高效率地获得更精确的导航定位结果。在质量评估和完备性监测方面，各算法的完善和完备性监测的数据处理与操作，都将促进这一方面的进展。

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