PPP技术及其进展

精密单点定位概念及原理
精密单点定位发展
IGS 产品输入 （精密卫星星历 精密卫星钟差） 用户输入 （测站双频伪距 和相位观测值）
非差数据预处理
精密单点定位计算
（各种误差 改正、对 流层随 机游走 估计、电离层双频观测值消除）
参数估计 （测站位置、接收机钟差
对流层延迟、整周模糊度）
精密单点定位概念及原理
技术发展背景
定位技术发展 码定位
伪距
单点定位
位置和时间
接收机钟差
GNSS 导航解
局域差分GPS
技术发展背景
定位技术发展 广域差分GPS 广域差分GPS技术的基本思想是对GPS的卫星轨道误差、卫星钟 差及电离层延迟等主要误差源加以区分，并对每一个误差源分 别加以“模型化”，计算其误差修正值，通过数据通讯链传输 给用户，对用户GPS接收机的观测值误差加以改正，以达到削 弱这些误差源的影响，改善用户的定位精度的目的（刘经南等， 1999）。 误差改正： 1）卫星星历误差; 2）卫星钟差； 3）电离层对GPS信号传播产生的时间延迟。
IGS发展概述
IGS发展概述
IGS发展概述
IGS发展概述
IGS发展概述
IGS发展概述 c (tr - ts)= +c (tr - ts)+ i + t 用于定位、定轨和确定地球动力学参数. c (tr - ts ) 用于时间同步和确定卫星钟差, i , 电离层延迟
t
t
t
由相位、钟差与频率积分的关系，相位偏差为频率 抖动的时间积分，而相位偏差又等同于钟差与基准 频率的乘积
t f
0
ts
sj
(t )dt sj (t r ) sj (t 0 ) f (t sj (t r ) t sj (t 0 ))
非差观测方程：
ij (t r ) ri (t 0 ) sj (t 0 ) f ft ri ft sj f (t ri (t 0 ) t sj (t 0 )) N ij (t r )
R
R,
R
S
S,
S
D

C
Y S( X R X S ) X S (YR YS )
sin cos 0 0 X S 0 Y S 1 Z S
对卫星坐标的改正公式为：
' XS cos ' YS sin Z' 0 S
t
ri (t r ) ri (t 0 ) f rj (t )dt
t0
tr
精密单点定位概念及原理
非差精密定位数学模型 f (t ) 假设 f 为的基准频率， 为t时刻的频率抖动， 则根据相位、频率和时间的相互关系：
sj
sj (t ) sj (t 0 ) s f sj (t )dt s ( f f (t ))dt f (t s t 0 ) sf sj (t )dt t0 t0 t0
精密单点定位中的误差处理
GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信 号有关三类 （1）和接收机、测站有关误差 •接收机钟差 一项是其对计算卫星坐标的影响，假设卫星运动速度为4km，此项 影响如表所示 1×10
接收机钟差(s) 1×10-3 4
-6
1×10-9 4×10-6
卫星坐标误差(m)
3 GM r4 j X j E3 j 2 GM E Xj
h XP X j 3l X P X j X j 3 2 l 2 XP X j X j 2 2 XP X j
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2 h X 2 P 2 XP
X c f j Acj cos( j t j u j cj )
j
精密单点定位中的误差处理
•地球自转改正 由于地固系是非惯性坐标系，它随地球的自转而旋转变化，卫 星信号发射时刻和接收机信号接收时刻所对应的地固系是不同 的。因此，在地固系中计算卫星到接收机的几何距离时，必须 考虑此影响。假设测站坐标为（ X 、Y 、Z ），卫星坐标为 为地球自转角速度，C为真空中光速，则由地 （ X 、Y 、 Z ）， 球旋转引起距离改正为：
技术发展背景
定位技术发展 广域差分GPS
WADGPS系统一般由一个主控站、若干个GPS卫星跟踪站 （又称基准站或参考站）、一个差分信号播发站、若干个监 控站、相应的数据通信网络和若干个用户站组成。
系统的工作流程:
GPS卫星跟踪站
数据通讯网络
主控站
卫星轨道误差改正、 卫星钟差改正及电离 层时间延迟改正
非差精密定位数学模型
非差观测值方程
GPS接收机量测的相位观测值是接收到的卫星 信号相位与接收机本机振荡相位之差。
ij (tr ) ri (tr ) sj (tr ) N ij (tr )
是接收机记录的采样时刻； (t ) 是时刻测站i本机振荡相位； (t ) 是时刻测站i接收到卫星j的载波相位； N 是时刻测站i卫星j的整周模糊度； (t ) 是时刻测站i卫星j的观测噪声。
IGS发展概述 GPS一直在地学研究领域尤其是在大地测量领域扮演着一个举足 轻重的角色。为了加强国际间GPS地学研究合作应用，IAG于 1993年成立了IGS组织，于1994年1月正式运作。
IGS组织主要由全球跟踪站网、数据中心、分析中心和协作分析 中心、协调分析中心、中心局及发布中心等几部分组成 分析中心包括NRCan、GFZ、JPL、CODE、ESA、SIO和 NGS等七个

t , 对流层延迟.
IGS发展概述
IGS发展概述
IGS发展概述
IGS发展概述
空基GPS大气探测
精密单点定位概念及原理
精密单点定位发展 精密单点定位是早在20世纪70年代美国子午卫星时代针对Doppler精 密单点定位提出的概念。 利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历 作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密 卫星钟差来替代用户GPS定位观测值方程中的卫星钟差 参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在 在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以分 米级的精度进行实时动态定位或以厘米级的精度进行较 快速的静态定位，这一导航定位方法称为精密单点定位 （Precise Point Positioning），简称为（PPP）。
GLONASS是由俄罗斯开发的全球定位系 统，采用频分多值技术
图 7-6
GPS 系统星座
定位系统发展
GALILEO是由欧盟主持开发的定位系统
图 7-8
Galileo 系统星座
GALILEO系统由30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗 备份星。卫星分布在3个中地球轨道（MEO）上，轨道 高度为23616千米，轨道倾角56度。每个轨道上部署9颗 工作星和1颗备份星，某颗工作星失效后，备份星将迅 速进入工作位置，替代其工作，而失效星将被转移到高 于正常轨道300千米的轨道上。
GPS 精密单点定位（PPP） 技术及其进展
武汉大学GPS工程研究中心 叶世榕
主要内容


技术发展背景 精密单点定位（PPP）概念及原理 PPP关键技术 PPP应用及其未来发展
技术发展背景
定位系统发展 GPS 、GLONASS、GALILEO、北斗卫星定位系统
GPS 24颗工作卫星，三颗备用卫星，分布在六个轨道面上
精密单点定位概念及原理
非差精密定位数学模型 由于卫星和接收机信号的初始相位及由初始 钟差引起的误差与模糊度不可分离，将它们 并入模糊度参数 ：
ij (t r ) f ft ri ft sj Nij ij (t r )
(t s , t r ) / C ttrop tiono t mult t rel
[0.025sin cos sin( )]
XP XP
精密单点定位中的误差处理
•大洋负荷改正 大洋负荷潮产生的原因是由于潮汐的周期性涨落。大洋 负荷潮影响与固体潮影响类似，也主要由日周期和半日 周期项组成，但是它的影响比固体潮的小一量级。对于 单历元定位，其影响约为5cm。对于24小时的静态定位 结果其影响为mm级（Heroux，2001）。如果测站离海岸 很远（>1000km），其影响可忽略不计。

精密单点定位中的误差处理
GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信 号有关三类
（2）和卫星有关误差
•卫星钟差 一是由卫星钟差引起的卫星坐标计算误差，与接收机钟差相同， 只要保证卫星钟差不大于1µs，这项影响就可以不考虑 另一项是由卫星钟差引起的几何距离计算误差，由于不同卫星 的钟差均不一致，在非差定位中不能象接收机钟差那样当作未 知数处理，必须事先估计其大小，然后代入观测方程，消除其 影响。厘米级精度的精密单点定位要求卫星钟差的改正精度达 到亚纳秒级。因此，在实时非差相位精密单点定位中，确定卫 星钟差是一项非常重要的工作。
tr
ri r si r
ij
i
精密单点定位概念及原理
非差精密定位数学模型 假定卫星和接收机振荡器时刻的相位分别为 (t ) 和 (t ) ，那么根据频率与相位之间的积分关系， 即频率的时间积分值为相位变化值，任意时刻 的卫星信号和接收机信号的相位可以表示为：
s 0 r 0
sj (t s ) sj (t 0 ) s f sj (t )dt t0
用户站
技术发展背景
定位技术发展 相位定位方面
静态相对定位
动态相位差分（RTK） RTK就是实时动态定位的意思，利用GPS载波相位观测值实 现厘米级的实时动态定位的就是所谓的GPS RTK技术。 网络 RTK定位技术 网络RTK就是在一定区域内建立多个（一般为三个 或三个以上）坐标为已知的GPS基准站，对该地区构 成网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相 位观测值误差改正信息，对该地区内的卫星定位用户 进行实时改正的定位方式，又称为多基准站RTK。
定位系统发展 北斗卫星定位系统是有中国自主开发的卫星定位系统，目 前建成的第一代导航星座由静止卫星组成，第二代卫星导 航系统处于研制阶段，设计由9颗中轨卫星、12颗高轨卫星 和4颗静止卫星组成，具有全球定位导航能力。 北斗卫星定位系统由北斗定位导航卫星、地面控制中心、北斗用 户终端组成 具有快速定位、短报文通信、精密授时功能 优势： 同时具备定位与通讯功能，无须其他通讯系统支持
4×10-3
另一项是其导致计算卫星与测站之间几何距离产生误差
接收机钟差(s) 几何距离误差(m) 1×10-6 300 1×10-9 0.1×10-9 0.03
0.3
精密单点定位中的误差处理
GPS定位的主要误差源可以分为和接收机、测站有关、和卫星有关及和信 号有关三类 （1）和接收机、测站有关误差 •接收机天线相位偏差 在GPS测量中，观测值都是以接收机天线的相位中心为 准的。理论上，天线的相位中心与其几何中心应保持 一致。而实际上，天线的相位中心随着卫星信号输入 的强度与方向的不同而有所变化，即观测时相位中心 的瞬时位置与理论上的相位中心有所不同，两者的偏 差值可达数毫米到数厘米。
精密单点定位中的误差处理
•固体潮改正 摄动天体（月球、太阳）对弹性地球的引力作用，使地球 表面产生周期性的涨落，称为固体潮现象。它使地球在地 心与摄动天体的连线方向上拉长，与连线垂直方向上趋于 扁平。
长期偏移、日周期、半日周期项。
日平滑后残余影响在径向仍可达12cm，在水平方向可达 5cm（Heroux，2001）
最终的GPS非差相位观测值方程：
ij (t r ) f (t s , t r ) / C ft s ft r trop iono rmult rel N ij ij (t r )
类似的，伪距观测方程：
Pij (t r ) (t s , t r ) Ct s Ct r Ptrop Piono Prmult Prel pij (t r )