动态精密单点定位用于远程海上平台

动态精密单点定位用于远程海上平台魏娜编译摘 要 在海洋平台上利用GPS进行精密动态差分定位通常要求距离陆基参考站的距离相对较短（小于500km），精密单点定位（PPP）则不受这一限制。

然而，作为PPP前提条件的卫星产品是基于跟踪网的，因此远程海上平台的PPP仍然会受到平台与参考网距离的影响。

本文通过构建与海上平台距离不同的环形参考站网，研究了上述影响。

文中通过估计未校准的相位延迟（UPD），将单站模糊度解算用于PPP。

选定以一艘轮船为中心的三个环形参考站网，半径约为900km、2000km和3600km，用以独立确定卫星钟差和UPD。

作为对照，还对单个参考站进行了差分定位，基线长度分别为400km、1700km和2800km。

结果表明，即使环形参考站网的半径增至1000km，用于轮船定位的卫星钟精度的整体变化在0.02ns以内，三组窄巷UPD 差值的RMS值也只有0.05周。

同时，随着环形参考站网半径的增加，PPP的动态定位精度受到影响，但是在距离环形参考站网1000km时，模糊度解算后仍然达到几厘米的精度，优于差分定位。

因此，本文提出固定模糊度的PPP可以用于远程海洋平台，为在公海开展海洋学和地球物理学应用提供支持。

关键词：精密单点定位；模糊度解算；动态；海洋；公海海洋大地测量通常与测量平台的高精度动态定位有关，如船只、浮标和人工构筑物。

这些位置信息对海洋学研究至关重要，比如，可以测量潮汐变化和海底地球物理，还可以估计水下板块运动，因为大部分板块边界和变形带位于海底，无法直接观测。

当前，在全球参考框架下，后处理模式的GPS动态定位精度在分米到厘米级，非常适合用于确定海上平台的位置。

例如，GPS可以与船只上的声学测距仪联合确定海底的大地测量标志，探测海底地壳形变；用GPS为浮标定位可以测量海浪和潮汐高度，用于卫星高度计的校准、平均海水面的确定和海啸监测；机载GPS与激光测距系统结合，可用于绘制海面地形和测量冰川的粗糙度。

大部分近海应用采用差分GPS定位技术，这适合相对较短的基线。

用于海底大地测量的船只通常距离海岸小于500k m，而用于高度计校准的浮标距离岸上的参考站也在20km以内。

这样的基线长度只能覆盖大洋边上很小的区域，使得海洋学和地球物理学研究限于近岸区域。

动态GPS定位为超长距离（大于1000km）的海上平台提供几厘米精度的定位，成为未来在公海开展海洋学和地球物理学研究的一个不可或缺的前提条件。

差分GPS定位受到所谓基线长度问题的限制，即定位精度随着基线长度的增加而变差。

相距甚远的两个测站上方的大气延迟完全不相关，这为可靠的模糊度解算提出了挑战。

鉴于此，长基线差分定位时模糊度无法固定，只有分米级的动态定位精度。

尽管在待定点周围选择多个参考站可以得到更加可靠和精确的位置，但由于其成本过高而不具有可行性。

因此，如无特别说明，本研究中的差分定位均只有一个参考站。

只要提供精确的卫星轨道和钟差，精密单点定位（PPP）技术只需单个测站的非差观测值就可获得分米级到亚米级的精度，近十年来得到长足发展。

通常认为P PP不受基线长度的限制，为海上平台的动态定位提供了一个高效而廉价的解决方案。

事实上，只用一台冰上或机载接收机，动态PPP就可以获得分米级甚至厘米级的定位精度。

不过，PPP需要的卫星钟差需要通过陆基参考站网来确定，使得PPP要受到参考站网和用户站距离的影响。

这一问题对位于公海中央的海上平台很关键，因为距离这些海上平台最近的参考站也有约100 0km。

实验表明，由于定轨中存在动态平滑，在一个连续弧段内，GPS轨道精度可达厘米级，海洋上空的轨道精度衰减很小，本文中可以忽略。

由于未校准的相位延迟（UPD）无法在最小二乘估计时从整周模糊度中分离出来，单站PPP无法进行模糊度解算。

这一缺陷限制了精密单点定位精度的进一步提高。

最近的研究表明，如果能够利用参考站网提前将UPD精确确定，模糊度的整数特性可以恢复。

耿江辉等人在2009年的研究表明从区域网中得到的UPD可以用于远程静态测站的模糊度解算，测站距离约1000km，可用于公海移动海上平台的模糊度解算。

本文评估了由参考站网得到的卫星钟差和UPD的精度，评估时其用于远程海上平台的定位。

将动态PPP定位结果与长距离差分定位相比，两种方法中都进行了模糊度解算。

下文中，“方法”部分介绍了有模糊度解算的动态PPP和差分定位方法；“数据和模型”部分介绍了用到的数据和模型；“结果和讨论”部分包含了船载数据处理的结果和讨论；“结论”部分做了小结。

1方法本小节介绍了动态PPP和长距离差分GPS技术，包括数据处理策略和模糊度解算方法。

1.1 解算模糊读的PPP为了模拟公海的情况，设计了三个以海上平台为中心的环形参考站网。

所有环形参考网互不重叠，每一个参考网都为动态PPP 独立提供卫星钟差和UPD 估计值。

中心平台上卫星产品的质量主要受到距离最近的参考站的影响，这就是采用环形参考网而非全球网的原因。

同时，通过固定卫星轨道逐历元估计了卫星钟差，通过固定轨道和卫星钟差，估计了UPD 。

PPP 中的模糊度解算分为两个步骤，称为网解和单点解。

对于网解，通过对参考站上星间差分模糊度估值的小数部分求平均来确定UPD ；对于单点解，星间差分的UPD 用于恢复某一测站上星间差分模糊度估值的整数特性。

星间差分的UPD 仅为模糊度实数解的小数部分，整数部分可以被吸收到整周模糊度中，不会削弱P PP 的精度。

为简便起见，下文中的“UPD”均指“星间差分的UPD”，PPP 解由PANDA 软件得到。

对于网解，UPD 包括了宽巷和窄巷U PD ，卫星i 和j 之间的宽巷UPD j i w,φ由下式确定[]ji wk j i wkj i w b b ,,,−=φ （1）式中ji wkb ,代表由测站k 上MW 组合观测值得到的星间差分宽巷模糊度估值，[]•代表取整，•代表取平均。

宽巷UPD 至少在几天内都是非常稳定的，只要得到了ji w,φ，星间差分宽巷模糊度就可以固定为整数，而窄巷UPDji n,φ由下式确定ji wk j i ck j i wk j i ck j i n n f f f b f f f n f f f b f f f ,212,121,212,121,−++−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−+=φ（2）式中1f 和2f 分别代表L1和L2的频率，j i ckb ,代表实数的星间差分模糊度估值，用于无电离层组合观测值，ji wk n ,代表整数宽巷模糊度估值。

由于长时间的窄巷UPD 不稳定，确定窄巷UPD 时采用了耿江辉等人在2009年提出的方法。

另外，在卫星一次经过中，至少需要5个参考站观测同一个卫星对，这样得到的UPD 估值才可用。

对于单点解，通过将上述的UPD 改正引入到星间差分模糊度估值中，依次解算宽巷和窄巷模糊度。

本文中宽巷和窄巷模糊度的整数解遵循连续偏差固定策略。

1.2 长距离差分定位与上一小节中提到的三个环形参考网相对应，选择三个距离海上平台不同远近的参考站进行长距离动态差分定位。

考虑到两个距离较远的站的对流层延迟不相关，必须先用无电离层组合观测值来消除电离层一阶延迟，然后在两个测站都需要估计天顶对流层延迟。

同时，对于超长基线必须使用精密轨道，此处的差分定位采用Bernese GPS 软件5.0版本进行数据处理。

Dach 等人认为双差模糊度解算包含两个步骤。

第一步，利用MW 组合观测值将宽巷双差模糊度固定为整数；第二步，利用整数的双差宽巷模糊度和无电离层组合计算双差窄巷模糊度。

然后用双差窄巷模糊度计算模糊度固定后的解，这一方法实际上很类似于PPP 中的模糊度解算，只是相差UPD 。

2 数据和模型2004年11月27日在中国渤海用船载接收机采集了1Hz 的GPS 数据，从1:37:00到7:53:00（UTC ），约6个小时，船只航程超过了250km ，平均速度约为10m/s 。

船只航行区域周围建立了三个采样频率为1Hz 的参考站，即REF1，REF2，REF3，图1为航线和三个参考站的示意图。

图 1 船只在中国渤海的航迹（红线）和用于计算船只参考航迹（真值）的三个1Hz 参考站（黑点）采用Bernese 5.0软件和三个参考站的数据得到了船载天线的位置，对三个动态基线联合平差并估计天顶对流层延迟。

为得到模糊度固定的位置解，认为基线的水平精度优于5cm ，竖直精度约为5cm 。

为了提高效率，每5s 解算一个位置。

图2显示了用于确定卫星钟差和UPD 的参考站分布，蓝色圆点、棕色三角和黑色倒三角分别表示以船只为中心的三个环形参考站网，半径分别为900km 、2000km和3600km ，为方便叙述，以下分别成为小环、中环和大环，分别包含8个、17个和14个测站。

所有参考站都是IGS 的永久跟踪站，采样间隔为30s ，三个环形网各自独立，数据按天处理。

差分定位中，BJFS 、TWTF 和PIMO 为参考站，分别距离船只约400km 、1700km 和2800km （图2）。

三个参考站上平均每个历元可以观测到7颗以上卫星。

图 2 用于确定卫星钟和UPD 的参考站分布动态PPP 和差分定位采用基本相同的数据模型，都采用CODE 发布的卫星轨道、地球旋转参数和P1-C1码偏差，采用的相对天线相位中心和相位缠绕改正与2004年的CODE 产品保持一致。

截止高度角设为7°，观测值采用高度角加权策略。

对于PPP ，参考站上的天顶对流层延迟每60分钟估计一次，船只上的每10分钟估计一次。

对于差分定位，参考站和船上的天顶对流层延迟都是每10分钟估计一次。

由于图2中参考站的数据采样率较低，船载GPS 数据改为30s 的采样间隔。

3 结果和讨论本小节讨论了用三个环形网确定的卫星钟差和窄巷UPD 的精度，比较了动态P PP 和差分定位。

3.1卫星钟差估计值由于三个环形网的可视空域不同，无法评价所有卫星钟差的精度，只比较了船上用到的卫星钟和CODE 最终钟产品，2004年该产品的精度优于0.1ns 。

比较之前，消除了三个环形参考网所得卫星钟和CODE 最终钟产品中与星座和卫星有关的偏差。

星座的钟偏差可以被接收机钟吸收，与卫星相关的钟偏差被吸收到模糊度估值中，这样不易损害PPP 解的质量。

星座钟偏差通过与选定参考钟求差的方法逐历元消除，在每一个连续的观测时段内通过扣除公共钟偏，可以消除与卫星有关的钟偏差。

消除这两项偏差后，用卫星钟差的均方根误差（RMS ）来评定钟的精度。

每颗卫星钟差的RMS 值均小于0.1ns ，三个平均的RMS 值分别只有0.041ns 、 0.029ns 和0.035ns （图3），说明环形参考网的钟差与CODE 最终钟差产品非常接近，而且三个环形网钟差RMS 值的较差在±0.02ns 以内，RMS 值没有因为环形参考网半径的增加而显著增加。