GPS新技术PPP(精密单点定位)

GPS从投入使用以来，其相对定位的定位方式发展得很快，从最先的码相对定位到现在的RTK，使GPS的定位精度不断升高。而绝对定位即单点定位发展得相对缓慢，传统的GPS 单点定位是利用测码伪距观测值以及由广播星历所提供的卫星轨道参数和卫星钟改正数进行的。其优点是数据采集和数据处理较为方便、自由、简单, 用户在任一时刻只需用一台GPS 接收机就能获得WGS284 坐标系中的三维坐标。但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至数十米, 卫星钟改正数的误差为±20 ns 左右, 只能用于导航及资源调查、勘探等一些低精度的领域中。随着我国海洋战略的实施,海洋科研、海洋开发、海洋工程等海上活动日益增加,对定位精度的要求也呈现出多样化,如精密的海洋划界、精密海洋工程测量等,要求能够达到十几或几十厘米的定位精度,而采用伪距差分定位只能提供米级的定位精度,如果使用RTK功能,作用距离又不能达到;对于这部分定位需求,现有的定位手段无法满足要求,需要寻求新的定位方式或技术。

精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)技术由美国喷气推进实验室( JPL ) 的Zumberge 于1997年提出。20世纪90年代末,由于全球GPS跟踪站的数量急剧上升,全球GPS数据处理工作量不断增加,计算时间呈指数上升。为了解决这个问题,作为国际GPS服务组( IGS)的一个数据分析中心, JPL提出了这一方法,用于非核心GPS站的数据处理。该技术的思路非常简单,在GPS定位中,主要的误差来源于三类,即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。如果采用双频接收机,可以利用LC相位组合,消除电离层延时的影响。如果选择地心地固系表示卫星轨道,计算的参考框架同为地心地固系,可以消去观测方程中的地球自转参数。于是,只要给定卫星的轨道和精密钟差,采用精密的观测模型,就能像伪距一样,单站计算出接收机的精确位置、钟差、模糊度以及对流层延时参数。

根据PPP技术的要求,定位中需要系统提供卫星的精密轨道和钟差。目前,国际GPS服务组织( IGS)的几个数据分析中心具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差,但是,这些都是后处理结果。根据IGS的产品报告, IGS提供的卫星轨道精度能够达到2～3cm,卫星钟差的精度优于0. 02ns,这种精度的卫星钟差和轨道,能够满足任何精度的定位要求。近10年,由于IGS的努力, GPS卫星预报轨道的精度已经达到十几厘米,预报轨道的时间也由24h预报缩短到3h预报,卫星轨道的精度已经能够满足一般定位的要求。由于IGS现在不能提供实时和外推的精密卫星钟差,制约了实时PPP技术的应用;精密的卫星钟差仍然是PPP技术实时应用瓶颈,目前IGS只有后处理卫星钟差, JPL和GFZ已经有能力提供快速卫星钟差。

实时PPP网络介绍---StarFire

StarFire 是一个全球GPS差分网络，能为世界上任何位置的用户提供可靠的，史无前例的分米级定位精度。由于广域差分GPS修正系统通过Inmarsat地球同步通信卫星作为通信链路，所以用户不用搭建本地参考站或数据后处理，就可获得很高的精度。此外，由于采用覆盖全球的地球同步卫星作为差分通信链路，则可以在地球表面从北纬75°到南纬75°都可获得相同的精度。

StarFire系统由GPS卫星星座，L波段通信卫星，和一个分布在世界各地的参考站网络组成，并由该系统提供实时的高精度定位信息。为提供这一独特定位服务，StarFire搭建了一个全球双频参考站网络，这些参考站不断地接收来自GPS卫星信号。参考站接收的信号被传送到分别位于California，Torrance和位于Illinois，Moline的网络处理中心，并在这两处生成差分改正信息。上述两处网络处理中心的差分信息，通过独立的通信链路，被传送到卫星上行链路站。这些站分别位于加拿大的Laurentides，英格兰的Goonhilly和新西兰的Aucklang。在这些卫信上行链路站，修正信号被上传给地球同步通信卫星。

实时PPP工作流程

StarFireTM 系统之所以方便地实现高精度定位，关键在于GPS修正源。GPS卫星在两个L波段上传输导航数据。各个参考站都装有测量级的双频接收机。这些参考站的接收机解码GPS信号并将高质量的双频伪距和载波相位测量数据，连同所有GPS卫星都广播的数据信息，发送回网络处理中心。在网络处理中心，利用NavCom的专有差分处理技术，生成实时GPS卫星星座的精密轨道信息和星种改正数据。该专有广域DGPS算法，优化了双频系统。在双频系统中，参考站接收机和用户接收机都能使用双频电离层测量数据。正因为在参考站和用户端都使用双频接收机，连同先进的数据处理算法，才使系统实现高精度成为可能。

计算出改正数据只是第一步。而后需要将网络处理中心的差分改正数据传送致陆地地球站（LES），以便在那里将数据上传给L波段通信卫星。上行站装配有NavCom的调制设备，该调制设备作为卫星发射器的接口，将改正数据流上传给通信卫星，并由通信卫星广播给覆盖地区。每个L波段卫星覆盖地球面积，都超过三分之一。

用户的C-Nav精确GPS接收机，事实上有两个接收机，一个GPS接收机和一个L波段通信接收机，两接收机都是由NavCom为该系统设计的。系统中，GPS接收机跟踪所有的在视卫星，并计算伪距测量数据。与此同时，L波段接收机接收由L波段通信卫信播发的改正信息。将改正信息应用于GPS测量数据，就生成了精确的定位测量。