实时精密单点定位系统实现与精度分析_刘俊钊.pdf

40 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期实时精密单点定位系统实现与精度分析刘俊钊,李浩军(同济大学 测绘与地理信息学院,上海 200092)摘要:GNSS 应用场景的多元化趋势使得用户对高精度实时定位服务的需求不断增加,以实时精密单点定位(Real-Time Precise Point Positioning,RT-PPP)为代表的高精度定位技术已成为当前卫星导航定位领域的研究热点。本文基于 Visual Studio 2019 平台设计了一款实时精密单点定位解算程序 MGPSS,实现了 RTCM 数据流解码、坐标计算、结果输出、残差分析等功能。采用 SSR 改正信息对多个 IGS 观测站进行 RT-PPP 分析实验,结果表明,各测站 NEU 方向收敛至 1m 的平均时间为 29min,最终收敛精度达厘米级,E 方向精度 0.043m,N 方向 0.032m,U 方向 0.066m,平面精度 0.054m。关键词:RT-PPP;RTCM 数据流;SSR 改正;精度分析;Visual Studio中图分类号:P228文献标识码:ADevelopment and accuracy analysis of real-time precise point positioning systemLiu Junzhao,Li Haojun(College of Surveying and Geo-Informatics,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:The diversified trend of GNSS application scenarios has caused users to continuously increase the demand for high-precision real-time positioning services.High-precision positioning technology represented by Real-Time Precise Point Positioning(RT-PPP)has become the current satellite navigation research hotspots in the field of positioning.Based on the Visual Studio 2019 platform,this paper designs a real-time precision single-point positioning solution program MGPSS,which realizes the functions of RTCM data stream decoding,coordinate calculation,result output,residual analysis and so on.Using SSR correction information to perform RT-PPP analysis experiments on multiple IGS observation stations,the results show that the average convergence time of each station in the NEU direction is about 29 minutes,and the final convergence accuracy reaches centimeter level.The accuracy in the E direction is 0.043m,and the N direction is 0.032m,the U direction is 0.066m,and the plane accuracy is 0.054m.Key words:RT-PPP;RTCM data stream;SSR correction;accuracy analysis;Visual Studio收稿日期:2022-01-14;修订日期:2022-03-08基金项目:国家自然科学基金项目(41974025,42174019).作者简介:刘俊钊(1998-),男(汉族),四川达州人,硕士.0前言全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems,GNSS)在近二十年来取得了迅猛发展,推动了卫星导航定位技术的不断突破。精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)自 1997 年提出1以来,在气象反演、地震预报、精密授时、建筑监测等领域都得到了广泛应用2 4。随着实时高精度定位服务需求的增加,RT-PPP 技术凭借其无需基准站、不受基线长度约束即可得到测站高精度三维坐标的优点,逐渐成为当前卫星导航定位领域的重点研究内容,但由于 IGU 轨道和钟差产品存在精度低、稳定性差等问题,使得 RT-PPP 的应用受到严重制约。目前通过 IGS 提供的实时轨道和钟差改正信息(State Space Representation,SSR)可恢复高精度轨道钟差,文献5 利用不同 IGS 分析中心播发的SSR 产品恢复卫星轨道和钟差,并同 IGS 最终产品进行对比分析,结果表明,不同分析中心恢复的卫星轨道间存在系统性偏差,而 IGS 综合产品恢复的轨道精度最高;文献6 采用 BNC 获取 SSR 改正信息,对多个 IGS 跟踪站进行 RT-PPP 精度分析,NEU2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying41 坐标收敛到 0.1m 的平均时间为 52min,点位平均平面精度为 0.054m,高程 0.094m。本文基于 Visual Studio 2019 平 台,设 计 开 发 了 一 款 RT-PPP 程 序MGPSS,采用 IGS 提供的 SSR 改正信息,选取多个IGS 观测站进行实时精密单点定位,并对收敛时间和定位精度进行分析评估,证明了 MGPSS 实时定位解算的正确性和稳定性。1数学模型1.1函数模型RT-PPP 通常以双频 GNSS 接收机的观测值为基础,利用高精度卫星轨道和钟差进行定位解算,常采用无电离层组合观测方程7:PIF=P1-P2=+c(dtr+br,IF)-c(dts+bs,IF)+dtrop+IFLIF=L1-L2=+c(dtr+Br,IF)-c(dts+Bs,IF)+dtrop-IFNIF+IF(1)式(1)中,=f21f21-f22,=f22f21-f22;P1、P2表示双频伪距观测值;L1、L2表示双频载波观测值,单位为米;表示卫星与接收机之间的几何距离;dtr、dts表示接收机钟差和卫星钟差;br,IF,bs,IF分别为接收机和卫星端伪距硬件延迟的无电离层组合形式;Br,IF、Bs,IF分别为接收机和卫星相位未校准硬件延迟(Uncalibrated Phase Delays,UPD)的无电离层组合形式;IF和 IF为随机误差。1.2随机模型非差双频伪距和载波观测值通常认为不具相关性,观测值的误差可通过高度角模型决定:=a+bsin(el)(2)式(2)中,为观测误差;a、b 为模型系数;el 为卫星高度角。由于伪距和载波观测值之间存在精度差异,对于伪距的模型系数 a、b 需乘以 100。同时由于采用无电离层组合,随机噪声会被放大,因此伪距和载波的模型系数将扩大 3 倍。1.3质量控制GNSS 观测数据受外界环境、接收机质量以及多路径等因素的影响,伪距和载波观测量容易产生粗差和周跳,对定位精度存在一定影响。本文采用GF 组合和 MW 组合同时进行周跳探测,根据验前、验后残差进行粗差探测并剔除。2系统实现2.1数据获取RT-PPP 的观测数据是由 NTRIP 实时传输的RTCM 格式数据流。RTCM 是由二进制构建的信息流,包含电文头信息、保留字节数、消息长度信息、消息体以及 CRC 校验信息。在 RT-PPP 中,需接入广播星历、SSR 改正以及观测站的数据流进行计算,同时还需导入天线改正文件、海潮文件和地球自转 erp 文件等。获取的 RTCM 格式数据流通过完整性判断后才可进 行 解 码。以 GPS 观 测 数 据 中 MSM 数 据 流(1071-1077)为例,其由电文头、卫星数据和信号数据三部分组成。电文头包含整条电文中的各类信息标识以及观测卫星和观测信号数量等内容,卫星数据包含伪距粗略值和剩余部分参数,信号数据包含用于恢复伪距和载波的最终观测值信息,通过观测值重建公式可计算得到完整的伪距和载波。由于广播星历、SSR 改正和观测信息数据流对应着不同的解码类型,因此具体的实现过程可参考 RTCM 规范,本文根据实际需要,仅对 1019、1059、1060、1071-1077 这几种数据类型编写了相关的解码程序。2.2参数设置MGPSS 需在配置文件中对 RT-PPP 的各项参数内容进行设置,如图 1 所示,采用的误差模型以及对应的参数详情见表 1。图 1软件参数设置界面 Fig.1Software parameter setting interface在 MGPSS 参数设置界面按表 1 内容进行设置后,参数内容将以文本形式保存,主程序读取保存的参数文件,进行对应的计算。2.3解算过程MGPSS 将实时数据流作为输入值,通过扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)进行实时解算,逐历元输出解算结果,其工作过程如图 2 所示。MGPSS 每一观测历元的具体解算步骤为:(1)读取数据。通过 NTRIP 获取实时数据流并完成解码,将观测值信息和卫星轨道钟差分别存储在对应的数据结构体内。通过读取本地误差改正文42 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期表 1RT-PPP 参数配置Table 1RT-PPP parameter configuration观测模型误差模型及参数测站坐标实时估计观测数据GPS L1+L2卫星轨道广播星历+SSR(轨道、钟差、DCB)电离层模型无电离层组合对流层模型Saastamoinen 干延迟+估计湿延迟接收机钟差实时估计卫星钟差广播星历+SSR固体潮IERS Conventions 2010海潮FES2004 模型地球自转IGU 提供的 ERP 产品天线相位改正igs14.atx周跳GF 组合阈值设定 0.05m,MW 组合阈值设定 10m截止高度角10验前残差阈值设置为 30m验后残差阈值设置为 4 倍中误差模糊度浮点解图 2MGPSS 工作流程 Fig.2The process of MGPSS件将误差参数存储在计算参数结构体中;(2)采用伪距单点定位,计算接收机的位置和接收机钟差,其中接收机钟差以距离的形式表达;(3)初始化状态矩阵 X。坐标和接收机钟差初值采用伪距定位结果,对流层湿延迟初值由 EGNOS模型计算得到。若不存在周跳,非差模糊度初值由无电离层组合的载波减伪距得到。当存在周跳时,非差模糊度设置为 0;(4)初始化状态协方差阵 P。坐标和接收机钟差的 方 差 设 定 为 经 验 值 602,模 糊 度 方 差 设 定为 602;(5)建立系数矩阵 H 和残差矩阵 V。接收机钟差系数设定为 1,对流层参数系数为 NFM 湿分量投影函数,模糊度参数系数为 1。残差由观测量减去改正后的站心距得到,当载波观测量存在周跳时,该卫星的载波组合观测值将被剔除,伪距组合观测值将继续参与计算;(6)由公式(2)计算观测噪声方差;(7)对第(5)步得到的残差值进行检验,若该残差大于阈值则剔除对应观测值;(8)建立观测噪声方差阵 R。R 为对角矩阵,主对角线元素