BDS_GPS_PPP固定...精度分析及其在地震中的应用_黄剑明.pdf

第 11 卷 第 2 期 导航定位学报 Vol.11，No.2 2023 年 4 月 Journal of Navigation and Positioning Apr.，2023 引文格式：黄剑明,庄典,李敬伟,等.BDS/GPS PPP 固定解精度分析及其在地震中的应用J.导航定位学报,2023,11(2):106-116.（HUANG Jianming,ZHUANG Dian,LI Jingwei,et al.Precision analysis of BDS/GPS PPP fixed solution and its application in earthquakeJ.Journal of Navigation and Positioning,2023,11(2):106-116.）DOI:10.16547/ki.10-1096.20230212.BDS/GPS PPP 固定解精度分析及其在地震中的应用 黄剑明1，庄 典1,2，李敬伟3，杨南南1，张鸿洋1，徐宗秋1（1.辽宁工程技术大学 测绘与地理科学学院，辽宁 阜新 123000；2.沈阳市勘察测绘研究院有限公司，沈阳 110000；3.河北省国土整治中心，石家庄 050002）摘要：为了提高北斗卫星导航系统（BDS）和全球定位系统（GPS）精密单点定位（PPP）性能，提出一种 BDS/GPS PPP 固定解精度分析方法：采用无电离层组合 PPP 模型，给出基于未校准相位延迟（UPD）估计的 PPP 模糊度固定（AR）方法；并分析将动态 PPP AR 应用于估计地震中全球卫星导航系统（GNSS）测站位移量的可行性。实验结果表明，UPD产品估值相对稳定，利用该 UPD 产品可实现 BDS/GPS PPP AR，提高 PPP 定位性能，其中，BDS/GPS 组合动态 PPP 收敛时间在东(E)、北(N)和天(U)方向上分别为 15、12.5 和 20 min，其固定解在 3 个方向上的定位精度可达 1.52、1.34 和2.81 cm，较浮点解分别提升 12.6%、5.6%和 9.4%；利用 BDS/GPS 动态 PPP AR 分析青海地震中清水河站（QSHZ）测站位移量，验证了 BDS/GPS PPP AR 可实现厘米级地震位移监测。关键词：精密单点定位（PPP）；未校准相位延迟；模糊度固定（AR）；收敛时间；定位精度；地震 中图分类号：P228 文献标志码：A 文章编号：2095-4999(2023)02-0106-11 Precision analysis of BDS/GPS PPP fixed solution and its application in earthquake HUANG Jianming1,ZHUANG Dian1,2,LI Jingwei3,YANG Nannan1,ZHANG Hongyang1,XU Zongqiu1（1.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin,Liaoning 123000,China;2.Shenyang Geotechnical Investigation&Surveying Research Institute Co.Ltd.,Shenyang 110000,China;3.Hebei Provincial Land Control Center,Shijiazhuang 050002,China）Abstract：In order to improve the precise point positioning(PPP)performance of BeiDou navigation satellite system(BDS)and global positioning system(GPS),the paper proposed a precision analysis method of BDS/GPS PPP fixed solution:a combined PPP model with ionospheric-free was used,and a PPP ambiguity resolution(AR)method based on uncalibrated phase delay(UPD)estimation was given;then the feasibility of applying kinematic PPP AR to estimate the displacement of global navigation satellite system(GNSS)stations in earthquakes was analyzed.Experimental results showed that the valuation of UPD products would be relatively stable,and BDS/GPS PPP AR could be realized by using the UPD product,which helps improve the PPP positioning performance.Among them,the convergence time of BDS/GPS combined kinematic PPP in East(E),North(N)and Up(U)directions would be 15,12.5 and 20 min,respectively.Moreover,the positioning accuracy of the fixed solution in three directions would be 1.52,1.34 and 2.81 cm,and compared with the floating solution,the improvement rates would be 12.6%,5.6%and 9.4%,respectively.Finally,it was verified that BDS/GPS PPP AR could realize cm-level seismic displacement monitoring by using BDS/GPS kinematic PPP AR to analyze the displacement of the Qing Shui He Zhan(QSHZ)station during the Qinghai earthquake.Keywords:precise point positioning(PPP);uncalibrated phase delays;ambiguity resolution(AR);convergence time;positioning accuracy;earthquake 收稿日期：2022-05-12 基金项目：国家自然科学基金项目（42074012，42030109）；辽宁省重点研发计划项目（2020JH2/10100044）；辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC2002101，XLYC2008034，XLYC2002098）；自然资源部测绘科学与地球空间信息技术重点实验室经费资助项目（2020-1-1）。第一作者简介：黄剑明（1996），男，福建莆田人，硕士研究生，研究方向为卫星定位与导航。第 2 期 黄剑明，等.BDS/GPS PPP 固定解精度分析及其在地震中的应用 107 0 引言 近年来，全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）的快速发展为提高定位性能创造了条件1-2。精密单点定位（precise point positioning，PPP）采用单台 GNSS 接收机，利用国际 GNSS 服务组织（International GNSS Service，IGS）提供的精密星历和卫星钟差，能达到全球静态毫米级、动态厘米到分米级的定位能力。PPP 具有单机作业，不受作业距离的限制，数据利用率更高等优势3-4，广泛应用于航空测量、海洋测量和地震位移监测等领域。但是由于模糊度参数部分难以固定，严重影响了 PPP 的定位精度和收敛速度，在一定程度上限制了 PPP 在相关领域内的深入应用。研究表明，在卫星端和接收机端都存在着未校准相位延迟（uncalibrated phase delays，UPD），且很难将它们与模糊度参数分离，导致模糊度参数丢失整数特性而无法快速固定5-6。因此，如何分离 PPP 模糊度中的 UPD 并精确估计及校正是实现 PPP 模糊度固定（ambiguity resolution，AR）的重要前提，也是实现 GNSS 高精度定位的关键7。PPP 比双差定位模型估计了更多的待估参数，其中，接收机钟差、电离层延迟、接收机伪距频间偏差（differential code biases，DCBs）、模糊度之间具有较强的相关性8；另外，当有新的卫星出现以及周跳或数据中断发生时，部分模糊度参数不再收敛，如何正确固定所有模糊度参数就变得十分困难9-10。将模糊度参数恢复为整数的主要方法包括利用小数周偏差产品（fractional cycle bias，FCB）、钟差去藕模型法（decoupled clock model，DCM）以及整数钟法11-13。有研究表明，利用正则化 方 法 可 以 解 决 北 斗 卫 星 导 航 系 统（BeiDou navigation satellite system，BDS）单历元进行整周模糊度解算中存在的法方程秩亏问题，并得到较准确的模糊度浮点解，使单历元模糊度固定成功率达到 10014。北斗三号全球卫星导航系统（BeiDou-3 navigation satellite system，BDS-3）进行多频相位模糊度解算，可有效进行单历元模糊度固定，同时频率数增加可显著提高模糊度固定成功率15。BDS 星间单差 UPD 在连续时段内具有一定的稳定性，时长越短模糊度固定率越低，固定解精度提高越显著，较浮点解定位精度均提高 12%以上16。对 BDS、全球定位系统（global positioning system，GPS）和 BDS/GPS 组合进行 PPP AR 的结果表明，BDS 的 AR 的首次固定时间（time to first fix，TTFF）大于 6 h，而 GPS/BDS AR 组合的静态和动态 PPP 的 TTFF 分别为 16.9 和 24.6 min17。在 PPP 固定解技术的实际应用中，有一种位置聚类法对短时间的静态 PPP 固定解结果进行优化的方法，优化结果在东（E）、北（N）、天（U）方向的定位精度分别为 3.03、0.92、3.39 cm，较浮点解和固定解均有厘米级的精度提升18。本文首先估计了 BDS/GPS 的 UPD，主要从UPD 稳定性、残差、数据利用率等方面对 UPD 产品质量进行评估；然后，利用估计的 UPD 进行 PPP模糊度固定，研究 BDS/GPS 静态 PPP AR 定位精度，并重点研究 BDS/GPS 动态 PPP AR 首次固定时间、固定百分比、收敛时间和收敛后定位精度；最后，分析 PPP AR 在监测地震测站位移量方面的应用。1 数据处理原理 1.1 PPP 函数模型 PPP 中常采用双频消电离层组合模型消除电离层一阶项误差的影响。采用双频伪距和载波相位观测值进行消电离层模型组合的数学模型为：()ssssssr,IFrrrr,IFIFr,IFddPcttTbbe=+-+-+（1）()()sssssssr,IFrrrIFr,IFIFr,IFIFr,IFddLcttTNBB=+-+-+（2）式中：sr,IFP和sr,IFL分别为无电离层组合伪距观测值和相位观测值