论文部分内容阅读
[摘 要]GPS精密单点定位技术近年来得到快速发展和广泛应用，利用双频GPS接收机观测就可以达到几个厘米的定位精度，这大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本。本文以阿勒泰地区富蕴县一航空摄影测量项目为例，介绍了利用GPS精密单点定位技术进行像控点测量以及用GAMIT、COSA等软件进行数据后处理，提高了作业效率。
[关键词]精密单点定位；PPP；像片控制测量；厘米级精度
中图分类号：V249.328 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）43-0354-02
1、引言
精密单点定位技术由美国喷气推进实验室（ JPL ） 的 Zumberge 于 1997 年提出。该技术的思路非常简单，在 GPS 单点定位中，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，只要给定卫星的精密轨道和精密钟差，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迟参数。随着高精度的精密卫星轨道和时钟的出现，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数千公里乃至全球范围内的任意位置都可以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一定位方法称为精密单点定位（ Precise Point Positioning） ，简称 PPP。
采用精密单点定位技术，利用单站GPS就可以达到几个厘米的精度，即传统RTK的精度，其作业不受作业距离限制、不需要基准站支持，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本。在RTK、PPK作业受限区域如：海洋工程测量、大面积航空摄影测量、土地测量（开发造地、土地整理）等方面具有较广泛的应用。
2、精密单点定位基本原理
GPS 精密单点定位一般采用单台双频GPS 接收机， 利用IGS 提供的精密星历和卫星钟差，基于载波相位观测值进行的高精度定位。所解算出来的坐标和使用的IGS 精密星历的坐标框架即ITRF 框架系列一致， 而不是常用的WGS- 84 坐标系统下的坐标，因此IGS 精密星历与GPS 广播星历所对应的参考框架不同。
在精密单点定位中， 影响其定位结果的主要的误差包括：与卫星有关的误差（卫星钟差、卫星轨道误差、相对论效应）；与接收机和测站有关的误差（接收机钟差、接收机天线相位误差、地球潮汐、地球自转等）；与信号传播有关的误差（对流层延迟误差、电离层延迟误差和多路径效应）。由于精密单点定位没有使用双差分观测值， 有很多的误差没有消除或削弱，所以必须组成各项误差估计方程来消除粗差。
3、应用案例
3.1测区概况
2017年4月，我院承担了1∶10000地形图基础测绘可可托海北测区航空摄影测量项目，测区地处阿尔泰山南麓，位于富蕴县北部山区，地势自东向西渐次倾斜，由北向南呈明显的阶梯下降；测区地貌特征可分为山区与河谷等。测区东北为与蒙古国接壤的阿尔泰山山脉，南部分布有可可托海镇、铁买克乡，测区最高海拔为3559米，平均海拔约为2600米。测区地形类别为山地、高山地。
3.2任务内容和工作量
（1）布设基础控制点10点，联测、计算14点；
（2）像控点选刺、观测、计算75点；
（3）像片调绘1：10000图幅168幅，共4200km2；
3.3 测区已有控制资料情况
测区周边分布有新疆维吾尔自治区测绘档案资料馆提供的B级GPS点“B01”和C级GPS点“C100”、“C102”，其平面为2000国家大地坐标系，高程为1985国家高程基准，该三个已知点作为本测区像控点施测时的检查点使用。测区周围分布有全球IGS站IRKT（伊尔库茨克）、BJFS（北京）、URUM（乌鲁木齐）、POL2（比什凯克）等，利用其全天候的观测数据作为采用精密单点定位方式施测像控点的平面起算数据。像控点的正常高计算采用2011年新疆维吾尔自治区似大地水准面精化成果。
3.4作业使用的设备
使用经过国家计量检定机构，检定合格的Trimble R4双频GPS接收机4台进行观测， PPP数据基线解算使用GAMIT 10.4版本软件，网平差使用CosaGPS V5.0网平差软件，框架历元转换利用中国测绘科学研究院大地测量与地球动力研究所开发的SuperCoord软件。
3.5像控点测量
（1）根据测区地形、交通情况，喀依尔特河以东区域为高山无人区，无道路分布，绝大部分进行了野外游击作业，采用GPS精密单点定位技术（PPP）模式施测了17个像控点。
（2）利用测区的基础控制点、PPK方式施测的固定点F001作为检测点。像控点采用精密单点定位方法施测，技术要求符合下表：
3.6像控点数据处理及精度分析
（1）野外观测任务结束后，使用天宝随机软件“Convert to RINEX”将各像控点的原始*.dat格式数据转换为RINEX格式数据。
（2）根据观测日期，在网站“ftp：//garner .ucsd.edu”下载测区周围分布的IGS站的广播和精密星历数据，从国际地球参考框架网站“http：//itrf.ensg.ign.fr”下载对应IGS站点的ITRF2008框架、当前历元的坐标数据。
（3）每天的各项观测数据整理好后，利用GAMIT10.4以上版本的软件进行长基线解算，解算合格后导出基线解文件（ogppsa.或 qgppsa.文件）。
（4）将GAMIT解算后的合格基线数据导入到Cosa5.0软件中，进行三维无约束平差，各项质量检验符合要求后，将各IGS站点坐标成果作为起算数据进行三维约束平差，得到各像控点ITRF2008框架、当前历元下的空间直角坐标。利用中国测绘科学研究院大地测量与地球动力研究所开发的SuperCoord软件进行框架和历元的转换，求得各像控点在2000国家大地坐标系下的成果。
（5）利用新疆维吾尔自治区似大地水准面精化成果（2011年）求得各像控点的正常高。
采用PPP方式像控點测量中，已知点检测的最大平面点位较差为9.6cm ，小于其限差±25cm，最大高程（大地高）较差为4.7cm，小于其限差±20cm。 如下表所示：
4、结束语
采用精密单点定位技术，利用单站GPS接收机就可以达到分米级甚至厘米级的精度，其作业不受作业距离限制、不需要基准站支持，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本。目前精密单点定位技术广泛应用在中小比例尺1：5000和1：10000航测成图像片控制点测量及其它高精度工程测量中。随着技术的不断进步，在不久的将来，精密单点定位技术完全可以应用在大比例尺1：500～1：2000航测成图像控测量及其它更高精度的工程测量中。
参考文献
[1]张小红，刘经南，Rene Forsberg.基于精密单点定位技术实现无地面基准站的航空测量[J].武汉大学学报（信息科学版），2006.
[2]张增场，苟红兵，GPS精密单点定位技术在像片控制测量中的应用探讨，矿山测量，2011.
作者简介
张文德，男，1985年8月出生，2008年毕业于中国地质大学（武汉）测绘工程专业， 大学本科学历，测绘工程师，现任测绘一分院副院长，主要从事生产技术管理及质量检查工作。
[关键词]精密单点定位；PPP；像片控制测量；厘米级精度
中图分类号：V249.328 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）43-0354-02
1、引言
精密单点定位技术由美国喷气推进实验室（ JPL ） 的 Zumberge 于 1997 年提出。该技术的思路非常简单，在 GPS 单点定位中，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，只要给定卫星的精密轨道和精密钟差，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迟参数。随着高精度的精密卫星轨道和时钟的出现，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数千公里乃至全球范围内的任意位置都可以厘米级的精度进行较快速的静态定位，这一定位方法称为精密单点定位（ Precise Point Positioning） ，简称 PPP。
采用精密单点定位技术，利用单站GPS就可以达到几个厘米的精度，即传统RTK的精度，其作业不受作业距离限制、不需要基准站支持，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本。在RTK、PPK作业受限区域如：海洋工程测量、大面积航空摄影测量、土地测量（开发造地、土地整理）等方面具有较广泛的应用。
2、精密单点定位基本原理
GPS 精密单点定位一般采用单台双频GPS 接收机， 利用IGS 提供的精密星历和卫星钟差，基于载波相位观测值进行的高精度定位。所解算出来的坐标和使用的IGS 精密星历的坐标框架即ITRF 框架系列一致， 而不是常用的WGS- 84 坐标系统下的坐标，因此IGS 精密星历与GPS 广播星历所对应的参考框架不同。
在精密单点定位中， 影响其定位结果的主要的误差包括：与卫星有关的误差（卫星钟差、卫星轨道误差、相对论效应）；与接收机和测站有关的误差（接收机钟差、接收机天线相位误差、地球潮汐、地球自转等）；与信号传播有关的误差（对流层延迟误差、电离层延迟误差和多路径效应）。由于精密单点定位没有使用双差分观测值， 有很多的误差没有消除或削弱，所以必须组成各项误差估计方程来消除粗差。
3、应用案例
3.1测区概况
2017年4月，我院承担了1∶10000地形图基础测绘可可托海北测区航空摄影测量项目，测区地处阿尔泰山南麓，位于富蕴县北部山区，地势自东向西渐次倾斜，由北向南呈明显的阶梯下降；测区地貌特征可分为山区与河谷等。测区东北为与蒙古国接壤的阿尔泰山山脉，南部分布有可可托海镇、铁买克乡，测区最高海拔为3559米，平均海拔约为2600米。测区地形类别为山地、高山地。
3.2任务内容和工作量
（1）布设基础控制点10点，联测、计算14点；
（2）像控点选刺、观测、计算75点；
（3）像片调绘1：10000图幅168幅，共4200km2；
3.3 测区已有控制资料情况
测区周边分布有新疆维吾尔自治区测绘档案资料馆提供的B级GPS点“B01”和C级GPS点“C100”、“C102”，其平面为2000国家大地坐标系，高程为1985国家高程基准，该三个已知点作为本测区像控点施测时的检查点使用。测区周围分布有全球IGS站IRKT（伊尔库茨克）、BJFS（北京）、URUM（乌鲁木齐）、POL2（比什凯克）等，利用其全天候的观测数据作为采用精密单点定位方式施测像控点的平面起算数据。像控点的正常高计算采用2011年新疆维吾尔自治区似大地水准面精化成果。
3.4作业使用的设备
使用经过国家计量检定机构，检定合格的Trimble R4双频GPS接收机4台进行观测， PPP数据基线解算使用GAMIT 10.4版本软件，网平差使用CosaGPS V5.0网平差软件，框架历元转换利用中国测绘科学研究院大地测量与地球动力研究所开发的SuperCoord软件。
3.5像控点测量
（1）根据测区地形、交通情况，喀依尔特河以东区域为高山无人区，无道路分布，绝大部分进行了野外游击作业，采用GPS精密单点定位技术（PPP）模式施测了17个像控点。
（2）利用测区的基础控制点、PPK方式施测的固定点F001作为检测点。像控点采用精密单点定位方法施测，技术要求符合下表：
3.6像控点数据处理及精度分析
（1）野外观测任务结束后，使用天宝随机软件“Convert to RINEX”将各像控点的原始*.dat格式数据转换为RINEX格式数据。
（2）根据观测日期，在网站“ftp：//garner .ucsd.edu”下载测区周围分布的IGS站的广播和精密星历数据，从国际地球参考框架网站“http：//itrf.ensg.ign.fr”下载对应IGS站点的ITRF2008框架、当前历元的坐标数据。
（3）每天的各项观测数据整理好后，利用GAMIT10.4以上版本的软件进行长基线解算，解算合格后导出基线解文件（ogppsa.或 qgppsa.文件）。
（4）将GAMIT解算后的合格基线数据导入到Cosa5.0软件中，进行三维无约束平差，各项质量检验符合要求后，将各IGS站点坐标成果作为起算数据进行三维约束平差，得到各像控点ITRF2008框架、当前历元下的空间直角坐标。利用中国测绘科学研究院大地测量与地球动力研究所开发的SuperCoord软件进行框架和历元的转换，求得各像控点在2000国家大地坐标系下的成果。
（5）利用新疆维吾尔自治区似大地水准面精化成果（2011年）求得各像控点的正常高。
采用PPP方式像控點测量中，已知点检测的最大平面点位较差为9.6cm ，小于其限差±25cm，最大高程（大地高）较差为4.7cm，小于其限差±20cm。 如下表所示：
4、结束语
采用精密单点定位技术，利用单站GPS接收机就可以达到分米级甚至厘米级的精度，其作业不受作业距离限制、不需要基准站支持，这无疑大大提高了高精度定位作业的灵活性，降低了作业成本。目前精密单点定位技术广泛应用在中小比例尺1：5000和1：10000航测成图像片控制点测量及其它高精度工程测量中。随着技术的不断进步，在不久的将来，精密单点定位技术完全可以应用在大比例尺1：500～1：2000航测成图像控测量及其它更高精度的工程测量中。
参考文献
[1]张小红，刘经南，Rene Forsberg.基于精密单点定位技术实现无地面基准站的航空测量[J].武汉大学学报（信息科学版），2006.
[2]张增场，苟红兵，GPS精密单点定位技术在像片控制测量中的应用探讨，矿山测量，2011.
作者简介
张文德，男，1985年8月出生，2008年毕业于中国地质大学（武汉）测绘工程专业， 大学本科学历，测绘工程师，现任测绘一分院副院长，主要从事生产技术管理及质量检查工作。