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GNSS从量变到质变的实例——瞬时厘米级多频精密单点定位(PPP)

来源:  作者:  发布时间::2018-09-19 17:09:40

高精度大众化应用,必须通过多模增强方式,也就是天基增强,或者地基增强,与辅助GNSS等手段,其中最为不可缺少的是数据传输电路,后者可以是卫星链路,也可以是地面无线电网络。而从提高精度而言,不外乎高精度定位本身发展起来的RTK(实时动态测量),和PPP(精密单点定位)方式。前者与基准参考网密切相关,有明显的地域特征,而后者是单独的接收机工作方式,可以不受地域和服务范围的影响。只要提供可以普遍采用的精密星历、精密时钟改正,和电离层改正,就可以方便地工作了,全球有数十个地面测量站,便可以实现全球服务了。

《GPS 世界》杂志,在其2018年7月号的创新栏目里,刊登了以“瞬时厘米级多频精密单点定位(PPP)”为题,发表了最新的研究成果。精密单点定位(PPP)技术正在进军定位行业。然而,阻碍其更广泛采用的问题是,载波相位整周模糊度完全求解所需的收敛时间,一旦问题得到解决,就可以突破10厘米精度阈值。通过使用GNSS多系统、多载波频率方法,可以实现瞬时厘米级PPP。这是GNSS多系统同时工作带来的明显好处之一。实际上,多模GNSS的优点会与日俱增的显示出来。我们多次呼吁要认真研究GNSS的多模工作具备的优势,通过GNSS组合系统的再思考、再设计、再利用、再创造,会产生许多意想不到的新成果。这可能是卫星导航数量增长从量变到质变的过程及其结果。 

为了弄清楚高精度测量的基本概念,必须介绍一下载波相位与伪距码测量。所有的GNSS 接收机主要使用的两种测量类型,或者观测量之一。这就是测距码相位,或者载波相位。所谓载波相位,从根本上讲,在传输一个固定振幅和频率的电磁波时,它指的是GNSS信号载波的瞬时相位,它是被测距码和导航电文所调制,它以弧度、度数或周期计量,并可转换为接收机和卫星天线之间带有偏差的距离度量,方法是将观测值乘以载波的波长(以米为单位)。另一个GNSS信号可观测量是伪距,或者称为测距码相位。最初测量量是码片或时间单元,乘以光速后被转换成带有偏差的接收机至卫星的距离。该值通常称为距离码度量或伪距。载波相位比伪距的精度要高得多,比如相差近100倍。通常伪距测量精度可以达到几十厘米,而载波相位测量精度则可以达到几毫米或更好。

大多数GNSS接收机使用伪距测量来确定其位置。实际上,这是GPS在20世纪70年代引入的基于卫星定位的标准方法。虽然载波相位测量,或者更确切地说它们的时间变化率用于精确的速度确定,但最初并未认识到载波相位测量也可以用于位置确定。载波相位作为距离测量的问题,在于它具有最初未知且潜在存在着的很大偏差。这是因为当接收机开始跟踪信号载波时,它不知道从卫星到接收机一直延伸的载波的确切整周期数。因此,由于该初始偏差,载波相位测量存在模糊度。如果可以完全求解了整周模糊度,那么载波相位测量可以用于非常精确的定位,其定位精度在厘米级别,甚至更好。多年来,已经开发了多种多样技术使用载波相位测量来进行定位,最值得注意的是在差分定位中,利用一个或多个参考站,来帮助用户接收机或流动站进行定位。在此同时,精密单点定位技术正在被积极开发,并且进入定位行业,这种技术仅需要来自用户接收机的直接未组合测量。然而,阻碍其更广泛采用的一个老大难问题,是载波相位模糊度被完全求解所需的收敛时间,一旦这一难题被解决,就可以突破10厘米精度阈值。目前,所介绍的文章作者,通过使用GNSS多系统、多载波频率方法,实现了瞬时厘米级精密单点定位(PPP)。他们使用了被称为未组合的四频率最佳估计(OEUFS)技术。

瞬时厘米级精密单点定位(PPP)曾与单基线实时动态(RTK)技术同义。流动站被限制在离基站几公里的范围内,以确保误差在空间上保持相关。使用区域性站点网络对误差源进行建模后,用户可以在网络覆盖范围内保持这种精度。全球参考站网络可以确定精确的卫星轨道和时钟产品,为精密单点定位(PPP)铺平道路。使用PPP可以实现全球性厘米级精度,代价是收敛时间长,通常以小时为单位。另外深一层次修正,包括卫星伪距码和载波相位偏差,使PPP获得模糊度解析(PPP-AR)。这样虽然可以获得收敛时间的改善,但是就首次定位时间而言,PPP-AR仍然无法与RTK或网络RTK竞争。只有向PPP用户提供精确的大气信息,以天顶对流层和倾斜电离层延迟的模型,才能获得瞬时厘米级的精度。这种方法导致PPP技术能够与RTK可有一比,似乎逐步实现统一,有人甚至称其为PPP-RTK。这种可扩展的方法使PPP用户能够在全球范围内获得准确的定位,同时在位于区域参考网络边界内时实现快速收敛。

GPS现代化进程中,也包括在多个频率上发射信号的卫星。目前在轨道上的12颗GPS Block IIF卫星已经播放了L5信号,到目前为止发射的所有伽利略和北斗卫星都具有三频功能。 2017年11月,随着北斗三号卫星的发射,北斗星座开始了新的发展阶段,提供与GPS L1 / L5频段兼容的新信号。2018年3月,欧盟决定开放其商业服务(CS),免费提供“CS高精度”服务的信号和改正数据流。结果,E6信号现在可用卫星导弹14颗卫星,并可由现代GNSS接收机跟踪。

对于三个或更多频率,可以在级联方案中解决一系列宽巷模糊度。这些明确的宽带信号可用于形成无电离层的相位测量,其噪声低于伪距码测量,但通常仍处于分米级。伽利略E6信号的可用性为PPP-AR提供了重要的一步,允许瞬时收敛。作为频率分离的结果,明确的宽带信号具有低噪声特性,这进一步有益于整个模糊集的求解。该文的研究中使用的策略是基于未组合观测的广义技术的推广,并将其描述为使用非组合四频信号最优估计技术(OEUFS)。该文通过首先分析单卫星情况下模糊度和距离参数的精度,来解释如何实现瞬时厘米级PPP。然后描述未组合的伽利略相位偏差的网络估计,接着是基于OEUFS的逐个历元和5分钟的PPP解决方案。



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本文转自  航天防务

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