GPS从入门到放弃（二十四） --- 精密单点定位

GPS从入门到放弃（二十四） — 精密单点定位

精密单点定位（PPP: Precise point positioning），是一种全球精确定位服务。它利用预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据；同时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双频接收机的观测数据进行静态定位可以达到毫米级的精度，进行实时动态定位可达到厘米级的精度。精密单点定位技术是GPS定位方面的前沿研究方向。

基本原理及特点

精密单点定位的基本原理首先是单点定位，这个与通用的GPS单点定位一样，所区别的是精密与否。为了达到精密的效果，PPP有以下特点：

PPP提供绝对定位，而不是像RTK那样提供相对于参考站的位置。
PPP没有使用差分技术，而是构造无电离层伪距组合观测值和无电离层载波组合观测值，因此必须使用双频或多频接收机来消除电离层的一阶效应。
对于能够精确模型化的误差，采用模型校正，如卫星天线相位中心的校正、各种潮汐的影响、相对论效应等。
对于不能够精确模型化的误差，加参数进行估计。PPP一般将测站/接收机坐标、接收机钟差、模糊度及对流层延迟作为未知参数，进行泰勒级数展开并保留一次项系数构造误差方程，然后用最小二乘原理求解参数。
观测值的数量和质量会影响定位质量，比如更多可见的卫星可以改善对天顶对流层延迟的估计。
PPP使用精密星历和精密卫星时钟数据。因此其解算出来的坐标和使用的IGS精密星历的坐标框架即ITR 框架系列一致，而不是常用的WGS-84坐标系统下的坐标。PPP也受到卫星是否能见的影响。如果用户不能跟踪所需的卫星，再精确的轨道和时钟数据也没用。当卫星不可见时，使用其他GNSS系统的卫星，可确保尽可能好的服务。
观测时间越长，精度越高。

优势

PPP使用单机作业，机动灵活，不受作用距离的限制，在RTK覆盖不到的地区成为非常有吸引力的替代方案。
PPP基于非差分模型，没有在卫星之间求差，因此在多系统组合定位中处理模型要比双差简单。
由于PPP使用非差分观测值，因此GPS定位中所有的误差项都必须考虑。因此模型中保留了所有信息，对于从事大气、潮汐等相关领域的研究具有优势。
PPP结合INS等技术可以实现真正无地面控制的航空测量。

待解决问题

PPP的定位精度和可靠性很大程度上取决于IGS产品的可靠性和精度，卫星时钟和轨道的精度是影响PPP质量的最重要因素之一。因此IGS产品质量分析需进一步研究。
PPP中的非差分组合模糊度不再有整数特性，如何加速模糊度的收敛时间和质量控制也是一个研究课题。
对于飞机等高动态载体，大气参数状态会发生很大的变化，因此高动态长距离的PPP对流层参数估计方法还需进一步研究改进。

校正模型

PPP目前来说并没有明确的标准，但有一些常用的约定、模型等。下面简单列举一些：

天线偏移

天线偏移（Antenna Offsets）是指天线相位中心与物体质心的偏移，此偏移会给卫星定位带来厘米级的误差。这里天线相位中心是一个理论上的点，天线所辐射出的电磁波在离开天线一定的距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为该天线的等效相位中心，即天线相位中心（Antenna Phase Center ）。在一般定位中，天线偏移引起的误差可以忽略，但在PPP中，需要消除此误差的影响。

天线偏移包括卫星的天线偏移以及接收机的天线偏移。卫星天线偏移（Satellite Antenna Offsets）是指卫星的天线相位中心与卫星质心的偏移。在精密定位中，我们需要用到精密星历。IGS 提供的精密星历是相对卫星质心的，而 GPS 的导航电文是相对天线相位中心的，我们在计算中必须考虑两者之间的差异。

关于天线偏移更多详情可参考天线偏移。

站点位移

站点位移（Site Displacements）是固定在地球上的站点因为地球潮汐等因素影响跟随地球表面一起运动而造成的站点在地固坐标系（可参考[坐标系][3]一文）中的位移。虽然我们一般把地球看着一个固体，但它却不是一个刚体，而是也存在着形变。这个形变造成的站点位移我们一般可以忽略，在差分定位中可以基本消除，但在单点精密定位（PPP）中，则必须要考虑，因为站点位移的值在垂直方向上可以达到几十厘米的幅度。

在单点精密定位中，我们一般考虑因固体潮、海潮负荷和极点运动引起的站点位移。更多详情可参考站点位移。