gnss静态测量的原理65周年金双根

导读本文内容来源于《测绘学报》2022年第7期（审图号GS京（2022）0495号）单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用金双根1,2,汪奇生3,史....

本文内容来源于《测绘学报》2022年第7期（审图号GS京（2022）0495号）

单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用

金双根1,2

, 汪奇生3, 史奇奇2

1. 河南理工大学测绘与国土信息工程学院, 河南 焦作 454000;

2. 中国科学院上海天文台, 上海 200030;

3. 湘潭大学土木工程学院, 湖南 湘潭 411105

基金项目：国家自然科学基金(12073012)

摘要：全球导航卫星系统(GNSS)已发展至多频多系统时代, 特别以我国北斗卫星导航系统(BDS)为代表的四大全球导航卫星系统可全天时、全天候播发十几个频率的伪距、相位和多普勒等观测信息。多频多系统GNSS为用户提供更多的观测数据和组合选择, 为精密定位、导航和授时(PNT)应用带来了新的机遇, 如高精度位置服务、大地测量、空间天气和灾害监测等。但多频多系统GNSS观测为精密单点定位(PPP)组合模型和系统偏差及大气延迟估计等带来诸多问题和挑战。本文给出了单频到五频多系统GNSS精密单点定位(PPP)模型, 估计和评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位精度、接收机钟差、对流层延迟、卫星和接收机硬件延迟, 以及频间偏差。给出了GNSS PPP最新应用进展, 包括GNSS气象学、电离层模拟、时间频率传递、建筑物安全和地震监测及其应用。结果表明, 多频多系统极大地提高了GNSS PPP参数估计的精度和可靠性, 具有重要的应用价值。最后给出了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。

关键词：GNSS 精密单点定位 气象学 电离层 地震监测

金双根, 汪奇生, 史奇奇. 单频到五频多系统GNSS精密单点定位参数估计与应用[J]. 测绘学报，2022，51(7)：1239-1248. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220129

JIN Shuanggen, WANG Qisheng, SHI Qiqi. Parameters estimation and applications from single- to five-frequency multi-GNSS precise point positioning[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2022, 51(7): 1239-1248. DOI: 10.11947/j.AGCS.2022.20220129

阅读全文：http://xb.chinasmp.com/article/2022/1001-1595/20220714.htm

引 言

全球导航卫星系统(GNSS)可以向全球用户提供高精度定位、导航和授时(PNT)服务[1]。早期GNSS仅能提供米级的伪距单点定服务，现阶段可以提供厘米级甚至毫米级的精密单点定位服务。精密单点定位(PPP)是20世纪发展起来的空间定位技术，即利用GNSS测站伪距和载波相位观测值及精密卫星轨道和种差产品获得高精度的位置信息, 其定位方式灵活，因此广泛应用于导航定位、精密授时和灾害监测等领域[2-3]。相比传统的双差相对定位，PPP一般采用非差相位和伪距观测值，一般不需要其他参考站观测值[4]，可以精确估计接收机绝对位置信息、接收机钟差、天顶对流层延迟和电离层延迟等参数[4-5]。20多年来，PPP技术先后经历了从静态到动态、从单系统到多系统、从模糊度浮点解到固定解、从双频到单频和多频、从后处理到实时定位，以及从PPP到PPP-RTK(精密单点实时动态定位)，已成为卫星导航定位领域的前沿热点方向，具有重要和广泛的应用前景[6]。

随着多频多系统GNSS的快速发展，包括中国的北斗卫星导航系统(BDS)、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo系统，以及日本的准天顶卫星导航系统(QZSS)和印度区域导航卫星系统(IRNSS)等，优化了导航卫星几何构型，给用户提供更多频率和更多系统的伪距、相位和多普勒观测数据，为数据处理带来更多的选择和思路，如周跳探测、定位模型、模糊度固定、钟差估计和电离层建模等[7]。众多学者研究不同频率、不同系统GNSS观测组合和提高多频多系统GNSS PPP模糊度收敛时间、定位精度和可靠性等。近几年，GNSS PPP技术主要侧重于高采样率卫星钟差实时估计、多频多系统PPP、PPP增强及PPP-RTK等方面，取得一系列进展。如分析和评估了单频到三频GNSS PPP模型的定位性能，并与传统单频和双频PPP定位结果相比，三频观测值的加入能提高定位精度[8]。此外，BDS和Gaileo系统还提供四频到五频的观测值，研究结果表明多频多系统GNSS PPP显著缩短模糊度收敛时间和提高定位精度[9-10]。

另外，多频多系统GNSS观测也扩大了GNSS应用，如共视、全视、PPP等多种高精度时频传递，以及确定两地重力位差等[11-12]。联合多频多系统GNSS可获得更多视线方向的可降水汽量和电离层总电子含量，提高了GNSS气象学和空间天气监测的时间空间分辨率等。但同时多频多系统GNSS观测也带来了诸多的问题和挑战，如多频多系统GNSS PPP模型、周跳探测、模糊度固定、频间偏差、差分码偏差、钟差、对流层延迟、电离层延迟等[13-16]。例如GPS、BDS、Galileo和QZSS等卫星导航系统采用的是码分多址(CDMA)技术，而GLONASS系统采用的是频分多址(FDMA)技术，不同卫星信号在接收机内部产生的伪距和相位硬件延迟是不同的，即频间偏差(IFB)。不同频点观测值估计得到的卫星钟差不一致，即卫星钟差频间偏差(IFCB)，以及BDS-2和BDS-3两个系统采用不同的信号接收和处理单元，存在时间延迟偏差(TDB)等，需要合理估计和消除[10, 15]。

为此，针对当前多频多系统GNSS PPP模型、参数估计及其应用，本文系统性地给出了单频到五频多系统GNSS PPP模型，评估了单频到五频多系统GNSS PPP定位、钟差、对流层延迟、电离层延迟和硬件延迟估计性能，并展示了最新多频多系统GNSS PPP气象学、电离层模拟、时频传递、建筑物安全和地震监测等应用进展，最后讨论了多频多系统GNSS PPP应用前景与展望。

1 GNSS PPP模型

对于GNSS单系统单历元观测值，接收机r在历元t时刻观测到的卫星s原始非差伪距和相位观测值可以表示为