GPS從投入使用以來，其相對定位的定位方式發(fā)展得很快，從最先的碼相對定位到現(xiàn)在的RTK，使GPS的定位精度不斷升高。而絕對定位即單點定位發(fā)展得相對緩慢，傳統(tǒng)的GPS 單點定位是利用測碼偽距觀測值以及由廣播星歷所提供的衛(wèi)星軌道參數(shù)和衛(wèi)星鐘改正數(shù)進行的。其優(yōu)點是數(shù)據采集和數(shù)據處理較為方便、自由、簡單, 用戶在任一時刻只需用一臺GPS 接收機就能獲得WGS284 坐標系中的三維坐標。但由于偽距觀測值的精度一般為數(shù)分米至數(shù)米;用廣播星歷所求得的衛(wèi)星位置的誤差可達數(shù)米至數(shù)十米, 衛(wèi)星鐘改正數(shù)的誤差為±20 ns 左右, 只能用于導航及資源調查、勘探等一些低精度的領域中。隨著我國海洋戰(zhàn)略的實施,海洋科研、海洋開發(fā)、海洋工程等海上活動日益增加,對定位精度的要求也呈現(xiàn)出多樣化,如精密的海洋劃界、精密海洋工程測量等,要求能夠達到十幾或幾十厘米的定位精度,而采用偽距差分定位只能提供米級的定位精度,如果使用RTK功能,作用距離又不能達到;對于這部分定位需求,現(xiàn)有的定位手段無法滿足要求,需要尋求新的定位方式或技術。
精密單點定位(Precise Point Positioning, PPP)技術由美國噴氣推進實驗室( JPL ) 的Zumberge 于1997年提出。20世紀90年代末,由于全球GPS跟蹤站的數(shù)量急劇上升,全球GPS數(shù)據處理工作量不斷增加,計算時間呈指數(shù)上升。為了解決這個問題,作為國際GPS服務組( IGS)的一個數(shù)據分析中心, JPL提出了這一方法,用于非核心GPS站的數(shù)據處理。該技術的思路非常簡單,在GPS定位中,主要的誤差來源于三類,即軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時。如果采用雙頻接收機,可以利用LC相位組合,消除電離層延時的影響。如果選擇地心地固系表示衛(wèi)星軌道,計算的參考框架同為地心地固系,可以消去觀測方程中的地球自轉參數(shù)。于是,只要給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差,采用精密的觀測模型,就能像偽距一樣,單站計算出接收機的精確位置、鐘差、模糊度以及對流層延時參數(shù)。
根據PPP技術的要求,定位中需要系統(tǒng)提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差。目前,國際GPS服務組織( IGS)的幾個數(shù)據分析中心具備這個能力提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差,但是,這些都是后處理結果。根據IGS的產品報告, IGS提供的衛(wèi)星軌道精度能夠達到2～3cm,衛(wèi)星鐘差的精度優(yōu)于0. 02ns,這種精度的衛(wèi)星鐘差和軌道,能夠滿足任何精度的定位要求。近10年,由于IGS的努力, GPS衛(wèi)星預報軌道的精度已經達到十幾厘米,預報軌道的時間也由24h預報縮短到3h預報,衛(wèi)星軌道的精度已經能夠滿足一般定位的要求。由于IGS現(xiàn)在不能提供實時和外推的精密衛(wèi)星鐘差,制約了實時PPP技術的應用;精密的衛(wèi)星鐘差仍然是PPP技術實時應用瓶頸,目前IGS只有后處理衛(wèi)星鐘差, JPL和GFZ已經有能力提供快速衛(wèi)星鐘差。
實時PPP網絡介紹---StarFire
StarFire 是一個全球GPS差分網絡，能為世界上任何位置的用戶提供可靠的，史無前例的分米級定位精度。由于廣域差分GPS修正系統(tǒng)通過Inmarsat地球同步通信衛(wèi)星作為通信鏈路，所以用戶不用搭建本地參考站或數(shù)據后處理，就可獲得很高的精度。此外，由于采用覆蓋全球的地球同步衛(wèi)星作為差分通信鏈路，則可以在地球表面從北緯75°到南緯75°都可獲得相同的精度。
StarFire系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星星座，L波段通信衛(wèi)星，和一個分布在世界各地的參考站網絡組成，并由該系統(tǒng)提供實時的高精度定位信息。為提供這一獨特定位服務，StarFire搭建了一個全球雙頻參考站網絡，這些參考站不斷地接收來自GPS衛(wèi)星信號。參考站接收的信號被傳送到分別位于California，Torrance和位于Illinois，Moline的網絡處理中心，并在這兩處生成差分改正信息。上述兩處網絡處理中心的差分信息，通過獨立的通信鏈路，被傳送到衛(wèi)星上行鏈路站。這些站分別位于加拿大的Laurentides，英格蘭的Goonhilly和新西蘭的Aucklang。在這些衛(wèi)信上行鏈路站，修正信號被上傳給地球同步通信衛(wèi)星。
實時PPP工作流程
StarFireTM 系統(tǒng)之所以方便地實現(xiàn)高精度定位，關鍵在于GPS修正源。GPS衛(wèi)星在兩個L波段上傳輸導航數(shù)據。各個參考站都裝有測量級的雙頻接收機。這些參考站的接收機解碼GPS信號并將高質量的雙頻偽距和載波相位測量數(shù)據，連同所有GPS衛(wèi)星都廣播的數(shù)據信息，發(fā)送回網絡處理中心。在網絡處理中心，利用NavCom的專有差分處理技術，生成實時GPS衛(wèi)星星座的精密軌道信息和星種改正數(shù)據。該專有廣域DGPS算法，優(yōu)化了雙頻系統(tǒng)。在雙頻系統(tǒng)中，參考站接收機和用戶接收機都能使用雙頻電離層測量數(shù)據。正因為在參考站和用戶端都使用雙頻接收機，連同先進的數(shù)據處理算法，才使系統(tǒng)實現(xiàn)高精度成為可能。
計算出改正數(shù)據只是第一步。而后需要將網絡處理中心的差分改正數(shù)據傳送致陸地地球站（LES），以便在那里將數(shù)據上傳給L波段通信衛(wèi)星。上行站裝配有NavCom的調制設備，該調制設備作為衛(wèi)星發(fā)射器的接口，將改正數(shù)據流上傳給通信衛(wèi)星，并由通信衛(wèi)星廣播給覆蓋地區(qū)。每個L波段衛(wèi)星覆蓋地球面積，都超過三分之一。
用戶的C-Nav精確GPS接收機，事實上有兩個接收機，一個GPS接收機和一個L波段通信接收機，兩接收機都是由NavCom為該系統(tǒng)設計的。系統(tǒng)中，GPS接收機跟蹤所有的在視衛(wèi)星，并計算偽距測量數(shù)據。與此同時，L波段接收機接收由L波段通信衛(wèi)信播發(fā)的改正信息。將改正信息應用于GPS測量數(shù)據，就生成了精確的定位測量。
