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高精度定位(三):非差单机定位

2024-07-19

前面两章介绍了高精度定位的两种方式:地基差分和星基差分,这两种方式都是基于差分定位原理,系统内包括基准站和移动站。基准站产生差分改正数,通过通信链路发送给移动站。移动站接收的是卫星广播的普通星历和卫星钟差,然后通过差分改正数修正广播的星历和卫星钟差,消除星历和卫星钟差中的残余误差,从而获得高精度的定位结果。

有没有一种方法:不需要基准站,就能得到高精度的定位结果呢?

有的,这就是非差单机定位(PPP)。

  • 什么是非差单机定位

  • 非差单机定位的关键技术

  • 高精度星历数据的获取:

  • 多频观测量对大气误差的校正

  • 非差单机定位的精度

  • 和差分定位的比较

  • 结束语

什么是非差单机定位

非差单机定位只需要一台GNSS接收机,不需要电台,不需要其他基准站系统的辅助,就可以获得高精度的定位结果,定位精度可达cm级别。

在普通单机定位中,定位误差的主要来源于卫星广播的卫星轨道误差,卫星的钟差和电离层对流层误差。其中卫星广播的星历数据的精度和钟差数据的精度直接影响到北斗单点定位精度。根据《北斗卫星导航系统公开服务性能规范3.0版》中空间信息精度指标SISRE(空间信号测距误差)≤2m。

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非差单机定位的关键技术

非差单机定位通过获取精密的星历数据获高精度的卫星轨道数据和卫星时钟数据,在定位的时候不直接使用卫星广播的卫星轨道参数和卫星时钟参数,而是使用高精度的卫星轨道数据和卫星时钟数据,从而得到较高的定位精度。
      非差单机定位同时需要通过接收卫星多个频段的信号消除对流层和电离层的误差。

高精度星历数据的获取:

  1. 通过精密星历服务器获取:各个国家的GNSS数据处理中心会定时发布精密星历和钟差数据。GNSS接收机以固定的时间间隔接入GNSS数据中心,从数据中心中读取精密星历和钟差数据,然后给GNSS接收机定位计算使用。这种方式需要联网,对定位来说实时性较差。比如IGS数据中心的服务器:ftp://igs.ign.fr/pub/igs/products/mgex/2198/,国内武汉大学GNSS中心的服务器:ftp://igs.gnsswhu.cn/

  2. 通过卫星直接获取精密星历:一些卫星导航系统,如北斗、伽利略等,可以直接通过卫星信号播发精密星历数据。地面的GNSS接收机只需实时解析接收到的导航信号即可获取这些数据。这种方法的优点是不需要联网,使用方便。比如北斗卫星的B2b频段和伽利略的E5b频段上都播发高精度的星历数据。

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多频观测量对大气误差的校正

高精度星历数据只能消除卫星轨道和卫星时钟方面的误差,不能消除电离层和对流层的误差,因此GNSS接收机同时接收多个频段的卫星信号,通过多频信号改正电离层和对流层对信号传播的延迟效应,以获得更高的定位精度。

非差单机定位的精度

北斗三号卫星支持精密度单点定位服务,通过北斗三号星座中的 3 颗 GEO 卫星的 PPP-B2b 信号提供。北斗系统可以向中国及周边地区(东经 75 度到 135 度,北纬 10 度到 55 度的区域)提供精密度单点定位服务。

北斗非差单点定位是利用多频北斗接收机接收卫星多个频段的信号,同时接收北斗B2b频段上播发的精密星历和钟差数据。其中精密星历提供了高精度的卫星轨道位置信息,精密钟差则补偿了卫星原子钟偏差。在定位解算的时候,利用多频信号消除电离层延时误差,同时利用精密星历和钟差数据进行单点定位,从而能够获得比常规单点定位更高精度的定位结果。

根据《北斗卫星导航系统公开服务性能规范3.0版》采用PPP精密单点定位精度为:水平精度≤0.3m(95%),垂直精度≤0.6m(95%)。

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和差分定位的比较

比较项目

差分定位

非差单机定位




基准站

需要自建基准站

不需要自建基准站

GNSS接收机获得的数据类别

基准站产生的差分改正信息

精密的星历和钟差信息

获得数据的使用

和移动站GNSS接收机的观测量做差分解算,仍然用卫星广播的普通的星历和卫星时钟信息

用精密星历和钟差代替卫星广播的普通星历和卫星时钟信息,做单机定位解算

定位精度

载波相位差分定位精度可到cm级,伪距差分定位精度为m级

利用卫星播发的高精度星历信息做单机定位,定位精度一般是米级;
利用GNSS中心服务器做的高精度星历信息,长时间收敛计算,定位精度可达cm级别

收敛时间

一般小于1min,时间短

一般在20min~30min,时间长

结束语

非差单点定位不需要单独架设基准站,没有采用差分定位解算方法,属于非差分定位方式,采用多频段接收机消除大气层误差,采用高精度的精密星历和钟差 ,能够获得高精度的定位结果,缺点是实时性较差,收敛时间较长。


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