GNSS非差非组合精密单点定位的理论方法与应用研究

张宝成

中国科学院 测量与地球物理研究所，动力大地测量学国家重点实验室，湖北 武汉430077

由美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo和中国“北斗”联合组成的全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）现已广泛地服务于地球和空间科学领域。最优地融合各类GNSS的观测数据，以快速、准确地估计位置、速度、时间、大气等参数，是当前和未来阶段的研究热点。为实现此目的，本文对精密单点定位（precise point positioning，PPP）技术实施了一系列的改进，完善了其模型算法，弥补了其技术缺陷，拓展了其应用范围。本文的研究主线安排如下：

完善标准PPP的模型和算法。自被提出至今，PPP技术较多地采用“消电离层组合”的非差伪距和相位作为基本观测量。在观测域消除电离层将放大多路径效应，且不便于约束电离层延迟的时空变化。为此，本文提出基于GNSS原始观测值的“非组合”PPP概念，以克服上述不足。其中，电离层延迟被作为一类待估参数，其短期变化被合理地模型化为随机游走过程。同时，顾及了卫星姿态异常对改正两类系统误差（即相位绕转和卫星相位中心偏差）的影响。与标准PPP相比，非组合PPP的收敛时间较短（特别是高采样率观测数据），参数解可靠性更高。特别的，非组合PPP能提供准确的电离层信息，可作为利用GNSS研究电离层的一种新手段。

丰富参考网的数据处理理论。与实时动态相对定位（RTK）相比，标准和非组合PPP存在一个共同的缺陷：无法实现整周模糊度固定，导致收敛时间过长。其根本原因在于，PPP的模糊度参数中吸收了卫星相位偏差，因此不再具备整周特性。为此，先后有研究提出利用全球或区域GNSS参考网估计卫星相位偏差，以用作PPP的额外改正信息。本文将现有参考网数据处理方法归纳为3类，推导了它们的模型等价性，并概括了它们的实施差异。特别的，本文详细地分析了3类方法的典型不足，如侧重于处理双频观测值，无法有效地提供电离层改正等，由此掣肘了它们在未来多频、多模观测条件下的适用性，同时也难以实现单频PPP模糊度固定。

本文提出了一种直接处理非差、非组合GNSS观测值的参考网函数模型，即非组合模型。为确保参数的可估性，采用S基理论识别了设计矩阵的列秩亏，以便于将部分参数定义为S基准，同时确保：①可估的（接收机和卫星）伪距和相位偏差仍具备时不变特性；②可估的模糊度仍保留整周特性，互相独立且数量最多。在滤波实施中，当相邻历元所定义的S基准发生改变时，为确保滤波连续，还需要采用S转换对上一历元的滤波值实施等价变换。

非组合模型具备处理不同范围（全球、广域和局域）参考网数据的能力。针对某类参考网，还可以灵活地处理单频、双频和多频数据。基于某局域网的双频GPS数据，本文利用非组合模型估计了卫星钟差、卫星相位偏差和电离层延迟，并重点考察了卫星相位偏差的稳定性和电离层延迟的内插效果。进而，分别验证了单频和双频PPP模糊度固定的效率和静、动态定位精度。此外，采用非组合模型分析若干零／短基线的双频GPS数据，估计了两台接收机的相对仪器偏差，并发现了其中较为显著的短期变化趋势，进而否定了有关接收机仪器偏差在1～3天内不随时间变化的一般性认知。

概括而言，本文对PPP算法的研究紧扣未来多频、多模的应用需求，并确保能提供高精度的单频服务。从改善单测站PPP性能的角度出发，引申出一种更为实用的参考网数据处理模型，最终促进了单测站PPP模型算法的完善和应用范围的扩展。