基于RTKlib 的GNSS 多系统组合精密单点定位研究

周 全 郭振华 韩保民* 孟 昊

（1、山东理工大学建筑工程学院，山东 淄博255000 2、山东黄金矿业（玲珑）有限公司，山东 招远265406）

1 概述

自1997 年，JPL（Jet Propulsion Laboratory）的Zumbeger 等人提出精密单点定位技术(precise point positioning，PPP)以来，精密单点定位已广泛应用于精密导航定位、低轨卫星精密定轨以及电离层建模等诸多方面[1]。

精密单点定位技术，使用户在全球区域内只需要一台接收机，即可获取高精度的三维坐标，打破了之前只有差分技术才能获取高精度坐标的局面。北斗三代卫星的组网完成，以及GLONASS 和Galileo 系统的恢复和发展，为多系统组合观测提供了可能，多系统组合定位已成为导航定位发展的必然趋势[2]。

单系统精密单点定位虽然可以获得较高精度的三维坐标，但是仍存在收敛时间长、卫星观测结构较差等缺陷。多系统组合精密单点定位，提供更多的冗余观测值，还可以改善观测时的卫星构型，克服单系统定位的局限性，增强精密单点定位的稳定性、可靠性和可用性。

魏二虎等人，对BDS/GPS 组合精密单点定位进行研究，给出组合精密单点定位数学模型，结果证明组合系统虽然定位精度与单GPS 系统基本相当，但是组合系统卫星数是单系统的两倍左右，优化了卫星的空间结构，因此组合系统比单系统更具有稳定性，在动态定位的情况下，组合系统的优势更加明显[3]。

李星星等人，对四系统组合精密单点定位进行了深入研究，实验表明，四系统组合精密单点定位收敛时间比单系统的提高30%-50%，在卫星截止高度角较高的情况下，四系统组合精密单点定位的可用性优于单系统精密定位[4]。

本文探究GPS/BDS/GLONASS/Galileo 四系统组合情况下，进行静态精密单点定位实验，从定位精度、收敛时间和可见卫星数等方面分析多系统组合精密单点定位的性能。

2 数学模型

2.1 观测方程

其中，fi和fj分别为Li和Lj的频率。卫星信号GPS 为L1 和L2，BDS 为B1 和B2；GLONASS 为C1 和C2；Galileo 为E1 和E5。

2.2 不同系统间的时间同步和坐标转换

由于各系统都自己独自稳定的时空系统，所以解决时空基准统一的问题是实现多系统组合定位的前提。由于世界协调时（UTC）与各导航系统间均存在着一定联系，所以可以将UTC 作为中间量，实现各系统之间时间基准的统一[6]。

GPS、BDS、GLONASS、Galileo 分别采用美国世界大地坐标系统（WGS84）、2000 中国大地坐标系（CGCS2000）、苏联1985 地心坐标系（SGS85）和ITRF-96 大地坐标系，这四个坐标系均与ITRF 存在联系，他们之间的相互转换，本质上是在不同ITRF 框架之间实现统一[7]。

2.3 处理策略

精密单点定位处理过程中，除需要获得稳定的伪距和载波观测值外，其他所有误差均需要考虑。卫星位置和卫星钟差使用MGEX 提供的精密轨道和精密钟差文件，通过插值可获得任意卫星任意时刻的精确卫星位置和卫星钟差；固体潮、相对论等误差采用IERS2010 固体潮模型等精确改正模型进行处理；无法使用模型处理的误差量，比如天顶方向对流层湿延迟、接收机钟差等，则采用参数估计的方法进行解算。

3 实验及分析

使用从MGEX 下载的HKSL 测站2020 年1 月1 日全天多系统静态观测数据，并且使用MGEX 数据分析中心获取的卫星精密轨道文件、精密钟差文件、海潮文件等，对GPS 单系统和GPS/BDS/GLONASS/Galileo 四系统组合精密静态单点定位结果进行对比分析，从定位精度、收敛时间、可见卫星数和DOP 值几个方面对多系统组合精密单点定位进行分析。

图1 单系统与四系统精密单点定位三轴定位精度对比

图2 单系统与四系统精密单点定位可见卫星数对比

图3 单系统与四系统精密单点定位DOP 值对比

图1 表示的是GPS 单系统与GPS/BDS/GLONASS/Galileo 四系统组合静态精密单点定位解算结果精度对比，经对比，四系统组合精密单点定位定位收敛速度更快，精度更高。且四系统组合定位的3D-RMS 较GPS 单系统性能提升39.7%，系统更稳定。

图2 表示各历元卫星可见数，由图中可知，四系统各历元的平均可见卫星数为23 颗，较GPS 单系统的8 颗有明显提升，为定位过程提供更多的冗余观测，并且更多的卫星具有更好地卫星构型，有助于加速定位的收敛。

图3 表示定位过程中各历元GDOP 值对比，四系统平均GDOP 值为1.36，GPS 单系统GDOP 值为2.59，相同情况下，四系统组合可以观测到更多的卫星，具有更好地卫星构形，卫星结构强度优于GPS 单系统。

4 结论

本文对GPS/BDS/GLONASS/Galileo 四系统组合精密单点定位的数学模型进行分析，通过与GPS 单系统精密单点定位结果进行对比，分析得出：相较于GPS 单系统，四系统组合模式同一时段的可见卫星数增多，卫星的几何构型得到明显改善，定位过程中具有更多的冗余观测值，加速精密单点定位收敛时间。多系统组合精密单点定位在提升收敛速度、提升定位精度方面具有重要意义。