GNSS从量变到质变的实例——瞬时厘米级多频精密单点定位（PPP）

　　高精度大众化应用，必须通过多模增强方式，也就是天基增强，或者地基增强，与辅助GNSS等手段，其中最为不可缺少的是数据传输电路，后者可以是卫星链路，也可以是地面无线电网络。而从提高精度而言，不外乎高精度定位本身发展起来的RTK（实时动态测量），和PPP（精密单点定位）方式。前者与基准参考网密切相关，有明显的地域特征，而后者是单独的接收机工作方式，可以不受地域和服务范围的影响。只要提供可以普遍采用的精密星历、精密时钟改正，和电离层改正，就可以方便地工作了，全球有数十个地面测量站，便可以实现全球服务了。

 

　　《GPS 世界》杂志，在其2018年7月号的创新栏目里，刊登了以“瞬时厘米级多频精密单点定位（PPP）”为题，发表了最新的研究成果。精密单点定位（PPP）技术正在进军定位行业。然而，阻碍其更广泛采用的问题是，载波相位整周模糊度完全求解所需的收敛时间，一旦问题得到解决，就可以突破10厘米精度阈值。通过使用GNSS多系统、多载波频率方法，可以实现瞬时厘米级PPP。这是GNSS多系统同时工作带来的明显好处之一。实际上，多模GNSS的优点会与日俱增的显示出来。我们多次呼吁要认真研究GNSS的多模工作具备的优势，通过GNSS组合系统的再思考、再设计、再利用、再创造，会产生许多意想不到的新成果。这可能是卫星导航数量增长从量变到质变的过程及其结果。

 

　　为了弄清楚高精度测量的基本概念，必须介绍一下载波相位与伪距码测量。所有的GNSS 接收机主要使用的两种测量类型，或者观测量之一。这就是测距码相位，或者载波相位。所谓载波相位，从根本上讲, 在传输一个固定振幅和频率的电磁波时，它指的是GNSS信号载波的瞬时相位，它是被测距码和导航电文所调制，它以弧度、度数或周期计量, 并可转换为接收机和卫星天线之间带有偏差的距离度量, 方法是将观测值乘以载波的波长（以米为单位）。另一个GNSS信号可观测量是伪距，或者称为测距码相位。最初测量量是码片或时间单元, 乘以光速后被转换成带有偏差的接收机至卫星的距离。该值通常称为距离码度量或伪距。载波相位比伪距的精度要高得多, 比如相差近100倍。通常伪距测量精度可以达到几十厘米，而载波相位测量精度则可以达到几毫米或更好。

 

　　大多数GNSS接收机使用伪距测量来确定其位置。实际上，这是GPS在20世纪70年代引入的基于卫星定位的标准方法。虽然载波相位测量，或者更确切地说它们的时间变化率用于精确的速度确定，但最初并未认识到载波相位测量也可以用于位置确定。载波相位作为距离测量的问题，在于它具有最初未知且潜在存在着的很大偏差。这是因为当接收机开始跟踪信号载波时，它不知道从卫星到接收机一直延伸的载波的确切整周期数。因此，由于该初始偏差，载波相位测量存在模糊度。如果可以完全求解了整周模糊度，那么载波相位测量可以用于非常精确的定位，其定位精度在厘米级别，甚至更好。多年来，已经开发了多种多样技术使用载波相位测量来进行定位，最值得注意的是在差分定位中，利用一个或多个参考站，来帮助用户接收机或流动站进行定位。在此同时，精密单点定位技术正在被积极开发，并且进入定位行业，这种技术仅需要来自用户接收机的直接未组合测量。然而，阻碍其更广泛采用的一个老大难问题，是载波相位模糊度被完全求解所需的收敛时间，一旦这一难题被解决，就可以突破10厘米精度阈值。目前，所介绍的文章作者，通过使用GNSS多系统、多载波频率方法，实现了瞬时厘米级精密单点定位（PPP）。他们使用了被称为未组合的四频率最佳估计（OEUFS）技术。

 

　　瞬时厘米级精密单点定位（PPP）曾与单基线实时动态（RTK）技术同义。流动站被限制在离基站几公里的范围内，以确保误差在空间上保持相关。使用区域性站点网络对误差源进行建模后，用户可以在网络覆盖范围内保持这种精度。全球参考站网络可以确定精确的卫星轨道和时钟产品，为精密单点定位（PPP）铺平道路。使用PPP可以实现全球性厘米级精度，代价是收敛时间长，通常以小时为单位。另外深一层次修正，包括卫星伪距码和载波相位偏差，使PPP获得模糊度解析（PPP-AR）。这样虽然可以获得收敛时间的改善，但是就首次定位时间而言，PPP-AR仍然无法与RTK或网络RTK竞争。只有向PPP用户提供精确的大气信息，以天顶对流层和倾斜电离层延迟的模型，才能获得瞬时厘米级的精度。这种方法导致PPP技术能够与RTK可有一比，似乎逐步实现统一，有人甚至称其为PPP-RTK。这种可扩展的方法使PPP用户能够在全球范围内获得准确的定位，同时在位于区域参考网络边界内时实现快速收敛。

 

　　GPS现代化进程中，也包括在多个频率上发射信号的卫星。目前在轨道上的12颗GPS Block IIF卫星已经播放了L5信号，到目前为止发射的所有伽利略和北斗卫星都具有三频功能。 2017年11月，随着北斗三号卫星的发射，北斗星座开始了新的发展阶段，提供与GPS L1 / L5频段兼容的新信号。2018年3月，欧盟决定开放其商业服务（CS），免费提供“CS高精度”服务的信号和改正数据流。结果，E6信号现在可用卫星导弹14颗卫星，并可由现代GNSS接收机跟踪。

 

　　对于三个或更多频率，可以在级联方案中解决一系列宽巷模糊度。这些明确的宽带信号可用于形成无电离层的相位测量，其噪声低于伪距码测量，但通常仍处于分米级。伽利略E6信号的可用性为PPP-AR提供了重要的一步，允许瞬时收敛。作为频率分离的结果，明确的宽带信号具有低噪声特性，这进一步有益于整个模糊集的求解。该文的研究中使用的策略是基于未组合观测的广义技术的推广，并将其描述为使用非组合四频信号最优估计技术（OEUFS）。该文通过首先分析单卫星情况下模糊度和距离参数的精度，来解释如何实现瞬时厘米级PPP。然后描述未组合的伽利略相位偏差的网络估计，接着是基于OEUFS的逐个历元和5分钟的PPP解决方案。