邁向廣域快速厘米級：北斗高精度定位技術(shù)變革

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025 年第18 期 《 北斗/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)廣域快速精密單點定位研究進(jìn)展 》

廣域快速精密單點定位（PPP）技術(shù)突破了傳統(tǒng)差分技術(shù)對密集參考站的依賴性，是推動全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）實現(xiàn)廣域自主高精度時空基準(zhǔn)建立與維持的關(guān)鍵手段之一。《科技導(dǎo)報》邀請南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院、虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室（南京師范大學(xué)）、江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心副教授曹新運等撰文，文章圍繞北斗/GNSS廣域快速PPP，系統(tǒng)梳理了北斗/GNSS系統(tǒng)星座構(gòu)成、地基站點建設(shè)以及衛(wèi)星精密產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了關(guān)鍵技術(shù)手段的研究進(jìn)展，總結(jié)了國內(nèi)外PPP商業(yè)化服務(wù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。最后，探討了當(dāng)前廣域快速PPP面臨的核心挑戰(zhàn)，展望了高低軌星座深度融合、多源融合定位增強(qiáng)、廣域星基PPP服務(wù)體系等未來重點發(fā)展方向。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）歷經(jīng)三代發(fā)展，在高精度時空基準(zhǔn)體系構(gòu)建和國家重大需求服務(wù)方面正發(fā)揮著核心作用。當(dāng)前BDS已從系統(tǒng)建設(shè)運行階段全面邁入服務(wù)能力深化與系統(tǒng)應(yīng)用拓展階段，正在加速構(gòu)建以北斗為核心的國家綜合PNT體系。

精密單點定位（PPP）技術(shù)突破了傳統(tǒng)差分技術(shù)對密集參考站的依賴性，實現(xiàn)了廣域自主高精度時空基準(zhǔn)的建立與維持，成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位領(lǐng)域的研究熱點和重要技術(shù)手段。然而，PPP技術(shù)并未在上述快速動態(tài)精密定位場景中得到廣泛應(yīng)用，其瓶頸在于實時非差模糊度難以精準(zhǔn)、快速、可靠地固定。針對這一技術(shù)瓶頸，國內(nèi)外學(xué)者圍繞北斗/GNSS快速PPP開展了深入研究。

1 北斗/GNSS系統(tǒng)與數(shù)據(jù)產(chǎn)品

截至2025年4月，4大全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的在軌運行衛(wèi)星總數(shù)已達(dá)140顆，構(gòu)建了全球高可用、高冗余的衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)能力，各系統(tǒng)的星座構(gòu)型、在軌衛(wèi)星數(shù)及播發(fā)頻率見表1。

表1 GNSS星座現(xiàn)狀（截至2025年4月）

BDS創(chuàng)新性地采用了3種混合軌道衛(wèi)星，額外包括地球同步靜止軌道（GEO）衛(wèi)星和傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星。在信號體制方面，除了部分仍在服役的GPS?IIR與GLONASS?M衛(wèi)星，其余在軌衛(wèi)星均已實現(xiàn)多頻信號播發(fā)。新一代GLONASS?M+與GLONASS?K衛(wèi)星則新增播發(fā)碼分多址（CDMA）信號，如L3頻率（K/M+）及L1/L2頻率（K2），以增強(qiáng)與其他GNSS系統(tǒng)兼容性。

隨著GNSS系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，地面跟蹤站作為支撐高精度PNT服務(wù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其規(guī)模和信號跟蹤能力正持續(xù)擴(kuò)展。截至2025年4月，國際GNSS服務(wù)組織（IGS）公布的全球公開站點數(shù)已超過520個，形成覆蓋全球、密度適中的GNSS連續(xù)跟蹤網(wǎng)絡(luò)，站點分布如圖1所示。

圖1 國際GNSS服務(wù)組織站點分布

作為IGS全球數(shù)據(jù)中心之一，美國國家航空航天局建立的地殼動力學(xué)數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)CDDIS負(fù)責(zé)對IGS站網(wǎng)采集的GNSS原始觀測數(shù)據(jù)、精密產(chǎn)品及其衍生結(jié)果進(jìn)行歸檔與發(fā)布。中國發(fā)起并主導(dǎo)的國際GNSS監(jiān)測評估系統(tǒng)（iGMAS）具備對四系統(tǒng)GNSS運行狀態(tài)和服務(wù)性能進(jìn)行監(jiān)測與評估等功能，已在全球部署了近30個地面跟蹤站點，為系統(tǒng)運行質(zhì)量評估與用戶性能保障提供了重要支撐。

支撐PPP技術(shù)的核心基礎(chǔ)產(chǎn)品?精密衛(wèi)星軌道、鐘差、姿態(tài)和偽距/相位偏差產(chǎn)品日益完善，截至2025年，已有多家IGS分析中心提供多系統(tǒng)精密產(chǎn)品，表2列舉了8家分析中心。事后精密衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品的采樣間隔分別為5 min和30 s，僅部分分析中心提供30 s采樣間隔的衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)和相位偏差產(chǎn)品。

表2 多GNSS系統(tǒng)精密產(chǎn)品（截至2025年4月）

2 北斗/GNSS快速PPP技術(shù)

2.1 多頻多模增強(qiáng)

隨著GPS、GLONASS現(xiàn)代化升級以及BDS、Galileo系統(tǒng)的全球組網(wǎng)，PPP由單一系統(tǒng)走向多頻多模融合，成為實現(xiàn)快速廣域精密定位的關(guān)鍵路徑之一，有效提升了PPP的收斂速度、定位精度與可靠性。

由于不同GNSS系統(tǒng)之間存在時間基準(zhǔn)和接收機(jī)硬件延遲等差異，多模PPP融合模型通常估計各個GNSS系統(tǒng)的接收機(jī)鐘差或者引入系統(tǒng)間偏差（ISB），常用的ISB建模策略包括白噪聲模型、隨機(jī)游走模型、分段常數(shù)模型，其理應(yīng)與衛(wèi)星精密鐘差估計模型策略保持一致。

同一GNSS系統(tǒng)不同頻率之間的硬件延遲存在差異，稱為頻間偏差（IFB）。融合BDS/GPS/Galileo多頻觀測值時，在對應(yīng)的多頻偽距觀測方程中引入IFB參數(shù)。引入GLONASS多頻觀測值，意味著同時引入了大量的IFB參數(shù)，為多頻多模PPP模型及后續(xù)模糊度固定帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時，多頻衛(wèi)星相位硬件延遲的時變部分無法被基準(zhǔn)頻率的鐘差和電離層等參數(shù)完全吸收，導(dǎo)致不同頻率的無電離層組合估計的衛(wèi)星鐘差并不相同，兩者之間的差異稱為頻間鐘偏差（IFCB），嚴(yán)重影響多頻PPP定位精度。相比較于多系統(tǒng)融合，多頻PPP浮點解并未展現(xiàn)出明顯的增益效果，僅僅當(dāng)雙頻衛(wèi)星數(shù)較少時才略有提升，然而頻率分布卻能夠有效提升模糊度固定性能，顯著縮短PPP固定解收斂時間。

2.2 模糊度固定增強(qiáng)

當(dāng)前，多頻多模PPP浮點解模型已經(jīng)較為成熟，然而其定位性能及其可靠性仍然難以滿足快速廣域精密定位需求，模糊度整數(shù)特性約束能夠顯著提高定位精度及其可靠性，使得PPP模糊度固定成為實現(xiàn)快速廣域高精度定位的核心技術(shù)之一。

相位偏差改正是實現(xiàn)PPP模糊度可靠固定的前提，早期的相位偏差估計模型通常基于雙頻無電離層組合。隨著GNSS信號頻率增加，提供多頻組合形式相位偏差產(chǎn)品難以有效適應(yīng)多模多頻GNSS發(fā)展需求。IGS工作組提出了面向原始觀測值的觀測信號偏差（OSB），PPP用戶端只需將各頻OSB改正到對應(yīng)原始觀測值，即可恢復(fù)模糊度整周特性。目前，大多數(shù)IGS分析中心僅支持雙頻基準(zhǔn)頻率模糊度固定，如表2所示。

當(dāng)PPP用戶修正相位OSB時，此時的PPP浮點模糊度僅包含接收機(jī)端的相位硬件延遲，通過選取模糊度基準(zhǔn)或者基準(zhǔn)衛(wèi)星，即可恢復(fù)模糊度的整周特性。相較于設(shè)置固定組合的超寬巷、寬巷組合，LAMBDA去相關(guān)構(gòu)建的模糊度組合能夠最大限度地顧及模糊度之間的相關(guān)性，因此，基于原始各頻率模糊度的LAMBDA算法能夠固定數(shù)量更多的候選整周模糊度，但是其依然存在固定錯誤的風(fēng)險。

由于GLONASS采用FDMA信號體制，其模糊度固定面臨獨特挑戰(zhàn)，特別是多頻GLONASS涉及CDMA/FDMA信號混合。目前，尚無分析中心提供GLONASS模糊度固定產(chǎn)品，僅能通過多系統(tǒng)融合GLONASS浮點解間接提升PPP性能。

2.3 大氣增強(qiáng)

為了充分發(fā)揮PPP和RTK技術(shù)的各自優(yōu)勢，克服2種技術(shù)的缺陷，PPP?RTK技術(shù)應(yīng)用而生，其核心是對流層和電離層信息的精確建模，PPP用戶接收狀態(tài)域空間表示（SSR）的大氣增強(qiáng)信息，即可實現(xiàn)快速甚至瞬時模糊度固定。

2.3.1 電離層增強(qiáng)PPP

PPP模型處理電離層延遲有2種策略：

• 一是通過雙頻或多頻觀測值構(gòu)建無電離層組合以消除一階電離層延遲，該組合無法利用電離層延遲的空間相關(guān)性；

• 二是基于非差非組合模型，引入外部電離層信息構(gòu)建電離層加權(quán)約束模型。

相較于對流層而言，電離層延遲的有效建模與改正對PPP?RTK模糊度快速固定的影響更為顯著，已成為PPP重要研究方向。

提取電離層的常用方法包括載波平滑偽距和非組合PPP。根據(jù)提取的電離層信息，通常采用3種建模方法。一是數(shù)學(xué)函數(shù)擬合，二是空間插值模型，三是機(jī)器學(xué)習(xí)方法。其中，

• 基于數(shù)學(xué)函數(shù)擬合的方法多用于全球或者區(qū)域垂直電離層建模；

• 基于空間插值模型的斜電離層精度通常達(dá)到數(shù)個厘米，然而其對數(shù)據(jù)播發(fā)的采樣率、帶寬和數(shù)據(jù)傳輸量等要求更高；

• 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠捕捉電離層空間分布的復(fù)雜特征，然而面臨訓(xùn)練樣本大小和模型特征選擇等難題。

高質(zhì)量的電離層改正信息是實現(xiàn)PPP?RTK模糊度瞬時固定的核心要素之一。由于電離層投影函數(shù)顯著降低了電離層精度，厘米級精度的斜電離層延遲的提取正成為研究熱點。

隨著參考網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，PPP?RTK的模糊度首次固定時間也相應(yīng)延長。同時，如何設(shè)置虛擬電離層觀測值權(quán)重尤為重要，逐步松弛約束、時空約束通常優(yōu)于常數(shù)約束，研究更精細(xì)化的電離層不確定度表征方法對PPP?RTK性能提升具有重要作用。

2.3.2 對流層增強(qiáng)PPP

ZTD分為可建模的干延遲和難以建模的濕延遲：前者采用經(jīng)驗?zāi)Ｐ托拚笳咄ǔＴO(shè)置為隨機(jī)游走模型予以估計。為了削弱ZTD與測站高程方向位置等參數(shù)的相關(guān)性，在PPP模型中引入高精度外部ZTD產(chǎn)品進(jìn)行改正或約束，從而提升PPP定位性能。

對流層增強(qiáng)的核心在于構(gòu)建高精度、區(qū)域適用的ZTD建模策略，并通過區(qū)域模型對用戶站進(jìn)行大氣延遲校正。對流層建模方式主要包括3類。一是空間插值模型，二是氣象輔助建模法，三是機(jī)器學(xué)習(xí)方法。

在增強(qiáng)PPP定位性能方面，區(qū)域?qū)α鲗咏＜捌涓恼呗砸讶〉蔑@著成效，ZTD改正PPP和ZTD約束PPP 2種增強(qiáng)模型均可有效縮短PPP的收斂時間，特別是測站高程方向。

2.4 低軌增強(qiáng)

LEO衛(wèi)星以其星座空間幾何構(gòu)型豐富、信號強(qiáng)度高、星地幾何快速變化等優(yōu)勢，在通信基礎(chǔ)上發(fā)展導(dǎo)航功能獨具潛力。當(dāng)前，國際低軌星座發(fā)展正由通信主導(dǎo)逐步向通信與導(dǎo)航融合轉(zhuǎn)型，為構(gòu)建面向未來的PNT冗余體系和快速PPP增強(qiáng)奠定基礎(chǔ)。

與中高軌GNSS衛(wèi)星相比，LEO衛(wèi)星幾何構(gòu)型變化快、可視衛(wèi)星變換頻繁、非保守力模型復(fù)雜，其定軌方法主要包括衛(wèi)星激光測距、星間鏈路及基于GNSS觀測值定軌等。LEO采用高性能晶振代替原子鐘作為星上基準(zhǔn)頻率源，頻率穩(wěn)定性顯著差于GNSS衛(wèi)星原子鐘，嚴(yán)重限制其高精度中長期鐘差預(yù)報，為滿足高精度定位需求，鐘差預(yù)報時長不宜超過數(shù)十分鐘。

近年來，利用LEO衛(wèi)星增強(qiáng)廣域快速PPP已成為高精度定位研究的熱點之一。仿真結(jié)果表明，LEO星座在提升定位精度與加快收斂速度方面顯著優(yōu)于中高軌GNSS系統(tǒng)。在模糊度固定方面，LEO星座亦展現(xiàn)出強(qiáng)大潛力，低軌增強(qiáng)可顯著提高模糊度固定成功率并縮短其首次固定時間，固定解的穩(wěn)定性和精度均優(yōu)于浮點解。總體而言，在不依賴區(qū)域密集地面參考站增強(qiáng)的條件下，基于低軌星座增強(qiáng)GNSS，有望大幅度解決PPP初始化時間長的難題。

3 北斗/GNSS的PPP服務(wù)

3.1 PPP商業(yè)服務(wù)

隨著無人駕駛、智慧農(nóng)業(yè)、低空經(jīng)濟(jì)等新興領(lǐng)域?qū)Ω呔榷ㄎ恍枨蟮某掷m(xù)提升，商業(yè)PPP服務(wù)逐步走向成熟。典型的PPP商業(yè)服務(wù)提供商包括中國的千尋位置、華測導(dǎo)航、美國Trimble以及瑞典Hexagon等，典型技術(shù)特征見表3。

表3 PPP商業(yè)服務(wù)的典型特征

3.2 PPP星基服務(wù)

PPP星基服務(wù)通過GNSS衛(wèi)星鏈路實時播發(fā)衛(wèi)星軌道、鐘差及信號偏差等增強(qiáng)信息，支持用戶終端在無地面通信網(wǎng)絡(luò)條件下，僅憑單臺接收機(jī)實現(xiàn)分米至厘米級的廣域高精度定位。該類服務(wù)消除了傳統(tǒng)PPP對地面基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的依賴，顯著擴(kuò)展了GNSS廣域精密定位應(yīng)用的適用場景。

中國BDS?3自2020年起在亞太地區(qū)提供PPP?B2b星基服務(wù)，能夠在動態(tài)環(huán)境中為用戶提供分米級至厘米級的高精度定位服務(wù)。歐洲Galileo于2023年1月24日正式啟動高精度服務(wù)（HAS）的初始運營階段，構(gòu)建了覆蓋全球的分米級增強(qiáng)體系。日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS）于2018年11月1日正式運行厘米級增強(qiáng)服務(wù)（CLAS）。3類星基PPP服務(wù)的核心播發(fā)參數(shù)與服務(wù)性能對比見表4。

表4 PPP星基服務(wù)核心技術(shù)參數(shù)及綜合性能

4 面臨挑戰(zhàn)與未來展望

4.1 面臨的挑戰(zhàn)

1）誤差建模與改正產(chǎn)品。PPP高度依賴高質(zhì)量、高可靠性的誤差建模與改正產(chǎn)品，當(dāng)前，國際主流的精密產(chǎn)品服務(wù)體系仍在持續(xù)完善，缺乏耦合的GLONASS鐘差、偽距/相位OSB產(chǎn)品，并未完全發(fā)揮全系統(tǒng)全頻點PPP潛力。

2）異構(gòu)星座和混合信號。LEO衛(wèi)星與GNSS融合開展PPP增強(qiáng)雖具顯著潛力，但因二者在軌道高度、動態(tài)特性、時間系統(tǒng)、信號調(diào)制等方面存在顯著差異，諸多難題亟待實測數(shù)據(jù)驗證。同時，GLONASS系統(tǒng)未來一段時間內(nèi)仍維持CDMA/FDMA信號混合。

3）GNSS信號和網(wǎng)絡(luò)通訊。快速PPP技術(shù)依賴于連續(xù)、穩(wěn)定的GNSS觀測數(shù)據(jù)和實時高精度改正信息的持續(xù)獲取，然而，在城市峽谷、高架橋下、林地等復(fù)雜環(huán)境中，GNSS信號易受遮擋、多路徑干擾嚴(yán)重，嚴(yán)重影響PPP模型初始化與模糊度固定，降低服務(wù)穩(wěn)定性與可用性。

4.2 未來展望

1）推進(jìn)全系統(tǒng)PPP?RTK與低軌星座深度融合。借助LEO衛(wèi)星大規(guī)模部署，加快面向全系統(tǒng)PPP?RTK和LEO融合解算的觀測模型、誤差建模及產(chǎn)品生成與表達(dá)的研究，解決異構(gòu)軌道、時空基準(zhǔn)、信號體制差異帶來的融合瓶頸。

2）構(gòu)建面向復(fù)雜環(huán)境的多源融合定位增強(qiáng)系統(tǒng)。融合GNSS、LEO衛(wèi)星、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、聲光電磁等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建具有環(huán)境感知、自適應(yīng)建模與魯棒解算能力的融合增強(qiáng)定位體系，推動“導(dǎo)航?感知?通信”一體化協(xié)同技術(shù)發(fā)展及核心裝備集成。

3）建立全球覆蓋、廣域播發(fā)的星基PPP服務(wù)體系。推進(jìn)星基PPP服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化與廣域互操作，擴(kuò)展星基PPP播發(fā)改正數(shù)類型，面向災(zāi)害應(yīng)急、通信薄弱和信號遮擋等重點區(qū)域，發(fā)展星基PPP與地基/LEO增強(qiáng)互補(bǔ)融合機(jī)制，構(gòu)建自主、安全、泛在的精密定位服務(wù)體系。

本文作者：曹新運、葛玉龍、劉天駿、楊柳、徐磊、沈飛

作者簡介：曹新運，南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院、虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室（南京師范大學(xué)）、江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，副教授，研究方向為北斗廣域精密定位與授時理論與方法；沈飛（通信作者），南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院、虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室（南京師范大學(xué)）、江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，教授，研究方向為北斗及其地學(xué)應(yīng)用。

文章來 源 ： 曹新運, 葛玉龍, 劉天駿, 等. 北斗/全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)廣域快速精密單點定位研究進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(18): 115?126 .

本文轉(zhuǎn)載自《科技導(dǎo)報》微信公眾號

《物理》50年精選文章