基于解耦非组合校正的实时PPP-RTK技术：新疆案例研究带来的启示

《Advances in Space Research》：Real-Time PPP-RTK with Decoupled Uncombined Corrections: Insights from a Case Study in Xinjiang

　　Jun Tao|Zhen Li|Yihao Jiang|Gaojian Zhang|Jie Zhang|Qile Zhao武汉大学GNSS研究中心，中国武汉珞喻路129号，邮编430079摘要由于卫星广播带宽有限，高效地分离和传输PPP-RTK校正参数至关重要。本研究提出了一种新的非组合策略，该策略将L1相位偏差与浮点时钟相结合，以生成整数恢复时钟。非L1频率上的相位观测值特定偏差通过载波范围技术得出。该方法显著提高了时钟和相位OSB的稳定性，同时由于L1 OSB被设定为零，从而减少了广播数据量。我们利用新疆地区一周的区域GNSS数据，评估了所提方法的校正精度和定位性能。研究发现，与浮点时钟相比，整数恢复时钟可使精度提高20–50%，并能更好地补偿轨道误差，从而获得更稳定的轨道和时钟产品（OSB）。不过，不同卫星系统和类型的OSB稳定性仍存在差异，其中大多数Galileo卫星以及SECM制造的BDS-3卫星表现出较高的相位硬件稳定性。在用户端，OSB产品通过多种频率组合支持具有整数模糊度解决功能的灵活PPP定位。基于每颗卫星多项式表面构建的区域电离层模型结构紧凑，适合卫星广播。尽管这些模型较为简单，但无需密集的电离层网格即可有效加速多频率场景下的收敛速度。通过15个流动站进行的定位测试表明，PPP-float、PPP-IAR和PPP-RTK三种模式均能实现厘米级精度。在加入模型化的大气校正后，PPP-RTK可实现近乎瞬时的收敛（约5秒），而多GNSS PPP-IAR的收敛时间则在80秒以内，这充分体现了该方法在实时、带宽受限应用中的有效性。引言PPP-RTK已成为实现厘米级实时定位的关键技术，尤其适用于大规模应用（Teunissen和Khodabandeh 2015）。与传统的网络RTK相比，后者依赖观测空间表示法进行校正，因此通常需要密集的参考站布局来应对空间相关的误差，而PPP-RTK则采用状态空间表示法。通过明确建模并广播各个误差分量，PPP-RTK能够在更稀疏的参考网络下保持高定位精度，同时还能够为大量用户提供基于广播的服务，因此在区域性和广域部署方面更具可扩展性（Wübbena等人，2005；Hou等人，2023）。目前，有两种主流的服务架构推动了PPP-RTK的发展。第一种是基于全球参考站网络的层级架构。在这种架构中，全球站点用于估算卫星时钟校正和相位偏差，通常采用无电离层组合模型（Ge等人，2008；Hauschild和Montenbruck，2009；Laurichesse等人，2010）。随后，区域网络利用未差分且未组合的PPP模型来获取高精度的大气校正，从而实现全面的PPP-RTK服务（Li等人，2022c；Cui等人，2023）。这种分层结构使得可以分别对与卫星相关的误差（如时钟延迟和硬件延迟）以及信号传播误差（如对流层和电离层延迟）进行建模。大量研究表明，现有的全球系统已能够实现厘米级的空间信号测距误差，预测的轨道精度也在厘米级，而实时时钟/相位偏差精度则在0.1–0.3纳秒之间（Kazmierski等人，2020；Xu等人，2024）。然而，大气校正的精度仍然容易受到电离层活动以及区域网络密度的影响（Tao和Jan，2016；Hu等人，2023）。第二种架构则是基于区域参考网络的集中式架构。这种架构采用未差分且未组合的观测模型，通过区域全球导航卫星系统观测数据，共同估算卫星时钟偏移、相位偏差以及大气延迟（Psychas等人，2019；Zhang等人，2019a）。与层级式方法相比，这种方法更为轻量，无需依赖全球实时数据流，且具备更高的部署灵活性。不过，未差分且未组合模型存在固有的秩不足问题，导致估算出的参数（如时钟校正、电离层延迟和硬件延迟）依赖于特定数据集，并与特定的硬件偏差相关联，而非绝对的物理量（Teunissen等人，2010；Odijk等人，2016；Zhang等人，2022）。尽管存在这种依赖性，但理论分析表明，只要模糊度解决和校正应用保持一致，作为可估算参数的用户位置并不会因S基的选择而发生变化（Hou等人，2024）。从用户端定位的角度来看，在良好的观测条件下，这两种PPP-RTK架构都能实现快速收敛，达到厘米级精度（Teunissen等人，2010；Du等人，2025）。不过，这两种架构在校正广播效率方面存在差异，而这对于准天顶卫星系统以及北斗PPP-B2b这类在2000比特/秒和500比特/秒的严格带宽限制下运行的卫星服务而言，是至关重要的因素（Miya等人，2016；CSNO，2020）。研究表明，在区域网络中，实时卫星相位偏差与时钟偏移之间存在较强的耦合关系（Tao等人，2025），尽管其在短时间尺度内的固有变化相对稳定（Li等人，2022b）。层级式PPP-RTK架构能够有效分离这些参数，使其广播频率与其时间变化相匹配，从而提高带宽利用率。相比之下，基于枢轴接收机数据集的集中式PPP-RTK系统中，卫星时钟与相位偏差之间存在紧密耦合（Psychas等人，2022；Hou等人，2024）。为了在用户端纠正这些误差，每个时刻都必须同时广播所有耦合参数。这一要求增加了带宽需求，同时也大大降低了校正参数的重复使用率和传输灵活性。除了参数耦合问题之外，PPP-RTK大气校正的传播格式——尤其是电离层产品——也极易受到带宽限制的影响。传统方法通过结合先验模型与残差网格技术来实现厘米级精度，但代价是会产生大量的数据（Li等人，2023；Zhang等人，2024a）。GNSS信号向多频率发展的趋势为解决这一问题提供了另一种途径。这些信号能够生成额外的类似伪距的观测值（例如，具有固定模糊度的无电离层组合），从而丰富测量数据集，并具备天然的抗多路径干扰能力（Geng和Bock，2013；Laurichesse和Blot，2016）。最新研究显示，即便没有外部电离层约束，具有整数模糊度解决功能的多频率、多星座PPP定位也能在大约一分钟内实现收敛（Brack等人，2023；Qu等人，2023）。这样一来，由于对高精度电离层校正的依赖降低，也就无需再使用密集的校正网格。取而代之的是，基于每颗卫星的紧凑型电离层模型能够实现快速且可靠的收敛，从而在带宽有限的条件下使基于卫星的实时服务更具可行性。鉴于上述挑战，本研究提出了一种针对多频率PPP-RTK的新型参数分离策略，该策略专为区域参考网络设计。此外，该研究还探讨了利用紧凑型电离层模型来实现快速收敛的可行性。为评估该策略的有效性，我们分析了新疆地区一周的GNSS观测数据，以考察参数分离效果、斜向电离层延迟建模精度以及用户端的定位结果。本文的其余部分结构如下：第2节介绍方法论及校正参数的推导过程；第3节阐述实验数据集及处理策略；第4节呈现研究结果；第5节总结主要发现并展望未来。片段内容UDUC模型中的偏差估计非组合且未差分的GNSS观测模型可表示为：Pi,rs=ρrs+?tr-?ts+γiIrs+Trs+di,r-dis+ξis?i,rs=ρrs+?tr-?ts-γiIrs+Trs+λi(Ni,rs+bi,r-bis)+εis其中，Pi,rs和?i,rs分别表示卫星s与站点r之间的频率为ii=1,2,3时的码相位和载波相位观测值。ρrs表示几何距离。?tr和?ts分别表示以米为单位的接收机时钟偏移和卫星时钟偏移。Trs则表示斜向对流层延迟。数据集本研究以新疆地区为研究对象，由于该地区网络覆盖较为稀疏，且大面积的沙漠地形不利于构建密集的连续运行参考站网络，因此给高精度GNSS定位带来了独特挑战。在该区域内共布设了26个参考站，这些站点分布均匀，站点间的平均距离在200至300公里之间。在覆盖范围内还有15个站点被指定为流动站。研究结果本节旨在评估PPP-RTK服务器生成的实时卫星偏差、电离层及对流层产品的精度。随后，还将对PPP-RTK的层级定位服务进行深入分析，包括PPP-float、PPP-IAR以及PPP-RTK三种解决方案的定位精度及收敛性能。总结与结论本研究提出了一种基于未差分且未组合观测数据的轻量级、高广播效率的PPP-RTK校正框架。通过将L1观测值特定偏差设定为零，并利用载波范围技术获取非L1 OSB，该方法不仅能够生成整数恢复时钟，还能大幅减轻数据传输负担。通过对新疆地区一周的多GNSS数据进行评估，结果表明，这种分离式校正方法具有良好的效果。未引用文献Li等人，2022a；Zhang等人，2024；Zhang等人，2024。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。致谢我们感谢IGS提供了GNSS超快速及最终产品。本研究得到了中国国家自然科学基金、湖北省重大计划（2023BAA026）、湖北省重大科技计划的资助，项目编号分别为42030109、42504026、JSCX202501188。同时，我们也感谢IGS提供的超快速预测轨道和DCB产品，这些产品可通过ftp://igs.gnsswhu.cn获取。用于支持本研究结论的网络观测数据亦来自IGS。