邁向廣域快速厘米級：北斗高精度定位技術變革

原文發表于《科技導報》2025 年第18 期 《 北斗/全球導航衛星系統廣域快速精密單點定位研究進展 》

廣域快速精密單點定位（PPP）技術突破了傳統差分技術對密集參考站的依賴性，是推動全球導航衛星系統（GNSS）實現廣域自主高精度時空基準建立與維持的關鍵手段之一。《科技導報》邀請南京師范大學地理科學學院、虛擬地理環境教育部重點實驗室（南京師范大學）、江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心副教授曹新運等撰文，文章圍繞北斗/GNSS廣域快速PPP，系統梳理了北斗/GNSS系統星座構成、地基站點建設以及衛星精密產品的發展現狀，綜述了關鍵技術手段的研究進展，總結了國內外PPP商業化服務的應用現狀。最后，探討了當前廣域快速PPP面臨的核心挑戰，展望了高低軌星座深度融合、多源融合定位增強、廣域星基PPP服務體系等未來重點發展方向。

北斗衛星導航系統（BDS）歷經三代發展，在高精度時空基準體系構建和國家重大需求服務方面正發揮著核心作用。當前BDS已從系統建設運行階段全面邁入服務能力深化與系統應用拓展階段，正在加速構建以北斗為核心的國家綜合PNT體系。

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

1 北斗/GNSS系統與數據產品

截至2025年4月，4大全球導航衛星系統的在軌運行衛星總數已達140顆，構建了全球高可用、高冗余的衛星導航服務能力，各系統的星座構型、在軌衛星數及播發頻率見表1。

表1 GNSS星座現狀（截至2025年4月）

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

隨著GNSS系統的蓬勃發展，地面跟蹤站作為支撐高精度PNT服務的關鍵基礎設施，其規模和信號跟蹤能力正持續擴展。截至2025年4月，國際GNSS服務組織（IGS）公布的全球公開站點數已超過520個，形成覆蓋全球、密度適中的GNSS連續跟蹤網絡，站點分布如圖1所示。

圖1 國際GNSS服務組織站點分布

作為IGS全球數據中心之一，美國國家航空航天局建立的地殼動力學數據信息系統CDDIS負責對IGS站網采集的GNSS原始觀測數據、精密產品及其衍生結果進行歸檔與發布。中國發起并主導的國際GNSS監測評估系統（iGMAS）具備對四系統GNSS運行狀態和服務性能進行監測與評估等功能，已在全球部署了近30個地面跟蹤站點，為系統運行質量評估與用戶性能保障提供了重要支撐。

支撐PPP技術的核心基礎產品?精密衛星軌道、鐘差、姿態和偽距/相位偏差產品日益完善，截至2025年，已有多家IGS分析中心提供多系統精密產品，表2列舉了8家分析中心。事后精密衛星軌道和鐘差產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采樣間隔的衛星姿態四元數和相位偏差產品。

表2 多GNSS系統精密產品（截至2025年4月）

2 北斗/GNSS快速PPP技術

2.1 多頻多模增強

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

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

同一GNSS系統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，在對應的多頻偽距觀測方程中引入IFB參數。引入GLONASS多頻觀測值，意味著同時引入了大量的IFB參數，為多頻多模PPP模型及后續模糊度固定帶來了嚴峻的挑戰。同時，多頻衛星相位硬件延遲的時變部分無法被基準頻率的鐘差和電離層等參數完全吸收，導致不同頻率的無電離層組合估計的衛星鐘差并不相同，兩者之間的差異稱為頻間鐘偏差（IFCB），嚴重影響多頻PPP定位精度。相比較于多系統融合，多頻PPP浮點解并未展現出明顯的增益效果，僅僅當雙頻衛星數較少時才略有提升，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

當前，多頻多模PPP浮點解模型已經較為成熟，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快速廣域高精度定位的核心技術之一。

相位偏差改正是實現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品難以有效適應多模多頻GNSS發展需求。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改正到對應原始觀測值，即可恢復模糊度整周特性。目前，大多數IGS分析中心僅支持雙頻基準頻率模糊度固定，如表2所示。

當PPP用戶修正相位OSB時，此時的PPP浮點模糊度僅包含接收機端的相位硬件延遲，通過選取模糊度基準或者基準衛星，即可恢復模糊度的整周特性。相較于設置固定組合的超寬巷、寬巷組合，LAMBDA去相關構建的模糊度組合能夠最大限度地顧及模糊度之間的相關性，因此，基于原始各頻率模糊度的LAMBDA算法能夠固定數量更多的候選整周模糊度，但是其依然存在固定錯誤的風險。

由于GLONASS采用FDMA信號體制，其模糊度固定面臨獨特挑戰，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模糊度固定產品，僅能通過多系統融合GLONASS浮點解間接提升PPP性能。

2.3 大氣增強

為了充分發揮PPP和RTK技術的各自優勢，克服2種技術的缺陷，PPP?RTK技術應用而生，其核心是對流層和電離層信息的精確建模，PPP用戶接收狀態域空間表示（SSR）的大氣增強信息，即可實現快速甚至瞬時模糊度固定。

2.3.1 電離層增強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性；

• 二是基于非差非組合模型，引入外部電離層信息構建電離層加權約束模型。

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。根據提取的電離層信息，通常采用3種建模方法。一是數學函數擬合，二是空間插值模型，三是機器學習方法。其中，

• 基于數學函數擬合的方法多用于全球或者區域垂直電離層建模；

• 基于空間插值模型的斜電離層精度通常達到數個厘米，然而其對數據播發的采樣率、帶寬和數據傳輸量等要求更高；

• 基于數據驅動的機器學習方法能夠捕捉電離層空間分布的復雜特征，然而面臨訓練樣本大小和模型特征選擇等難題。

高質量的電離層改正信息是實現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。

隨著參考網規模的擴大，PPP?RTK的模糊度首次固定時間也相應延長。同時，如何設置虛擬電離層觀測值權重尤為重要，逐步松弛約束、時空約束通常優于常數約束，研究更精細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：前者采用經驗模型修正，后者通常設置為隨機游走模型予以估計。為了削弱ZTD與測站高程方向位置等參數的相關性，在PPP模型中引入高精度外部ZTD產品進行改正或約束，從而提升PPP定位性能。

對流層增強的核心在于構建高精度、區域適用的ZTD建模策略，并通過區域模型對用戶站進行大氣延遲校正。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，三是機器學習方法。

在增強PPP定位性能方面，區域對流層建模及其改正策略已取得顯著成效，ZTD改正PPP和ZTD約束PPP 2種增強模型均可有效縮短PPP的收斂時間，特別是測站高程方向。

2.4 低軌增強

LEO衛星以其星座空間幾何構型豐富、信號強度高、星地幾何快速變化等優勢，在通信基礎上發展導航功能獨具潛力。當前，國際低軌星座發展正由通信主導逐步向通信與導航融合轉型，為構建面向未來的PNT冗余體系和快速PPP增強奠定基礎。

與中高軌GNSS衛星相比，LEO衛星幾何構型變化快、可視衛星變換頻繁、非保守力模型復雜，其定軌方法主要包括衛星激光測距、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頻率源，頻率穩定性顯著差于GNSS衛星原子鐘，嚴重限制其高精度中長期鐘差預報，為滿足高精度定位需求，鐘差預報時長不宜超過數十分鐘。

近年來，利用LEO衛星增強廣域快速PPP已成為高精度定位研究的熱點之一。仿真結果表明，LEO星座在提升定位精度與加快收斂速度方面顯著優于中高軌GNSS系統。在模糊度固定方面，LEO星座亦展現出強大潛力，低軌增強可顯著提高模糊度固定成功率并縮短其首次固定時間，固定解的穩定性和精度均優于浮點解。總體而言，在不依賴區域密集地面參考站增強的條件下，基于低軌星座增強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

3.1 PPP商業服務

隨著無人駕駛、智慧農業、低空經濟等新興領域對高精度定位需求的持續提升，商業PPP服務逐步走向成熟。典型的PPP商業服務提供商包括中國的千尋位置、華測導航、美國Trimble以及瑞典Hexagon等，典型技術特征見表3。

表3 PPP商業服務的典型特征

3.2 PPP星基服務

PPP星基服務通過GNSS衛星鏈路實時播發衛星軌道、鐘差及信號偏差等增強信息，支持用戶終端在無地面通信網絡條件下，僅憑單臺接收機實現分米至厘米級的廣域高精度定位。該類服務消除了傳統PPP對地面基準站網絡的依賴，顯著擴展了GNSS廣域精密定位應用的適用場景。

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

表4 PPP星基服務核心技術參數及綜合性能

4 面臨挑戰與未來展望

4.1 面臨的挑戰

1）誤差建模與改正產品。PPP高度依賴高質量、高可靠性的誤差建模與改正產品，當前，國際主流的精密產品服務體系仍在持續完善，缺乏耦合的GLONASS鐘差、偽距/相位OSB產品，并未完全發揮全系統全頻點PPP潛力。

2）異構星座和混合信號。LEO衛星與GNSS融合開展PPP增強雖具顯著潛力，但因二者在軌道高度、動態特性、時間系統、信號調制等方面存在顯著差異，諸多難題亟待實測數據驗證。同時，GLONASS系統未來一段時間內仍維持CDMA/FDMA信號混合。

3）GNSS信號和網絡通訊。快速PPP技術依賴于連續、穩定的GNSS觀測數據和實時高精度改正信息的持續獲取，然而，在城市峽谷、高架橋下、林地等復雜環境中，GNSS信號易受遮擋、多路徑干擾嚴重，嚴重影響PPP模型初始化與模糊度固定，降低服務穩定性與可用性。

4.2 未來展望

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

2）構建面向復雜環境的多源融合定位增強系統。融合GNSS、LEO衛星、慣性導航、視覺導航、聲光電磁等多源數據，構建具有環境感知、自適應建模與魯棒解算能力的融合增強定位體系，推動“導航?感知?通信”一體化協同技術發展及核心裝備集成。

3）建立全球覆蓋、廣域播發的星基PPP服務體系。推進星基PPP服務標準化、通用化與廣域互操作，擴展星基PPP播發改正數類型，面向災害應急、通信薄弱和信號遮擋等重點區域，發展星基PPP與地基/LEO增強互補融合機制，構建自主、安全、泛在的精密定位服務體系。

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，南京師范大學地理科學學院、虛擬地理環境教育部重點實驗室（南京師范大學）、江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，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），南京師范大學地理科學學院、虛擬地理環境教育部重點實驗室（南京師范大學）、江蘇省地理信息資源開發與利用協同創新中心，教授，研究方向為北斗及其地學應用。

文章來 源 ： 曹新運, 葛玉龍, 劉天駿, 等. 北斗/全球導航衛星系統廣域快速精密單點定位研究進展[J]. 科技導報, 2025, 43(18): 115?126 .

本文轉載自《科技導報》微信公眾號

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