GPS從入門到放棄（二十四） — 精密單點定位
精密單點定位（PPP: Precise point positioning），是一種全球精確定位服務。它利用預報的GPS衛星的精密星曆或事後的精密星曆作爲已知座標起算數據；同時利用某種方式得到的精密衛星鐘差來替代用戶GPS定位觀測值方程中的衛星鐘差參數；用戶利用單臺GPS雙頻接收機的觀測數據進行靜態定位可以達到毫米級的精度，進行實時動態定位可達到釐米級的精度。精密單點定位技術是GPS定位方面的前沿研究方向。
基本原理及特點
精密單點定位的基本原理首先是單點定位，這個與通用的GPS單點定位一樣，所區別的是精密與否。爲了達到精密的效果，PPP有以下特點：
- PPP提供絕對定位，而不是像RTK那樣提供相對於參考站的位置。
- PPP沒有使用差分技術，而是構造無電離層僞距組合觀測值和無電離層載波組合觀測值，因此必須使用雙頻或多頻接收機來消除電離層的一階效應。
- 對於能夠精確模型化的誤差，採用模型校正，如衛星天線相位中心的校正、各種潮汐的影響、相對論效應等。
- 對於不能夠精確模型化的誤差，加參數進行估計。PPP一般將測站/接收機座標、接收機鐘差、模糊度及對流層延遲作爲未知參數，進行泰勒級數展開並保留一次項係數構造誤差方程，然後用最小二乘原理求解參數。
- 觀測值的數量和質量會影響定位質量，比如更多可見的衛星可以改善對天頂對流層延遲的估計。
- PPP使用精密星曆和精密衛星時鐘數據。因此其解算出來的座標和使用的IGS精密星曆的座標框架即ITR 框架系列一致，而不是常用的WGS-84座標系統下的座標。PPP也受到衛星是否能見的影響。如果用戶不能跟蹤所需的衛星，再精確的軌道和時鐘數據也沒用。當衛星不可見時，使用其他GNSS系統的衛星，可確保儘可能好的服務。
- 觀測時間越長，精度越高。
優勢
- PPP使用單機作業，機動靈活，不受作用距離的限制，在RTK覆蓋不到的地區成爲非常有吸引力的替代方案。
- PPP基於非差分模型，沒有在衛星之間求差，因此在多系統組合定位中處理模型要比雙差簡單。
- 由於PPP使用非差分觀測值，因此GPS定位中所有的誤差項都必須考慮。因此模型中保留了所有信息，對於從事大氣、潮汐等相關領域的研究具有優勢。
- PPP結合INS等技術可以實現真正無地面控制的航空測量。
待解決問題
- PPP的定位精度和可靠性很大程度上取決於IGS產品的可靠性和精度，衛星時鐘和軌道的精度是影響PPP質量的最重要因素之一。因此IGS產品質量分析需進一步研究。
- PPP中的非差分組合模糊度不再有整數特性，如何加速模糊度的收斂時間和質量控制也是一個研究課題。
- 對於飛機等高動態載體，大氣參數狀態會發生很大的變化，因此高動態長距離的PPP對流層參數估計方法還需進一步研究改進。
校正模型
PPP目前來說並沒有明確的標準，但有一些常用的約定、模型等。下面簡單列舉一些：
天線偏移
天線偏移（Antenna Offsets）是指天線相位中心與物體質心的偏移，此偏移會給衛星定位帶來釐米級的誤差。這裏天線相位中心是一個理論上的點，天線所輻射出的電磁波在離開天線一定的距離後，其等相位面會近似爲一個球面，該球面的球心即爲該天線的等效相位中心，即天線相位中心（Antenna Phase Center ）。在一般定位中，天線偏移引起的誤差可以忽略，但在PPP中，需要消除此誤差的影響。
天線偏移包括衛星的天線偏移以及接收機的天線偏移。衛星天線偏移（Satellite Antenna Offsets）是指衛星的天線相位中心與衛星質心的偏移。在精密定位中，我們需要用到精密星曆。IGS 提供的精密星曆是相對衛星質心的，而 GPS 的導航電文是相對天線相位中心的，我們在計算中必須考慮兩者之間的差異。
關於天線偏移更多詳情可參考天線偏移。
站點位移
站點位移（Site Displacements）是固定在地球上的站點因爲地球潮汐等因素影響跟隨地球表面一起運動而造成的站點在地固座標系（可參考[座標系][3]一文）中的位移。雖然我們一般把地球看着一個固體，但它卻不是一個剛體，而是也存在着形變。這個形變造成的站點位移我們一般可以忽略，在差分定位中可以基本消除，但在單點精密定位（PPP）中，則必須要考慮，因爲站點位移的值在垂直方向上可以達到幾十釐米的幅度。
在單點精密定位中，我們一般考慮因固體潮、海潮負荷和極點運動引起的站點位移。更多詳情可參考站點位移。
相位纏繞
相位纏繞（Phase Wind-Up）是因爲 GPS 衛星發送的是右旋圓極化（RHCP: Right Hand Circularly Polarized）的信號，接收機或者衛星天線的旋轉會導致載波相位發生改變，而這個值可能達到一個載波週期。此影響對於PPP來說不能忽略。
相位纏繞目前是無法避免的。因爲衛星的太陽能電池板必須對着太陽，這樣才能儘可能的吸收太陽能；而衛星的天線必須對地球，以儘量節省發射能量；所以衛星一定會旋轉，也就一定會導致相位纏繞。
關於相位纏繞如何校正可以參考相位纏繞一文。