迈向广域快速厘米级：北斗高精度定位技术变革

来源：滚动播报

（来源：科创中国）

广域快速精密单点定位（PPP）技术突破了传统差分技术对密集参考站的依赖性，是推动全球导航卫星系统（GNSS）实现广域自主高精度时空基准建立与维持的关键手段之一。《科技导报》邀请南京师范大学地理科学学院、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心副教授曹新运等撰文，文章围绕北斗/GNSS广域快速PPP，系统梳理了北斗/GNSS系统星座构成、地基站点建设以及卫星精密产品的发展现状，综述了关键技术手段的研究进展，总结了国内外PPP商业化服务的应用现状。最后，探讨了当前广域快速PPP面临的核心挑战，展望了高低轨星座深度融合、多源融合定位增强、广域星基PPP服务体系等未来重点发展方向。

北斗卫星导航系统（BDS）历经三代发展，在高精度时空基准体系构建和国家重大需求服务方面正发挥着核心作用。当前BDS已从系统建设运行阶段全面迈入服务能力深化与系统应用拓展阶段，正在加速构建以北斗为核心的国家综合PNT体系。

精密单点定位（PPP）技术突破了传统差分技术对密集参考站的依赖性，实现了广域自主高精度时空基准的建立与维持，成为卫星导航定位领域的研究热点和重要技术手段。然而，PPP技术并未在上述快速动态精密定位场景中得到广泛应用，其瓶颈在于实时非差模糊度难以精准、快速、可靠地固定。针对这一技术瓶颈，国内外学者围绕北斗/GNSS快速PPP开展了深入研究。

1、北斗/GNSS系统与数据产品

截至2025年4月，4大全球导航卫星系统的在轨运行卫星总数已达140颗，构建了全球高可用、高冗余的卫星导航服务能力，各系统的星座构型、在轨卫星数及播发频率见表1。

表1GNSS星座现状（截至2025年4月）

BDS创新性地采用了3种混合轨道卫星，额外包括地球同步静止轨道（GEO）卫星和倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星。在信号体制方面，除了部分仍在服役的GPS−IIR与GLONASS−M卫星，其余在轨卫星均已实现多频信号播发。新一代GLONASS−M+与GLONASS−K卫星则新增播发码分多址（CDMA）信号，如L3频率（K/M+）及L1/L2频率（K2），以增强与其他GNSS系统兼容性。

随着GNSS系统的蓬勃发展，地面跟踪站作为支撑高精度PNT服务的关键基础设施，其规模和信号跟踪能力正持续扩展。截至2025年4月，国际GNSS服务组织（IGS）公布的全球公开站点数已超过520个，形成覆盖全球、密度适中的GNSS连续跟踪网络，站点分布如图1所示。

图1 国际GNSS服务组织站点分布

作为IGS全球数据中心之一，美国国家航空航天局建立的地壳动力学数据信息系统CDDIS负责对IGS站网采集的GNSS原始观测数据、精密产品及其衍生结果进行归档与发布。中国发起并主导的国际GNSS监测评估系统（iGMAS）具备对四系统GNSS运行状态和服务性能进行监测与评估等功能，已在全球部署了近30个地面跟踪站点，为系统运行质量评估与用户性能保障提供了重要支撑。

支撑PPP技术的核心基础产品−精密卫星轨道、钟差、姿态和伪距/相位偏差产品日益完善，截至2025年，已有多家IGS分析中心提供多系统精密产品，表2列举了8家分析中心。事后精密卫星轨道和钟差产品的采样间隔分别为5 min和30 s，仅部分分析中心提供30 s采样间隔的卫星姿态四元数和相位偏差产品。

表2 多GNSS系统精密产品（截至2025年4月）

2、北斗/GNSS快速PPP技术

2.1 多频多模增强

随着GPS、GLONASS现代化升级以及BDS、Galileo系统的全球组网，PPP由单一系统走向多频多模融合，成为实现快速广域精密定位的关键路径之一，有效提升了PPP的收敛速度、定位精度与可靠性。

由于不同GNSS系统之间存在时间基准和接收机硬件延迟等差异，多模PPP融合模型通常估计各个GNSS系统的接收机钟差或者引入系统间偏差（ISB），常用的ISB建模策略包括白噪声模型、随机游走模型、分段常数模型，其理应与卫星精密钟差估计模型策略保持一致。

同一GNSS系统不同频率之间的硬件延迟存在差异，称为频间偏差（IFB）。融合BDS/GPS/Galileo多频观测值时，在对应的多频伪距观测方程中引入IFB参数。引入GLONASS多频观测值，意味着同时引入了大量的IFB参数，为多频多模PPP模型及后续模糊度固定带来了严峻的挑战。同时，多频卫星相位硬件延迟的时变部分无法被基准频率的钟差和电离层等参数完全吸收，导致不同频率的无电离层组合估计的卫星钟差并不相同，两者之间的差异称为频间钟偏差（IFCB），严重影响多频PPP定位精度。相比较于多系统融合，多频PPP浮点解并未展现出明显的增益效果，仅仅当双频卫星数较少时才略有提升，然而频率分布却能够有效提升模糊度固定性能，显著缩短PPP固定解收敛时间。

2.2 模糊度固定增强

当前，多频多模PPP浮点解模型已经较为成熟，然而其定位性能及其可靠性仍然难以满足快速广域精密定位需求，模糊度整数特性约束能够显著提高定位精度及其可靠性，使得PPP模糊度固定成为实现快速广域高精度定位的核心技术之一。

相位偏差改正是实现PPP模糊度可靠固定的前提，早期的相位偏差估计模型通常基于双频无电离层组合。随着GNSS信号频率增加，提供多频组合形式相位偏差产品难以有效适应多模多频GNSS发展需求。IGS工作组提出了面向原始观测值的观测信号偏差（OSB），PPP用户端只需将各频OSB改正到对应原始观测值，即可恢复模糊度整周特性。目前，大多数IGS分析中心仅支持双频基准频率模糊度固定，如表2所示。

当PPP用户修正相位OSB时，此时的PPP浮点模糊度仅包含接收机端的相位硬件延迟，通过选取模糊度基准或者基准卫星，即可恢复模糊度的整周特性。相较于设置固定组合的超宽巷、宽巷组合，LAMBDA去相关构建的模糊度组合能够最大限度地顾及模糊度之间的相关性，因此，基于原始各频率模糊度的LAMBDA算法能够固定数量更多的候选整周模糊度，但是其依然存在固定错误的风险。

由于GLONASS采用FDMA信号体制，其模糊度固定面临独特挑战，特别是多频GLONASS涉及CDMA/FDMA信号混合。目前，尚无分析中心提供GLONASS模糊度固定产品，仅能通过多系统融合GLONASS浮点解间接提升PPP性能。

2.3 大气增强

为了充分发挥PPP和RTK技术的各自优势，克服2种技术的缺陷，PPP−RTK技术应用而生，其核心是对流层和电离层信息的精确建模，PPP用户接收状态域空间表示（SSR）的大气增强信息，即可实现快速甚至瞬时模糊度固定。

2.3.1 电离层增强PPP

PPP模型处理电离层延迟有2种策略：

一是通过双频或多频观测值构建无电离层组合以消除一阶电离层延迟，该组合无法利用电离层延迟的空间相关性；

二是基于非差非组合模型，引入外部电离层信息构建电离层加权约束模型。

相较于对流层而言，电离层延迟的有效建模与改正对PPP−RTK模糊度快速固定的影响更为显著，已成为PPP重要研究方向。

提取电离层的常用方法包括载波平滑伪距和非组合PPP。根据提取的电离层信息，通常采用3种建模方法。一是数学函数拟合，二是空间插值模型，三是机器学习方法。其中，

基于数学函数拟合的方法多用于全球或者区域垂直电离层建模；

基于空间插值模型的斜电离层精度通常达到数个厘米，然而其对数据播发的采样率、带宽和数据传输量等要求更高；

基于数据驱动的机器学习方法能够捕捉电离层空间分布的复杂特征，然而面临训练样本大小和模型特征选择等难题。

高质量的电离层改正信息是实现PPP−RTK模糊度瞬时固定的核心要素之一。由于电离层投影函数显著降低了电离层精度，厘米级精度的斜电离层延迟的提取正成为研究热点。

随着参考网规模的扩大，PPP−RTK的模糊度首次固定时间也相应延长。同时，如何设置虚拟电离层观测值权重尤为重要，逐步松弛约束、时空约束通常优于常数约束，研究更精细化的电离层不确定度表征方法对PPP−RTK性能提升具有重要作用。

2.3.2 对流层增强PPP

ZTD分为可建模的干延迟和难以建模的湿延迟：前者采用经验模型修正，后者通常设置为随机游走模型予以估计。为了削弱ZTD与测站高程方向位置等参数的相关性，在PPP模型中引入高精度外部ZTD产品进行改正或约束，从而提升PPP定位性能。

对流层增强的核心在于构建高精度、区域适用的ZTD建模策略，并通过区域模型对用户站进行大气延迟校正。对流层建模方式主要包括3类。一是空间插值模型，二是气象辅助建模法，三是机器学习方法。

在增强PPP定位性能方面，区域对流层建模及其改正策略已取得显著成效，ZTD改正PPP和ZTD约束PPP 2种增强模型均可有效缩短PPP的收敛时间，特别是测站高程方向。

2.4 低轨增强

LEO卫星以其星座空间几何构型丰富、信号强度高、星地几何快速变化等优势，在通信基础上发展导航功能独具潜力。当前，国际低轨星座发展正由通信主导逐步向通信与导航融合转型，为构建面向未来的PNT冗余体系和快速PPP增强奠定基础。

与中高轨GNSS卫星相比，LEO卫星几何构型变化快、可视卫星变换频繁、非保守力模型复杂，其定轨方法主要包括卫星激光测距、星间链路及基于GNSS观测值定轨等。LEO采用高性能晶振代替原子钟作为星上基准频率源，频率稳定性显著差于GNSS卫星原子钟，严重限制其高精度中长期钟差预报，为满足高精度定位需求，钟差预报时长不宜超过数十分钟。

近年来，利用LEO卫星增强广域快速PPP已成为高精度定位研究的热点之一。仿真结果表明，LEO星座在提升定位精度与加快收敛速度方面显著优于中高轨GNSS系统。在模糊度固定方面，LEO星座亦展现出强大潜力，低轨增强可显著提高模糊度固定成功率并缩短其首次固定时间，固定解的稳定性和精度均优于浮点解。总体而言，在不依赖区域密集地面参考站增强的条件下，基于低轨星座增强GNSS，有望大幅度解决PPP初始化时间长的难题。

3 、北斗/GNSS的PPP服务

3.1 PPP商业服务

随着无人驾驶、智慧农业、低空经济等新兴领域对高精度定位需求的持续提升，商业PPP服务逐步走向成熟。典型的PPP商业服务提供商包括中国的千寻位置、华测导航、美国Trimble以及瑞典Hexagon等，典型技术特征见表3。

表3 PPP商业服务的典型特征

3.2 PPP星基服务

PPP星基服务通过GNSS卫星链路实时播发卫星轨道、钟差及信号偏差等增强信息，支持用户终端在无地面通信网络条件下，仅凭单台接收机实现分米至厘米级的广域高精度定位。该类服务消除了传统PPP对地面基准站网络的依赖，显著扩展了GNSS广域精密定位应用的适用场景。

中国BDS−3自2020年起在亚太地区提供PPP−B2b星基服务，能够在动态环境中为用户提供分米级至厘米级的高精度定位服务。欧洲Galileo于2023年1月24日正式启动高精度服务（HAS）的初始运营阶段，构建了覆盖全球的分米级增强体系。日本的准天顶卫星系统（QZSS）于2018年11月1日正式运行厘米级增强服务（CLAS）。3类星基PPP服务的核心播发参数与服务性能对比见表4。

表4 PPP星基服务核心技术参数及综合性能

4、面临挑战与未来展望

4.1 面临的挑战

1）误差建模与改正产品。PPP高度依赖高质量、高可靠性的误差建模与改正产品，当前，国际主流的精密产品服务体系仍在持续完善，缺乏耦合的GLONASS钟差、伪距/相位OSB产品，并未完全发挥全系统全频点PPP潜力。

2）异构星座和混合信号。LEO卫星与GNSS融合开展PPP增强虽具显著潜力，但因二者在轨道高度、动态特性、时间系统、信号调制等方面存在显著差异，诸多难题亟待实测数据验证。同时，GLONASS系统未来一段时间内仍维持CDMA/FDMA信号混合。

3）GNSS信号和网络通讯。快速PPP技术依赖于连续、稳定的GNSS观测数据和实时高精度改正信息的持续获取，然而，在城市峡谷、高架桥下、林地等复杂环境中，GNSS信号易受遮挡、多路径干扰严重，严重影响PPP模型初始化与模糊度固定，降低服务稳定性与可用性。

4.2 未来展望

1）推进全系统PPP−RTK与低轨星座深度融合。借助LEO卫星大规模部署，加快面向全系统PPP−RTK和LEO融合解算的观测模型、误差建模及产品生成与表达的研究，解决异构轨道、时空基准、信号体制差异带来的融合瓶颈。

2）构建面向复杂环境的多源融合定位增强系统。融合GNSS、LEO卫星、惯性导航、视觉导航、声光电磁等多源数据，构建具有环境感知、自适应建模与鲁棒解算能力的融合增强定位体系，推动“导航−感知−通信”一体化协同技术发展及核心装备集成。

3）建立全球覆盖、广域播发的星基PPP服务体系。推进星基PPP服务标准化、通用化与广域互操作，扩展星基PPP播发改正数类型，面向灾害应急、通信薄弱和信号遮挡等重点区域，发展星基PPP与地基/LEO增强互补融合机制，构建自主、安全、泛在的精密定位服务体系。

本文作者：曹新运、葛玉龙、刘天骏、杨柳、徐磊、沈飞

作者简介：曹新运，南京师范大学地理科学学院、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，副教授，研究方向为北斗广域精密定位与授时理论与方法；沈飞（通信作者），南京师范大学地理科学学院、虚拟地理环境教育部重点实验室（南京师范大学）、江苏省地理信息资源开发与利用协同创新中心，教授，研究方向为北斗及其地学应用。

文章来源：曹新运, 葛玉龙, 刘天骏, 等. 北斗/全球导航卫星系统广域快速精密单点定位研究进展[J]. 科技导报, 2025, 43(18): 115−126.

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