H-Star技术介绍(详).doc

北京望邦技术开发有限公司1 介绍在GIS应用领域中，有一种趋势就是用户对GPS数据精度要求越来越高，在资产调查和辅助决策应用中，更高的精度意味着调查结果和决策的依据更加高效和可靠。高精度定位的好处在流体模拟、地下资产定位等领域显得尤为重要。在许多国家的工程应用中需要30cm的定位精度，而在一些发展中国家的土地利用评估应用中，需要20cm的定位精度。Trimble的H-Star技术为要求30cm精度的GIS用户提供了很好的解决方案。这种H-Star是将先进的GPS接收机技术、外业采集软件技术和复杂的数据记录技术、内业处理软件技术相结合的一种新技术。应用该技术可以更短的时间和更低的花费、更简便的工作流程实现更高精度的GPS数据采集。采用H-Star技术后，Trimble ProXH接收机可以达到30cm定位精度，而如果同时采用外置的Zephyr天线，可以达到20cm的精度。 图1所示的数据是50个2分钟的数据块，这些数据是在超过9个小时的时间内采集的。其对应的3台基准站分布在从90km到180km的范围内。HRMS值显示出无论是采用内置天线还是外置的Zephyr天线，其数据精度都是非常高的。2 H-Star技术如何工作H-Star技术依靠先进的GPS接收机技术、改进的外业采集软件和内业处理软件技术来实现亚英尺级的定位精度。在外业采集过程中，H-Star利用Trimble专为高精度数据采集而设计的软件技术进行数据记录。该软件的PPA（预估后处理精度）显示出一旦H-Star采集成功，经后处理可以达到的大致精度。利用H-Star技术，用不超过2分钟的连续数据便可达到亚英尺级的精度。如果能够保证连续不失锁，则后续的定位需要更少的观测时间。回到内业后，无论采用Trimble Pathfinder Office或ESRIArcGIS软件的Trimble Analyst插件来处理，只需要在进行差分处理时选择H-Star选项即可。H-Star技术支持多基站数据，采用多个基准站的数据可以减小单基站观测中不可避免的的大气偏移和测距误差。关于H-Star技术的本质，可以归结为以下三个方面：l GPS数据质量的改善l PPA（预估后处理精度）所带来的工作流程的改进l H-Star差分后处理以下章节中将对上述三个方面作详细论述。2.1 GPS数据质量的改善H-Star技术是一套高精度数据采集系统，依靠采用H-Star技术的接收机可以得到高质量的外业数据，无论采用内置天线或外置天线。2.2 GPS天线在外业数据采集中，GPS天线担当着非常重要的角色。GPS天线负责从19000公里高处获取GPS卫星轨道信息，必须能判断出卫星信号进入天线时的相位，在某种程度上，GPS天线的工作类似于一个照相机的镜头。如图2所示，一张高分辨率的照片能够比较低分辨率的照片反映出更多的细节，与此类似，一个设计良好的GPS天线能够以更高的分辨率捕捉到GPS信号，从这些高分辨率的信号可以计算出更加精确的位置数据。在进入天线之前，GPS信号会受到多路径效应的影响。GPS信号采用右旋极化，而反射回来的信号将反转为左旋极化。Trimble ProXH或GeoXH接收机天线带有内置抑径板，采用EVEREST技术滤除左旋极化的反射波。需要说明的是，多路径效应对于采用H-Star技术的测量方式要比单纯码测量的影响更弱。尽管如此，在高精度测量中，多路径效应的仍然是影响测量精度的重要因素。Zephyr天线按照同样的原则进行设计，以保证高质量的测量，但Zephyr天线能够测量L2信号，在H-Star定位中需要利用L2信号得到尽可能高的精度。L1和L2载波上调制了不同的信息。在传统的测图和GIS应用中，只利用了L1的信号，增加L2信号以后可以更好地改正电离层延迟，而这种延迟是导致误差的显著因素之一。电离层中包含的带电粒子能够影响电磁波的传播，电离层的变化受太阳黑子活动、地理位置、季节变化等的因素的影响。常规的DGPS系统中应用电离层模型来模拟电离层误差，然而它仅仅是模拟而没有实测误差。利用双频GPS天线，能够计算出基准站和流动站的真实的电离层延迟误差，并对该误差进行改正。应用H-Star技术进行观测时，为了取得更好的效果，最好将天线安装在测杆顶部或背包上。安装在测杆上有利于准确定位到固定点上，而背包便于进行动态数据采集。在进行观测时，应设法保证天线上方有开阔的天空。2.3 GPS接收机GPS信号所经受的电磁干扰通常被当作噪音来处理。在这些噪音中，有些是由GPS接收机内部的元器件产生的，有些是其他来源的，例如头顶的架空电力传输线等。当GPS信号进入接收机电路时，它被噪音所淹没。GPS接收机的主要功能之一就是从这些噪音中将GPS信号还原。Trimble ProXH或GeoXH接收机的独特设计使其能够更好的从噪音中将GPS信号还原出来。2.4 PPA所带来的工作流程的改进Trimble外业采集软件提供的PPA（预估后处理精度）功能为用户高效采集数据带来方便，用户可以在作业现场放心采集，而无需担心差分处理后精度是否能满足要求。PPA是H-Star技术的关键词之一。PPA的的计算和显示依赖于天线类型，卫星几何分布，卫星锁定的最小时长以及假定的基准站设备等。有些影响精度的外部因素，例如多路径效应和电离层延迟等，没有被计算在PPA内。PPA显示的是HRMS精度，表示差分后63%的位置到真实位置的距离不会超出所显示的精度值。在下图中，PPA精度显示的是0.21米，表示当前目标经后处理将达到21cm或更好。换句话说，后处理误差的精度不会大于21cm。注意：HRMS值越小，表示精度越高。PPA表示出载波锁定后所记录的所有位置数据经H-Star差分处理后的估计精度。PPA值与观测时长直接有关，所以如果接收机持续保持锁定，并且卫星几何分布很好，则锁定后的所有点位的精度都将得到提升。H-Star依靠连续采集的GPS数据进行定位计算，这个过程叫做“载波锁定”。为保持锁定状态，接收机必须跟踪四颗、五颗或更多卫星，并且没有中断和干扰。在保持锁定的情况下，H-Star可以在移动的情况下进行连续解算。图4所示ProXH接收机在载波锁定时H-Star精度变化的情况，流动站在开阔的天空下连续采集6个小时，然后对载波锁定的一段时间进行解算。这些数据应用位于20km120km的三个双频基准站进行差分后处理。由于H-Star应用卫星载波数据进行解算，所以解算的位置精度依赖于载波锁定的时间长度。应该说明的是，H-Star达到的精度适用于载波锁定后所采集的任何点位和目标。图5所示的载波锁定的三段时间，从图中可以看出，载波锁定的时间越长，定位精度就越好。在给定的载波锁定的时间段里，定位精度是相同的。导致失锁的原因很多，通过如桥梁或树冠这样的遮挡物可能导致失锁，天线位置过低或者将天线放回车里赶往下个目标点时，都容易引起卫星失锁。2.5 数据采集技巧2.5.1 保证精度的方法注意观察PPA数值，直到精度满足要求时再开始记录数据。例如，如果需要达到20cm精度，只需要待在目标点上，直到显示的PPA值达到20cm时再开始记录数据。如果在达到20cm之前卫星失锁，系统需要重新搜索卫星并锁定，您只需要待在目标点上等待卫星锁定，并且PPA值达到20cm时再开始记录。在采集点目标或顶点目标时，这是一种行之有效的方法，能保证采集到足够的、达到所需精度的数据。在开阔环境里，这种方法的作业效率很高。2.5.2 高效采集的方法在开阔环境中，卫星数目为5颗或更多时，您可能不需要等待PPA值达到所需精度。在开阔环境中，卫星失锁的可能性较小，这时如果您可以在欲采集的目标间移动，而不必等待PPA达到规定数值。只要能保证在数据记录的过程中不失锁，并且在采集的过程中，PPA达到过规定数值，就能保证差分处理后所有的数据都能达到规定精度。保证卫星不失锁，这是一种采集数据的高效方法。但是如果在PPA数值达到需要的精度之前失锁，那么你需要重新采集卫星锁定之后记录的所有数据。3 H-Star后处理一个支持H-Star技术的接收机，应用集成的内置天线可以很快达到较高精度。如果应用Zephyr双频天线，后处理软件可以利用这些额外的测量数据更快的达到高精度。应用L1数据，后处理软件可以为电离层建模并估算电离层延迟。如果再增加L2数据，后处理软件能够直接测量出电离层延迟，并且可以消除这个显著的误差。后处理精度显著的依赖于所用基准站的数据质量，以及流动站和基准站的距离。为保证基准站的数据质量，Trimble提供了一系列Internet基准站数据提供商的名单，例如SOPAC和US Geodetic Surveys CORS等。这些名单在Trimble的后处理软件中自动提供以方便用户下载基准站数据。Trimble同时也为名单上的基准站数据进行数据完整性计算。3.1 基准站数据完整性Trimble通常会对每个基准站数据重新计算完整性参数，该参数作为基准站数据质量的好坏的一个指标。完整性参数较差的基准站数据只能提供较差的改正精度。数据完整性参数的取值范围从0到100，数值越大表示完整性越好。这些参数需要将许多特征项（偏离、精度和可靠性）与基线长度相结合进行计算。还有其他一些因素会影响基准站的数据完整性，例如工作站或Web服务器的故障，基准站天线损坏或移动。3.2 选择基准站在选择应用基准站数据时，通常选择距离流动站较近的、数据完整性较好的基准站。H-Star后处理允许采用多个基准站进行平均计算。这就使得长基线可以利用几个基准站的平均来缩短为短基线。使用多个基准站平均的方法与单基站观测相比，还可以减低大气误差，得到一个测点上空的大气状态的真实图景。但是聚集在一个方向的一组基准站对提高精度没有帮助。图7所示的是各个独立基准站的偏离情况，每组数据都聚集在不同的方位，但是经过基线平均计算后，数据精度有很大提高。第二幅图用加粗的笔画表现出多基线平均后的效果。为了优化解算结果，Trimble建议选择位置分布良好的、至少三个基准站数据提供商，每个都有很好的数据完整性。当然，在距离很近的情况下（2030km以内），选用单基站差分的结果也是非常可靠的。基准站与流动站距离越近，由于电离层效应引起的误差越小。 图8 所示的是当基准站距离流动站较近时，差分精度较好（较小的HRMS值）。当基准站远离流动站时，差分处理效果变坏。图中每个点均为同一个流动站文件，为双频数据，但是以距离不同的基准站数据进行差分改正后的结果。流动站文件包含40个位置，每个位置保持2分钟H-Star锁定时间，整个观测时间持续超过4小时。图中“low integrity index”点的精度明显较差，最可能的原因是接收机的质量问题，然而其它原因，例如天线位置不准确，基准站上空的大气条件恶劣，或者由于Web服务器故障的原因也未可知。由于多种坐标系混合使用也会导致误差。例如，如果由于没能将WGS-84坐标正确转换成NAD83坐标将导致1米左右的误差。因此，应该注意将后处理差分的GPS位置与基准站数据提供商的数据格式保持一致。Trimble基准站数据提供商的基准站位置均以ITRF00格式提供。ITRF00是GPS基准站位置的国际通用格式。但是任何基准站位置都应该被监测，因为基准站位置的任何变动都可能导致基准站数据与你现有的GIS系统不兼容。4 H-Star技术的特点与现存的其它替代技术相比，H-Star技术使用更为简单、花费更少。在Trimble H-Star技术之前，下列的几项技术同样能达到亚英尺级精度。l 测量型GPS系统：Trimble和其他厂家都可以提供的产品，这些系统可以应用RTK或PPK方式将测量精度提高到厘米级，远远超过传统GIS应用对定位精度的要求。由于精度过高，测量型GPS不适合亚英尺级应用。l 传统的载波相位GPS接收机：Trimble和其他厂家都可以提供。为了达到亚英尺级精度，传统的载波相位接收机需要保持卫星锁定很长时间。l OmniSTAR卫星差分服务：OmniSTAR的HP服务可以提供10cm的定位精度，但是需要专门的硬件设备，并且HP服务是需要每年缴费预定的，并且需要较长的申请时间。例如，应用Trimble AgGPS252接收机，需要30分钟的申请时间才能达到10cm精度。5 结论l H-Star技术将GPS数据质量的改善、灵活的外业软件和先进的后处理差分技术结合在一个功能强大的系统中，可以提供亚英尺级（30cm）精度。H-Star技术代表了GPS技术中的一次飞跃。与现有的解决方案相比具有显著的优越性。外业的简单操作使得外业人员可以在很短的时间内获取到高精度的定位，明显地提高了作业效率。l 为满足30cm厘米或更高精度，H-Star技术仅需要采集两分钟的数据与传统的载波相位接收机相比，这是一个极大的进步。