（农业经济管理专业论文）GPS技术在土地管理中的应用研究.pdf

摘要 0 土地是人类赖以生存的物质基础，土地资源对中国的发展至关重要。充分利用有限 的国士资源，有赖于政府高效和科学的管理与决策及国民对国土资源认识和珍惜。而这 些都必须建立在对国土资源的数量、质量和时空分布规律的全面掌握的基础上。 卫星定位技术( g p s ) 、航空和航天遥感技术( r s ) 、地理信息技术( g i s ) 、计算机网 络技术等空间科学技术和信息科学技术的发展及其相互间的集成与融合，促进了现代土 地管理工作向着自动化、智能化、科学化、网络化和现代化的方向发展，为国土资源信 息获取、处理和分析提供了全新的技术手段。) g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，在国民经济一些领域中得到了 广泛的应用。本文对g p s 技术在土地管理中的应用研究课题的一些技术前沿问题作了分 析和探讨。介绍了g p s 技术的概念、特点，概述了当今世界该技术的最新发展状况。阐 述了目前我国g p s 技术在土地资源管理中的应用状况，重点介绍了县( 市) 级土地利用 数据库建设的现状，分析其存在的主要问题；介绍了各种g p s 定位方法的概念、特点及 应用；研究设计了土地测量控制网的技术方案和g p s 技术获取高精度土地资源变化数据 的技术方案，指出了关键技术的实现方法：探索了g p s 技术在土地管理中其它方面的应 用。 本文所做的研究，为土地管理工作提供了一种科学的方法，符合信息时代对国土资 源科学管理和可持续发展战略的要求，有实用价值和推广价值。 关键词g p s ：土地管理；差分g p s tg p s 控剖网 n a p p l i e ds t u d yo fg p s t e c h n o l o g yi nl a n dm a n a g e m e n t a b s t r a c t l a n di sam a t e r i a lf o u n d a t i o nw h i c hh u m a ns u r v i v a ld e p e n d so r l ，a n dl a n dr e s o u r c e si sv e r y i m p o r t a n t f o rt h ec h i n ad e v e l o p m e n t t h ef u l lu s eo fl a n dr e s o u r c c s d e p e n d s o nt h e g o v e m m e n t e f f i c i e n ta n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n ta n dt h eu n d e r s t a n d i n ga n d t r e a s u r i n go f p e o p l e f o rl a n dr e s o u r c e s ，w h i c ha r ee s t a b l i s h e do nt h ef o u n d a t i o no f f u l l yu n d e r s t a n d i n gt h eq u a n t i t i e s ， q u a l i t ya n d d i s t r i b u t i o no f a n dr e s o u r c e s t h es p a t i a la n di n f o r m a t i o nt e c h n i q u e ss u c ha sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ，r e m o t e s e n s i n g ( r s ) ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) ，c o m p u t e rn e t w o r ke t ca n dt h e i r i n t e g r a t i o np r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fm o d e ml a n dm a n a g e m e n tt o w a r d sa u t o m a t i z a t i o n ， i n t e l l i g e n t i z i n g , s c i e n t i z i n g , n e t w o r k i n g , a n dm o d e r n i z a t i o n ，a n d o f f e rt h ei n f o r m a t i o n a c q u i r e m e n t ，p r o c e s s i n ga n da n a l y s i so f l a n d r e s o u r c e sn e w t e c h n i q u em e a n s g p si s w i d e l ya p p l i e di ns o m ef i e l d so ft h en a t i o n a le c o n o m yd u et o i t sf e a t u r e so fa l l w e a t h e rc o n d i t i o n ，h i g hp r e c i s i o n ，a u t o m a t i z a t i o n ，a n dh i g he f f i c i e n c y i nt h i sv a p e r ，s o m e t e c h n i q u ep r o b l e m si na p p l i c a t i o ns t u d yo fg p st e c h n i q u ei nl a n dm a n a g e m e n ta r ed i s c u s s e d a n da n a l y s e d t h ec o n c e p t i o na n df e a t u r eo fg p st e c h n i q u ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h el a s t d e v e l o p i n gs t a t u so f t h et e c h n i q u e i nt h ew o r l di ss u m m a r i z e d t h e p r e s e n ta p p l i c a t i o ns t a t u so f g p s t e c h n i q u e i nl a n dm a n a g e m e n ti se x p o u n d e d , e s p e c i a l l y , t h es t a t u so f e s t a b l i s h i n gl a n du s e d a t a b a s ef o r c o l i n t y ( c i t y ) l e v e li se m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d , a n di t sm a i np r o b l e m sa r ea n a l y s e d t h ec o n c e p t i o n , c h a r a c t e r i s t i c ，a n da p p l i c a t i o no fa l lk i n d so f p o s i t i o n i n gm e t h o d su s i n gg p s a r ei n t r o d u c e d n l et e c h n i q u es c h e m eo fl a n ds u r v e y i n gc o n t r o ln e t w o r ka n dt h et e c h n i q u e s c h e m eo f a c q u i r i n gh i g ha c c u r a c yd a t ao f l a n dr e s o u i c e su s i n gg p s t e c h n i q u er r ed e s i g n e d ， a n dt h er e a l i z a t i o nm e t h o do f k e y t e c h n i q u ei si n d i c a t e d t h ea p p l i c a t i o no f g p st e c h n o l o g yi n o t h e rf i e l d so f l a n d m a n a g e m e n t i sd i s c u s s e d 、t h es t u d yi nt h ep a p e ro f f e r sl a n dm a n a g e m e n tw o r kas c i e n t i f i cm e t h o d a c c o r d sw i 也t h e r e q u i r e m e n t so f i n f o r m a t i o na g et ot h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to f l a n dr e s o u r c e sa n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n ts t r a t e g y , a n dh a sh i g h e rp r a c t i c a la n ds p r e a dv a l u e p o s t g r a d u a t e ：l ix i u h a i ；m a j o r ：a g r i c u l t u r a le c o n o m i cm a n a g e m e n t s u r p e r v i s o r ：p r o f h o us h u t a o k e y w o r d sg p s ；l a n dm a n a g e m e n t ；d i f f e r e n t i a lg p s ；g p sn e t w o r k 1引言 土地是十分宝贵的资源和资产，是社会经济可持续发展的基本条件，是人类生存和 发展的重要基础，土地问题与土地管理已成为当今世界令人瞩目的重大社会经济课题( 陆 红生等，2 0 0 0 ) 。中国是一个人多地少的国家，随着人口的不断增长，有限的土地资源和不 断增长的人口之间的矛盾愈来愈突出，能否充分合理地利用有限的土地资源，对中国的经 济发展至关重要，而土地资源的合理利用必须建立在对国土资源的数量、质量和时空分布 规律的全面掌握的基础上，以及政府高效和科学的管理与决策。 全球卫星定位技术( g p s ) 、航空和航天遥感技术、地理信息技术、计算机网络技术 等空间科学技术和信息科学技术的发展及其相互闯的集成与融合，为土地管理工作的自 动化、智能化、科学化、网络化和现代化奠定了技术基础和物质基础，为国土资源信息 获取、处理和分析提供了全新技术手段和方法改变传统的土地管理模式，建立适应新 形势下土地管理工作的方法和手段在技术上已成为可能。建立土地利用动态管理信息系 统对于维护土地的社会主义公有制，保护、开发土地资源，合理高效的利用土地，提高 土地资源科学管理，实现土地资源管理现代化具有重要意义，也是土地管理工作必然的 趋势。土地利用数据库是“数字国土”工程的重要内容，它记载的是人类赖以生存的土 地利用状况，随着人类经济活动的开展，势必会造成土地利用状况的改变，为了保持数 据库成果的现势性，必须选择快捷有效的方式来更新数据库，以实现真正意义上土地利 用数据库的动态监测与管理。土地利用数据库又是一个支持政府决策的基础信息库，承 担着一定的法律责任，这一点决定了必须建立一个准确无误的数据库。g p s 技术以全天候、 高精度、自动化、高效益、快速、实时等显著特点，为土地利用数据库提供一种准确可 靠的数据源；为保持土地利用数据的现势性，g p s 技术与遥感技术、地理信息系统技术集 成，将对实时更新土地利用数据库发挥重要作用。在土地管理工作中，获取土地资源的 定量信息，是一项经常性的重要基础工作。而如何实时、快速、高效、可靠地获取土地 资源的定量信息，是土地管理工作尚需研究的课题。 近年来有关g p s 技术在土地管理中的应用文章见诸于一些文献，如尤淑撑。刘顺喜的 “g p s 在土地变更调查中的应用”、高秋华的“土地利用数据库建设与管理中3 s 集成与 应用”等学术论文，这些文献的作者从不同的方面研究了g p s 技术在土地管理中的应用， 有一定的实践价值和理论意义 本文主要根据当今世界g p s 技术的的最新发展状况、发展趋势，结合目前我国g p s 技 术在土地资源管理中的应用状况，探索研究g p s 技术在土地管理中建立土地测量控制网 和获取高精度土地资源变化数据的技术方法，目的为快速、可靠、高效地获取土地资源 的定量信息，实时更新县级土地利用数据库，提供一种行之有效的技术手段和方法。 东北农业大学管理学硕士学位论文 曼毫e 曼皇曼皇詈辜詈鼻皇群皇鼻皇量鼍曼葛曼鼍曼皇曼喜皇掌毫墨詈寰皇篁詈薯詈e | 皇鼻量鲁摹墨高詈皇署皇暑墨量詈鼍曼鼍量i | 詈_ 鼍皇暑鼍 2 g p s 技术在土地管理中的应用现状 全球定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 以全天候、高精度、自动化、高 效益等显著特点，在国民经济一些领域中得到了广泛的应用。在土地管理工作中的应用 及应用研究还处于初级阶段，随着g p s 定位理论和定位技术的不断完善与发展，g p s 技术 会在土地管理工作中发挥它巨大的潜力，产生良好的经济效益和社会效益。本部分扼要 介绍g p s 系统的构成、特点及在一些领域中的应用，也简单介绍与本研究密切相关的地 理信息系统g i s ( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、遥感r s ( r e m o t es e n s i n g ) 技术 的概念及它们的结合的应用，阐述我国目前g p s 技术在土地管理中的应用现状和存在的 问题。 2 1 全球定位系统g p s 技术概述 g p s 系统是由美国国防部的陆海空三军在7 0 年代联合研制的新型卫星导航系统，它 的英文名称是“n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ”。其意为“卫星测时测距导航全球定位系统”，简称g p s 系统( 徐绍铨等，2 0 0 1 ) 。 全球定位系统g p s 研制历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成。利用导 航卫星进行测时和测距，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新 一代卫星导航与定位系统。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。 如今，g p s 已经成为当今世界上应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。 2 1 1g p s 系统的组成 g p s 系统主要包括有三大组成部分即空间星座部分，地面监控部分和用户设备部分。 2 1 1 1 空间星座部分 由2 l 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，均匀分布在6 个轨道平面 内，轨道平面相对于赤道平面的倾角为5 5 0 ，各个轨道平面之间交角6 0 0 。每个轨道平面 内的各卫星之间的交角9 0 0 ，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星 超前3 0 0 。 在2 0 0 0 0 k m 高空的g p s 卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时位于 地平线以上的卫星数量随着时间和地点的不同而不同。最少可见到4 颗，最多可见到1 l 颗。利甩g p s 信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测4 颗以上g p s 卫 星，称为定位星座。这4 颗卫星在观测过程中的几何位暨分布对定位精度有一定的影响。 2 1 1 2 地面监控部分 g p s 工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站 和五个监测站组成。对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点，卫星的位置是依据卫 星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的每颗g p s 卫星所播发的星历， 2 ，。，。：。墼! 垫垄耋圭坚塑幽塑塑垒，。，。，。， 是由地面监控系统提供的卫星上的各种设备是否正常工作。以及卫星是否一直沿着预 定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。 地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同时间标准c p s 时间系统。这 就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星卫星再 由导航电文发给用户设备。g p s 的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导 航和定位的基础，均为美国所控制。 2 1 1 3 用户设备部分 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。g p s 信号接收机的任务是：能够捕获到 按定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行。对所接收到 的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时 间。解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速 度和时间，最终实现利用g p s 进行导航和定位的目的。研究g p s 在定位中的应用主要是 该系统的用户设备部分。在此，这里简单介绍g p s 接收机的种类及其功能。 按接收机的用途分类： 1 导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类 接收机一般采用c a 码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为_ + 2 5 m ，有s a 影响时 为l o o m 。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以 进一步分为：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型一 一用于飞机导航定位；星载型用于卫星的导航定位。 2 测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量这类仪器主要采用载波相位 观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。 3 授时型接收机 这类接收机主要利用g p s 卫星提供的高精度时间标准进行授时。 按接收机的载波频率分类： 1 单频接收机 单频接收机只能接收l l 载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消 除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线( 2 0 k m ) 更明 显外业观测条件包括测站净空条件、受多路径误差影响的大小、卫星天空分布和卫星 数的多少。理论和实践表明，这些条件对g p s 观测的精度的影响非常大，接收机天线上 空没有遮挡，多路径误差影响小，可观测卫星数比较多且p d o p 或g d o p 值较小，观测精 度就高；反之，则较低观测时间长比短精度高 在九十年代初，我国利用g p s 静态相对定位技术建立了国家a 级g p s 控制网，该网 最短边8 6 雕，最长边1 6 7 7 k m ，平均边长约8 0 0 k m ，边长相对精度一般优于l 1 0 一，点位 精度达厘米级笔者在九六年利用该项技术在佳木斯市成功地建立了四等g p s 控制网， 该网由1 4 个点组成，平均边长2 k m ，经平差计算，点位最大误差1 3 8 c m ，最小误差0 3 7 c m ， 平均点位精度0 5 6 c m ，达到了较高的精度( 李秀海，1 9 9 7 ) 。 表3 - 2g p s 与m e 5 0 0 0 所测边长比较表 t a b l e3 2c o m p a x i s o no fd i s t a n c es u r v e y e db yg p sa n dm e 5 0 0 0 边名s 粥( m )s t 蜘( m )a s ( m m ) 2 - 34 6 6 2 4 4 14 6 6 2 4 4 30 2 2 46 5 2 8 6 0 96 5 2 8 6 1 40 5 4 56 4 2 6 6 4 76 4 2 6 6 4 3+ 0 4 2 - 57 4 8 6 7 8 57 4 8 6 7 8 8一o 3 i - 51 3 1 3 4 7 4 21 3 1 3 4 7 4 50 3 l 一41 1 7 8 1 1 2 51 1 7 8 1 1 2 4+ o 1 3 53 5 9 9 4 3 83 5 9 9 4 4 00 2 1 25 8 2 6 5 1 05 8 2 6 5 0 7+ o 3 3 - 43 5 9 8 9 4 23 5 9 8 9 3 7+ 0 5 g p s 静态相对定位测量究竟能达到怎样的精度水平，原武汉测绘科技大学进行了精心 2 4 g p s 定位理论和定位技术 的试验。在某山区布设了精密工程控制网，控制网由5 个点组成，每点设有强制对中装 置，最长边为1 3 1 3 m ，最短边7 0 1 m 。先用h e 5 0 0 0 测距仪( 毫米级精度) 测边，用t 3 经纬 仪测角，然后用双频g p s 接收机观测，时段长为2 小时，精密星历解算。经平差计算， 求得g p s 所测边长，和m e 5 0 0 0 测得边长比较如表3 - 2 所示( 徐绍铨等，2 0 0 1 ) 。 通过计算，边长较差的中误差为0 3 4 m m ，因此，g p s 观测的精度基本上达到了现在 精密测量仪器的精度。 3 4 3 快速静态定位 快速静态定位仍属于静态定位，它是在接收机软件的支持下，能够缩短静态定位的 时间，而精度接近于前面的静态定位的精度。静态相对定位，是把整周未知数作为待定 参数，在平差计算中和其它未知参数一并解算。为了提高解的可靠性，需要较长的观测 时间。实践证明，如果能够准确可靠地确定整周模糊度，再延长观测时间对精度的提高 并没有太大的益处，因此，研究整周未知数的快速解算曾是人们研究的一个热点问题。 1 9 9 0 年e f r e i 和g b e u t l e r 提出的快速解算整周未知数方法( f a s ta m b i g u i t y r e s o l u t i o na p p r o a c h f a r a ) 是极有代表性的一种算法，应用也最广泛。这种方法的基 本思想是，以数理统计理论的参数估计和假设检验为基础，利用初始平差的解向量及其 精度信息，确定在某一置信区间，整周未知数可能的整数解的组合然后，依次将整周 未知数的每一组合作为已知值，重复地进行平差计算。其中使估值和验后方差最小的一 组未知数，即为所搜索的整周未知数的最佳估值。 快速静态相对定位的作业方法是在测区中部选择一个基准站( 参考站) ，并安置一台 接收机，连续跟踪所有可见卫星，流动站接收机依次到所测的各点流动设站，每个流动 站上，静止观测数分钟，在观测中必须跟踪4 颗或4 颗以上卫星，接收机在流动站之间 移动时，不必保持对所测卫星的连续跟踪。该模式作业速度快，精度较高。流动站与基 准站之间的距离一般不超过1 5 k m ，所测基线精度( 5 一l o ) m m + l p p m 0 。 该种作业模式适用于小范围的控制测量、工程测量，尤其在土地管理中可用于边界 测量和地籍控制测量等。 3 5 动态相对定位法 静态g p s 相对定位法可以获得较高的精度，适用于一些要求较高精度的测量，但由 于观测时间长，工作效率低，对于一些要求不太高精度的定位，其应用受到了一些限制。 动态相对定位法受到了人们的重视 3 5 1动态相对定位法概述 动态相对定位法，是用一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安设在运 动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，以确定运动点相对于基准站的位置。动 态相对定位法，根据其采用的观测量不同，通常可分为以伪距为观测量的动态相对定位 2 5 和以载波相位为观测量的动态相对定位。伪距动态相对定位的精度可以达到米级至分米 级，而以载波相位为观测量的实时动态相对定位( r e a l t i m e k i n e m a t i c ) r t k 技术，目前 在较小的范围内( 例如小于2 0 公里) ，获得了成功，其定位精度达1 2 厘米。 动态相对定位中，根据观测数据处理的方式不同，通常可分为实时处理和测后处理。 数据的测后处理( 也称后差分) ，是观测工作结束后，通过数据处理而获得定位结果。这 种处理数据的方法可以对观测数据进行详细的分析，易于发现出粗差，也不需要实时地 传输数据，节省了购置设备的费用。数据的实时处理要求在观测过程中实时地获得定位 结果，但在流动站与基准站之间，必须实时地传输观测数据，需要数据传输系统( 数据 链) ，从而增加了用户的设备投资。 3 5 2 伪距动态相对定位 对于测后数据处理的动态相对定位，非常适合于土地的边界测量和土地的变更测量， 大部分的g p s 接收机均有此种定位方式，且价格低廉。 3 5 2 1 测后数据处理的伪距动态相对定位原理 后处理的伪距动态相对定位一般采用伪距观测量的单差或双差模型。 伪距观测量的一般形式可写为 p f = p f ( t ) + c 6 6 ( t ) c 剐( t 卜f ，l g ( t ) + f ，t ( o( 3 2 1 ) 将移动站t i ( t ) 与基准站t i 的同步观测量求差，可得单差模型： p l = p g ( t ) - p l ( t ) + c ( 6 6 ( t ) 一6 t l ( t ) ) + 【f ，1 s ( i ) 一a i j , i g ( t ) 】+ 【，t ( t ) 一，m ) 】 ( 3 - 2 2 ) 当移动站t i ( t ) 与基准站t t 相距不太远时，可以认为大气层和电离层误差对移动站与 基准站的伪距影响相同，即有 f ，1 b ( t ) 2 l ，l g ( t ) ；f ，t ( t ) = a i j , t ( o 故单差模型可简化为： p l = p f ( t ) 一p , j ( t ) + c a t ( t )( 3 2 3 ) 式中：a t ( t ) = 6 d ( t ) 一6 n ( t ) 伪距观测量的双差模型可由单差模型导出为： v a p 。= p i ( t ) p ，( t ) p l k ( t ) + p , j ( t ) ( 3 _ 2 4 ) 3 5 2 2 实时差分r t d 定位 对于一些运动目标的导航，需实时地确定运动目标的的位置在土地管理中，放样土 地权属界线时能实时地定位是非常方便的。目前。g p s 实时定位r t d ( r e a lt i m e d i f f e r e n c e ) 技术( 以伪距为观测量) 得到了广泛的应用实时定位r t d 技术的流动站 与基准站之间，需要数据传输系统( 数据链) ，实时地传输g p s 基准站计算的差分改正信 息 根据差分g p s 基准站发送的信息方式可将差分g p s 定位分为三类，即：位置差分、 伪距差分和相位差分这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正 数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发 2 6 送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。现介绍位置差分原理和伪距差分 原理，有关载波相位差分原理将在r t k 技术中介绍。 1 位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种g p s 接收机均可改装和组成这种差分系统。 安装在基准站上的g p s 接收机观测4 颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。 由于存在着轨道误差、时钟误差等误差的影响，解算出的坐标与基准站的已知坐标存在 差异。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站 坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，提 高了定位精度。位置差分法适用于用户与基准站间距离在1 0 0 k i n 以内的情况。 2 伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术，几乎所有的商用差分g p s 接收机均采用这种 技术。 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的 测量值加以比较。利用一个滤波器将此差值滤波并求出其偏差，然后将所有卫星的测距 误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪 距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。 与位置差分相似。伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加 又出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离 对精度有决定性影响。 3 5 3 载波相位差分r t k 技术 35 31 载波相位差分r f k 技术 高精度的g p s 测量必须采用载波相位观测值，r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 定位技 术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标 系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在r t k 作业模式下，基准站通过数据链将其 观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数 据，还要采集g p s 观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米 级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定 点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完 成整周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理。 与伪距差分原理相同由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同 传送给用户站。用户站接收g p s 卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，组成相位差 分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。 3 5 3 2 r i k 技术的数据传输技术 r t k 技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，r t k 定位时要求基准站接收机 实时地把观测数据( 伪距观测值，相位观测值) 及已知数据传输给流动站接收机，在无 2 7 东北农业大学管理学硕士学位论文 线电上不难实现。差分g p s 定位系统是由一个基准站和多个用户台组成。基准站与用户 台之间的联系即由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段是靠数据链完成的。数 据链由调制解调器和电台组成。调制解调器( m o d e m ) 是将改正数进行编码和调制，然 后输入到电台上发射出去。用户台将其接收下来，并将数据解调后，送入g p s 接收机进 行改正。电台是将调制后的数据变成强大的电磁波辐射出去，能在作用范围内提供足够 的信号强度，使用户台能可靠地接收。发射频率和辐射功率的选择是数据链的重要问题， 它视作用距离而定。 3 6 局域差分和广域差分g p s 技术 3 6 1 局域差分l a d g p s 技术 局域差分l a d g p s ( l o c a la r e ad g p s ) 是在局部区域内布设一个g p s 差分网，网内由若 干个差分g p s 基准站组成，通常还包含至少1 个监控站处于该局域内的用户可根据多 个基准站提供的改正信息，经平差后求得自己的改正数( 刘经南等，1 9 9 9 ) 。伪距l a d g p s 实时定位误差约为3 1 05 1 0 x 1 05 ，作用距离一般在2 0 0 3 0 0 k m 。 36 1 1 l a d g p s 系统的构成 1 基准站 作为l a d g p s 的基准站应有优于1 m 精度的三维地心坐标，以此作为用户差分定位计 算的参考基准。l a d g p s 中的基准站至少应配置双频的能提供( 伪距或相位) 差分信息的 g p s 接收机，以及与之匹配的自动气象记录仪。 2 用户站 用户站可以是单频或双频g p s 接收机，但都应具备接收差分信号和调制解码的功能。 3 数据通信链 要将基准站的差分信号传输至用户站，需要数据通信链进行连接数据通信链包括 差分信息调制编码器、差分信号播发器、差分信号接收器、差分信号调制解码器等四部 分。目前商用的g p s 数据通信链往往采用v h f ( 频率为3 0 m h z 3 0 0 m h z ) 或i j f f f ( 频率为 3 0 0 m h z 3 g h z ) 的小型发射机和接收机，这对局部的和临时性的g p s 作业比较合适，但 其作用距离往往受到天线架设高度和发射功率等限制，有效作用距离一般只能达到1 5 4 0 k m 。若考虑l a d g p s 系统持续工作的话，则目前往往将数据通信链和广播电台中的调频 台结合起来，这样用户就可以持续、方便地获得l a d g g p s 信号播发差分信号时，只占 用了广播电台中调频信号基带的高于5 3 k h z 的部分频率( 副载波) ，因此不影响和干扰调 频台的正常播音质量。播发l a d g p s 差分信息的更新率一般要1 5 秒 3 6 1 2l a d g p s 的应用 l a d g p s 的应用，主要有下列两个方面： 1 在局部地区建立控制网 2 在局部地区提供较高精度的实时导航和定位服务 2 8 我国首批建成的沿海无线电指向标差分全球定位系统( r b n d g p s ) 天津海监局北塘 指向标站等北方4 个台站，已正式开放使用，为海上公众无偿提供高精度定位服务。 r b n d g p s 是一种利用无线电指向标播发台，播发全球卫星定位系统修正信息，向用户提 供高精度服务的助航系统。其作用距离大于3 0 0 公里，定位精度优于5 米，距离越近精 度越高。首批建成的大连、秦皇岛、天津、青岛等4 个台站实现了信号交叉覆盖，d g p s 信号可覆盖渤海、黄海北部海域并使北纬3 5 度以北沿海水域形成r b n d g p s 航标链。 r b n d g p s 系统可广泛用于航海、测绘、渔业、引航、救助、海上交通管理、海洋资 源调查、海洋油田开发、海洋工程等行业。用户配备一台r b n 接收机，即可利用r b n d g f s 台站播发的信息实现海上导航和定位。交通部在“九五”期间陆续建立了r b n d g p s 系统， 形成全国沿海水域的d g p s 信号覆盖网。 3 6 2 广域差分w a d g p s 定位技术 3 6 2 1 广域差分g p s 的基本思想 广域差分w a d g p s ( w i d ea r e ad g p s ) 技术的基本思想是对g p s 观测量的误差源加以 区分，并对每一个误差源分另 j j j n 以“模型化”，然后将计算出来的每一个误差源的误差修 止值( 差分改正值) ，通过数据通讯链传输给用户，对用户g p s 接收机的观测值误差加以 改正，以达到削弱这些误差源影响，改善用户g p s 定位精度的目的。因此w a d g p s 既削弱 了l a d g p s 技术中对基准站和用户站之间时空相关性的要求，又保持了l a d g p s 的定位精 度( 刘经南等，1 9 9 8 ) 。在w t 1 ) g p s 系统中，只要数据通信链有足够能力，基准站和用户 站间的距离原则上是没有限制的。 3 6 2 2 w a d g p s 系统的基本构成 1 卫星跟踪站 对卫星跟踪站的要求是必须精确知道该站址的三维地心坐标，其点位精度应不低于 0 2 m 。跟踪站还应配备原子钟、能测定电离层时间延迟的双频g p s 接收机、自动气象记 录仪等。跟踪站的任务是将其原始伪距观测数据、气象数据和当地电离层时间延迟改正 等各类数据实时地或准实时地传输至主控站，其中伪距观测数据主要用来计算卫星钟差， 一般要求1 秒钟一个采样，因而1 秒就应传输一组观测数据为了使主控站能正确算出 这三项差分改正，至少需要三个跟踪站。但为了改善计算结果的精度和进行检核，一般 在w a d g p s 系统中，跟踪站个数不低于4 6 个。 2 主控站 在w a i ) ( ；p s 系统中最关键的是主控站。它通过数据通信网络接收各跟踪站传输的g p s 伪距观测值和电离层时问延迟改正值，结合本站相应的g p s 数据，计算出三类广域差分 修正值，即计算每一颗g p s 卫星的星历该正、钟差改正和电离层时间延迟改正的参数， 然后通过数据通信网络将这些差分信息传输给差分信息播发站 3 差分信息播发站和数据通信网络 w a d g p s 的数据通信网络和l a d g p s 的数据通讯链的主要区别在于多了跟踪站与主控 2 9 东北农业大学管理学硕士学位论文 站之间的数据通讯主控站或播发站的数据传输和播发、数据通讯中的编码器和用户的 解码器的功能都和l a i ) g p s 类似。但由于该系统要求覆盖面广，传输的信息量大，因此 w a d g p s 中的跟踪站至主控站的数据传输和播发站向用户站的差分信息传输，常常须选用 长波、卫星通讯等显而易见，w a d g p s 系统中的数据通讯具有数据量大、速度要求快、 通讯距离长、覆盖面大的特点。因此数据通讯网络是w a d g p s 技术中最为复杂，投资最为 昂贵的部分。 3 7 g p s 网络r t k 技术 g p s 网络r t k 技术也称( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ，v r s ) 虚拟参考站技术，它 的出现标志着高精度g p s 的发展进入了一个新阶段，也意味着测绘作业方式变革时代的 剑米。g p s 网络r t k 技术结束了以前g p s 作业各自分散的局面和在稳定性方面的欠缺，进 一步提高了定位精度，扩大了g p s 的作业范围和应用领域，使得精度和可靠性有了进一 步的保障。由于建立g p s 网络的成本已有较大降低，随着v r s 系统发展的日趋完善，它 必将在建设“数字国土”工程中发挥越来越重要的作用。 3 7 1 v r $ 系统主要组成部分 v r s 系统包扩三部分：系统控制和地理信息数据处理中心；固定参考站( 固定的g p s 接收系统) ；接收机部分。 1 v r s 系统控制和地理信息数据处理中心。它是整个v r s 系统的核心，既是通讯 控制中心：又是数据处理中心。控制中心一方面通过通讯线( 光缆、i s d n 或电话线) 与 所有固定参考站建立通讯；另一方面通过无线网络( g s m 、c d m a 或g r p s ) 与移动用户实 现通讯。它依靠计算机实时系统来控制整个系统的运行。 2 v r s 系统固定参考站它是分布在整个v r s 网络中的基准站，整个系统的基准站 数不得少于3 个目前站与站之间的距离可达7 0 k m ( 传统高精度g p s 网络，站间距离不 过l o 2 0 k m ) 。固定站与控制中心之间通过通讯系统相连，数据实时地传送到控制中心。 3 基础地理信息采集以及提供广大用户服务的接收机部分它就是用户的接收机， 加上无线通讯的调制解调器。根据不同需求，放置在不同的载体上。如：汽车、飞机、 农业机器等测量工作者可以背在肩上进行作业。接收机接收控制中心的差分信号，便 可得到厘米级的位置信息即基础地理信息数据。 3 7 2 v r s 工作原理 在使_ h jv r s 网络时，各固定参考站并不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将 所有的原始数据通过数据通讯发送给控制中心移动用户在工作前，先通过g s m 的短信 息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心在收到这个位置信息后，便根据用户位 置由计算机自动选择一组固定基准站，整体地改正g p s 的轨道误差以及电离层、对流 层引起的误差，在将高精度的差分信号发给移动站这个差分信号的效果相当于在移动 3 0 站地旁边，形成一个虚拟的参考基站，以保证用户的精度要求( 李征航等，2 0 0 2 ) 。 v r s 系统是g p s 实时动态定位技术和数据通讯技术等高科技的进步发展，是一种g p s 的多基站技术，它在数据处理上充分利用了多个参考站的联合数据的多基站的算法。 3 8 高精度全球差分g d g p s 技术 实现高精度全球差分g p s 已成为当前g p s 研究的一大课题由美国国家航空与航天 局( n a s a ) 喷气推进实验室开发的新型全球差分g p s ( g d g p s ) 系统实现t x x 频g p s 接收 机的无缝全球实时定位，精度优于2 0c m ( 高建新，2 0 0 2 ) 。本部分以美国喷气推进实验 室的研究为例，介绍其基本内容、技术路线及关键技术。 3 8 1 g d g p s 系统构成 g d g p s 结构和设计原则是状态一空间方法。它精确模拟g p s 卫星的轨道，主要的估计 参数是卫星历元状态，确保修正过程是全球的、均匀有效的。 g d g p s 系统特别适合于双频接收机用户，双频接收机能有效地消除电离层误差。对 g p s 星历和时钟误差，采用由大约1 2 个分布均匀的基准站构成的全球网，实时计算差分 修正值并分发给用户。 美国航空与航天局的全球g p s 网络是由大约5 0 个双频g p s 测地基准站组成的全球网 络，它是国际服务的g p s 网络的组成部分。来自全球g p s 网络的数据通常以分批模式下 载，它可以支持数据等待时间要求很低的各种n a s a 任务。n a s a 的全球g p s 网络正在进行 更新。以便通过开放式i n t e r n e t 提供实时g p s