（地图制图学与地理信息工程专业论文）基于虚拟参考站技术的高精度移动定位技术研究.pdf

摘要 摘要 位置信息服务( l b s ) 是最具有发展潜力的移动增值业务之一，而定位技术 又是其关键技术之一。目前采用的定位方式需要的成本大，推广范围小。网络 r t k 定位技术可提供实时、动态、高精度的g p s 定位值，该方法具有定位精度 高、可靠性强、覆盖面积广等优点，这为l b s 提供了强有力的定位手段。因此 开发基于网络r t k 定位的移动终端系统对于l b s 技术的发展具有重要的意义。 本文以实现网络r t k 定位终端系统研究为目标，以网络r t k 技术虚拟 参考站技术( v r s ) 为依托，在p d a 平台上以n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 为开发环 境，对定位中的通信技术、解码技术及其定位技术进行了较为系统的研究。 首先总结了目前移动定位采用的方法，对网络r t k 的发展历程、国内外的 研究现状等进行了阐述。介绍了虚拟参考站技术的原理和组成，对同济校园v r s 站的建站及其g p s n e t 软件发布r t c m 数据的设置进行了说明。 其次对通信链路技术进行研究，包括串口通信技术和网络通信技术。重点 对通信协议进行分析，其中包括s i r f 二进制协议、n m e a 0 1 8 3 十进制协议、 n t r i p 协议、r t c m 2 x 协议和r t c m 3 x 协议。针对不同协议，提出不同的解码 方法，并且编制了实时解码程序，通过与商业软件的对比，对实例数据进行了 验证。 再次总结了动态定位的数学模型，对解码参数在动态模型上的应用进行了 说明。在此基础上提出了基于v r s 技术的移动定位的软硬件架构。同时以苏州 工业园区测绘中心建立的v r s 网络为资源，在苏州工业园区内对移动定位模型 进行了实例测试，通过对实例测试数据的分析及其后处理，提高了定位的精度。 最后对于本文的工作进行了总结，对未来的工作进行了展望和规划。 关键字：移动定位、虚拟参考站技术、s i r f 、r t c m 、伪距差分 a b s t r a c t a b s t r a c t l o c a t i o nb a s e ds e r v i c ei st h em o s td e v e l o p m e n tp o t e n t i a lo fm o b i l ev a l u e a d d e d s e r v i c e p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fl b s a tp r e s e n t , t h e a p p r o a c h e so fp o s i t i o n i n gr e q u i r et h el a r g ec o s t , a n dc a nn o ts p r e a d h o w e v e r , t h e t e c h n o l o g yo fn e t w o r kr t kc a np r o v i d er e a lt i m e ，d y n a m i ca n dh i g hp r e c i s i o ng p s p o s i t i o n i n gr e s u l t s t h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e sa st h a tt h eo p e r a t i o na r e ai s l a r g e r , a n dt h ep o s i t i o n i n gc o o r d i n a t e sa r em o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l e ，s oap o w e r f u l l p o s i t i o nm e t h o di sp r o v i d e df o rl b s t h e r e f o r e ，t h ee x p l o i t a t i o no fm o b i l et e r m i n a l p o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e dn e t w o r kr t k i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f l b st e c h n o l o g y i no r d e rt oa c h i e v et h er e s e a r c ho fn e t w o r kr t kp o s i t i o n i n gt e r m i n a ls y s t e m , w h i c hr e l y so nn e t w o r kr t kt e c h n o l o g y ( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ) a n dt h e n e t c o m p a c tf r a m e w o r ke n v i r o n m e n ti np d ap l a t f o r m t l l i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so n s y s t e m a t i c a l l ys t u d y i n g o nt h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e d e c o d i n ga n d p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y , s o m em o b i l ep o s i t i o n i n gm e t h o d sa r es u m m a r i z e d , t h ed e v e l o p m e n t p r o c e s so fn e t w o r kr t ka n dt h ei n l a n da n do v e r s e ar e s e a r c ha r ed e s c r i b e d , a n dt h e t h e o r ya n ds t r u c t u r eo fv r sa r ei n t r o d u c e d , t h ep r o c e s st h a tr t c md a t aa r e d i s t r i b u t e db yg p s n e ti se x p l a i n e d s e c o n d l y , t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi n c l u d e ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i sr e s e a r c h e d t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sa r ef o c m e d ，w h i c hi n c l u d es i r f b i n a r yp r o c t o c o l ， n m e a 018 3 p r o t o c o l ，n t r i pp r o c t o c o l ，r t c m 2 x p r o c t o c o l ，r t c m 3 x p r o c t o c 0 1 t h ed i f f e r e n td e c o d i n gm e t h o d sa r ep u tf o r w a r dt od i f f e r e n tp r o c t o c 0 1 m e a n w h i l et h er e a lt i m ed e c o d i n gp r o g r a m m e sa r ec o m p i l e da n dv e r i f i e db ye x a m p l e d a t ac o m p a r et ot h eo t h e rc o m m e r c i a ls o f t w a r e t h i r d l y , t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef l a m eo fm o b i l ep o s i t i o n i n gb a s e do nv r si s b r o u g h tf o r w a r do nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gt h ed y n a m i cp o s i t i o n i n gm o d e l a b s t r a c t m e a n w h i l ea c c o r d i n gt ot h ed a t ac o l l e c t e df r o ms u z h o ui n d u s t r i a lp a r k ，t h em o d e li s a u t h e n t i c a t e d t h e n , t h ee x a m p l e so ft e s td a t aa r ea n a l y z e da n dp o s t - p r o c e s s e d ，w h i c h c a ni m p r o v et h ep o s i t i o n i n g a c c u r a c y i nt h ee n d ，t h em a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e di nt h el a s tc h a p t e r , a n dt h eo u t l o o k f o rf u t u r ew o r ki sa l s om a d e k e yw o r d ：m o b i l ep o s i t i o n i n g ，v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n , s i r e , r t c m ，p s e u d o r a n g e d i f f e r e n t i a l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 移动定位的概述及其现状 位置信息服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，l b s ) 是一种根据用户的位置信息( 经 纬度坐标) ，在地理信息处理平台的支持下，提供与位置和方向相关的安全、收 费、信息、跟踪等服务的无线信息增值服务。1 9 9 6 年，美国联邦通信委员会 ( f c c ) 要求移动运营商为用户提供紧急求助服务，此服务命名为e 9 11 。并且以 法律的形式规定了运行商为9 1 1 用户提供定位服务的精度。此后，德国、法国 等国家纷纷推出具有特色的商业化位置服务，欧盟也于2 0 0 3 年1 月1 日开始实 行“u sf c c 标准，来满足位置服务的需求圆。 l b s 技术的关键是移动定位技术，它是提供增值服务的根据和前提。目前 移动定位技术根据其定位的方式可以分成嘲：基于网络的定位技术、o 基于移 动终端的定位技术、o 基于网络和移动终端的混合定位技术。 基于网络的定位主要是依靠网络系统收集待定位移动终端的信息并且计算 该移动终端的当前位置旧。其依赖无线射频信号的传播时间、传播特性和传播路 径。由于上述信息的不确定性，导致定位精度很低。其采用的主要定位技术有 小区识别( c e l l i d ) 技术、到达时间n 达时间差( t o a t d o a ) 技术，到达角度 ( a o a ) 技术等。 基于移动终端的定位是指移动终端可以自行确定当前位置，而不需要借助 其它的网络方式嗍。这种技术定位精度虽然提高，但是需要对手机的软、硬件进 行改造，成本高。代表技术包括：全球定位系统( g p s ) 技术和增强型观测时间 差( e o t d ) 定位技术。 混合定位技术的典型代表是辅助全球定位系统( a g p s ) 技术，这种定位方 式实质上是一种由具有g p s 模块的通讯终端与具有定位解算功能的通讯基站服 务器进行联合定位嘲。它提高了定位的灵敏度和初始化时间，实现g p s 卫星遮 挡严重环境下的定位，但此种定位方式所需的成本高。 基于位置服务主要提供以下的服务：1 、紧急救援。2 、跟踪导航。3 、位置 广告。4 、兴趣点( p o i ) 查找。5 、交通监控服务。6 、最佳路由服务。7 、亲友 第1 章绪论 定位等等。这些应用得到推广的前提是定位，故定位成本的降低对于l b s 是个 迫切但亟待解决的问题。 1 2g p s 定位 全球定位系统( g p s ) 可以在全球范围内为用户提供全天候不间断的定位服 务。根据刘经南院士忉对g p s 定位技术的分类，总结其发展历程，可以将其分 为四个阶段( 参见图1 1 ) 。第一代是码伪距单点定位和伪距载波相对差分定位； 第二代为广域差分定位和常规r t k 定位；第三代为精密单点定位和网络r t k 定 位；第四代为全球r t k 定位。随着g p s 理论的不断完善、导航定位技术的传统 界限将变得模糊，各种方法互相融合，趋向统一。 发展阶段绝对定位 相对定位 l 伪距差分定位 第一代码伪距单点定位 d g p s s p s 载波静态相对定位 j。-，。 i 广域差分定位l 第- - t 弋 1r -。-，1。-r_r_ 二l 三三口t 高i 1 常规r t kh 精密单点定位 第三代 - 1 阳殆k ll l p p p ， ， j j 。一，i 一 第四代 一l 工卟“1 “ l 一 图1 1g p s 技术发展阶段图 1 2 1 常规r t k 常规r t k 指的是由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息传 送给用户，用户接收g p s 卫星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，定位精度能够达到厘米级陋1 。该技术也存在不足嘲：o 可靠性低：流动站只能获取唯一的参考站的改正信息，没有多余信息，一旦参 考站出现故障或者出现粗差观测值将会导致流动站不能定位或者定位不准。o 作用面积小：随着流动站和参考站之间距离的增加，空间相关误差( 对流层延 迟，电离层延迟等) 的相关性严重降低，使得模糊度难以解算或者解算时间太 长。一般的作用距离在1 5 k m 以内。o 通讯链路不畅：利用参考站的小功率的 2 第1 章绪论 无线电台很难向远距离的流动站发送差分信息，这就限制了其使用范围。 1 2 2 网络l 玎k 网络r t k 的出现弥补了常规r t k 的不足，它将一个地区的所有的测绘工作 变成一个有机的整体。网络r t k 是将连续运行的参考站和数据处理中心相连， 处理中心解算参考站数据，并将解算出的改正数传送给用户，用户同时接收卫 星信号和处理中心信号，求出测站的坐标。这种工作模式使得r t k 的作用距离 增大，同时缩短了初始化的时间，提高了点位精度，增强了可靠性。 网络r t k 技术是集通信技术、i n t e r a c t 技术、计算机网络管理技术和g p s 技术于一体的空间实时服务技术。目前，成熟的网络r t k 技术有三种：虚拟参 考站技术( v r s ) ，区域改正数( f k p ) ，主辅站技术( m a c ) 。这些综合技术在 网络参数估计方法、改正数的生成方法、播发方式和流动站计算量等方面都各 有不同。 v r s ( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ，虚拟参考站) 技术【加l 是数据处理中心利用 流动站传送的概略坐标建立虚拟参考站，进行单基线解算，利用标准的r t c m 协议将虚拟观测值等信息传输到流动站进行精确定位。其播发方式是双向。数 据传输量大，对于网络的带宽要求高。v r s t m 是天宝公司的一种专利技术，主 要应用在t r i r n b l eg p s n e t 软件中。 f k p ( 区域改正数) 技术【l l 】通过估计各个参考站上的非差参数，利用参考站 非差参数的空间相关误差模型计算流动站处的改正数，从而实现实时精确的定 位。其播发方式是单向，该技术由g e o + + 公司开发，并使用在g n s m a r t 软件 中。 m a c ( m a s t e r - - a u x i l i a r yc o n c e p t ，主辅站) 技术l 心l 指流动站按照自定义的 空间相关误差区域( 内插) 模型计算本站与各参考站的空间相关误差，利用计 算的空间相关误差改正流动站的相位观测值进行精确定位。其播发方式是单向， 数据传送量相对较少，主要播发的是流动站相对于主参考站的全部改正数和坐 标信息、辅助参考站相对于主参考站的差分改正数和坐标差1 1 3 1 。该技术由l e i c a 公司开发，并使用在g p ss p i d e r 软件中。主辅站技术生成的差分数据编码已经 作为r t c m 新的标准r t c m 3 x o 3 第1 章绪论 1 2 3 国内外研究现状 国外网络r t k 的起步较早，研究和应用已经达到一定的水平。 德国的s a p o s ( t h es a t e l l i t ep o s i t i o n i n gs e r v i c eo ft h eg e r m a nn a t i o n a l s u r v e y ) 构成了德国国家动态大地测量框架1 1 4 l 。它提供卫星信号和用户改正数据， 使得用户得到厘米级精度水平的定位和导航坐标。s a p o s 提供四个等级的服务： 实时定位服务( e p s ) ；高精度实时定位服务( 玎巳p s ) ：精密大地定位服 务( g p p s ) ； 高精度大地定位服务( g - p s ) 。 美国的c o r s 网络系统【l s l 有三个：国家c o r s 网络、合作c o r s 网络和加 利弗尼亚c o r s 网络。美国国家大地测量局( n g s ) ，美国国家海洋和大气管理 局( n o a a ) 的国家海洋服务办公室分别管理国家c o r s 和合作c o i l s 。n g s 的 网站向全球用户提供国家c o r s 网络基准站坐标和g p s 卫星跟踪观测站数据， 此外n g s 网站还提供网上数据处理服务( o p u s ) 。合作c o r s 的数据可以从美 国国家地球物理数据中心下载，并且所有数据向合作组织自由开放。 加拿大的主动控制网( c a c s ) 是简单大地测量的动态参考框架【1 6 1 。其目的 是通过因特网提供网络地心坐标和相应g p s 卫星跟踪观测数据，供测量、地球 物理和其他用户采用g p s 单机即可进行事后精密定位。除此此外，还有日本的 g p s 连续应变监测系统( c o s m o s ) ，澳大利亚的悉尼网络l 汀k 系统( s d y n e t ) 笙 可o 国内的网络r t k 的发展也十分的迅速，许多城市已经建立起c o l 峪系统， 成为省( 市) 级地理空间数据平台的重要组成部分。 深圳连续运行卫星定位服务系统1 1 7 1 ( s z c o r s ) 是深圳市国土规划局主持， 由武汉大学g p s 工程技术研究中心承建的实时动态型c o i l s 。s z c o r s 采用的 是网络r t k 的虚拟参考站技术，实时定位可达到平面3 e m ，垂直5 c m 的精度( 实 测值) 。它具备的功能是：1 ) 提供实时定位差分数据服务；2 ) 采用g 5 m 数据通 信方式提供实时数据访问，通过i n t e m e t 实现事后精密定位的数据服务；3 ) ，永 久性的基准站网络系统，可升级为国家级的g p s 跟踪站、国家地壳形变监测站。 上海市测绘院2 0 0 5 年完成了“上海g p s 综合应用网”基准站的改造，上海 v r s 网络作为数字上海信息系统基础结构系统之用f 捌。它合成了上海的智能运 输系统、网络和通信系统，能够提供精确度高且迅速的定位服务以及g p s 移动 定位服务。上海的v r s 系统的共有1 2 个基准站，其平面精度在2 e r a ，高程精度 在5 e r a ，可以满足城市测量的需要。 4 第1 章绪论 北京市全球卫星定位综合应用服务系统“实验网”采用v r s 技术i 蚓。建成 了5 种信息服务网：1 、北京g n s s 气象服务网：2 、北京g n s s 城市基准控制 网；3 、北京地区g n s s 地壳形变监测网；4 、北京地区g n s s 地面沉降监测网； 5 、北京g n s s 高精度水准网。 西南交通大学提出的一种增强参考站技术【加】( a u g e m e n t a t i o nr e f e r e n c e s t a t i o n ，a b s ) ，于2 0 0 5 年1 0 月与四川省地震局减灾救助研究所就“网络r t k 系统开发项目 进行论证和立项工作，并且已经开发自主知识产权的网络r t k 系统。 1 3 本文的研究内容、目标和方法 1 、通过对当前国内外研究现状的分析，提出了一种新的移动定位方式，即 利用虚拟参考站技术( 塔) 进行移动定位。研究了v r s 技术的原理、构成、 及其内部算法，同时提出了移动定位整个系统的架构，软硬件组成和对移动定 位终端产品的开发研究。 2 、利用导航型g p s 接收机和p d a ，研究了蓝牙技术进行串口通信，其中 包括十进制的n m e a 数据和二进制的s i r f 数据编码和解码的探讨，以及两种 数据协议之间转换。 3 、对网络通信技术( g p r s ) ，以及s o c k e t 编程技术的进行了仔细分析， 研究了r t c m 网络传输协议( n t r i p 协议) ，完成了移动终端p d a 与网络数据 处理中心的双向数据通信，能够得到定位所需的r t c m 数据流。 4 、通过对目前采用的r t c m 2 3 数据格式的编码和解码进行研究，编制了 实时解码程序。同时分析了新的r t c m 3 x 的标准，比较了两者在编码方式上的 差别，对新的标准格式进行了解码，获取了定位所需的数据。 5 、研究了g p s 动态定位模型，包括伪距和相位定位模型。采用伪距差分模 型编制了移动终端定位系统，以苏州工业园区v r s 网络为依托，采用g p r s 通 信方式进行了移动定位的试验测试。 1 4 本文的研究意义 对于g p s 接收机如果采用测地型，其定位精度固然非常高，但是成本也会 成倍的提高，这对于移动定位的推广是一种限制。虽然l b s 的关键是定位，但 第1 章绪论 其主要的目的是提供服务，这就需要具有可扩展性，目前测地型g p s 还不能满 足低成本且具有可扩展性的功能。同时对于一些低成本的导航型g p s 接收机单 纯的接收g p s 信号进行定位，其定位精度又相对很低，满足不了一些特殊行业 或者特定用户的需求。 本文正是基于上述众多影响因素的考虑，采用低成本的导航型g p s 接收机， 利用已经建立的虚拟参考站网络，在p d a 平台上通过接受差分数据进行高精度 定位研究。 1 5 本章小结 本章简述了移动定位的概念及其分类，叙述了常规r t k 的定义，指出了其 存在的不足，引出了网络r t k 的概念，说明了网络r t k 的3 种形式。在对有关 文献查阅的基础上，对国内外网络r t k 的发展状况进行研究。最后，提出了本 文的研究内容、目标和方法，说明了本研究的意义。 6 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 2 1v r s 的原理及其组成 虚拟参考站技术( v r s ) 是网络r t k 技术中的一种，它的基本原理是剐： 在三个或更多参考站( 相距7 0 - 1 0 0 k m ) 覆盖范围内，流动站首先进行单点定位 确定一个大致坐标( 偏差可以从几米到上百米) ，通过无线网络将该坐标发送至 v r s 数据处理中心：同时v r s 系统的各个参考站也将原始观测值通过数据通信 链路发送到数据处理中心。v r s 数据处理中心根据这些数据计算出各参考站的 各种偏差改正，如电离层偏差、对流层偏差、轨道偏差、多路径效应等；结台 流动站发送来的概略坐标利用网络改正数内插方法进行内插，得出流动站概略 坐标处的相应误差改正数，从而在此概略坐标处虚拟一个参考站，并利用多个 参考站上的实际观测数据计算出该虚拟参考站上的虚拟观测值。由于虚拟参考 站的位置就是由流动站的单点定位而得，它们之间距离很短，因此流动站可以 和虚拟参考站问形成超短基线，建立双差观测方程，可以对流动站上的电离层 偏差、对流层偏差、轨道偏差以及多路径效应、接收机时钟偏差、卫星钟偏差 和接收机噪音等进行很好的消除和减弱从而大大提高流动站的定位精度和可 靠性。 窜 图2 1v r s 工作原理囤 i 墨 星 型翮 煮 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 根据v r s 工作原理图( 图2 1 所示) ，v r s 系统主要有四部分组成：数据 处理控制中心：这是整个v r s 系统的核心部分，一方面需要接收所有基准站的 g p s 观测数据以及来自移动用户的概略位置信息，另一方面还要将解算出的差 分改正信息等虚拟观测信息发送给移动用户。持续运行的g p s 参考站：它是 整个v r s 系统的数据源，需要在己知坐标的基准点上利用高精度的g p s 接收机 对卫星信号不问断地进行捕捉、跟踪和记录。0 移动用户：它是v r s 系统的最 终使用者。采用高精度的测量型g p s 接收机或者各种导航型接收机，在v r s 网 络覆盖范围内实时获取来自数据处理中心的差分改正信息，实现d g p s 或者r t k 定位。 数据链路：这是数据通信的渠道，包括两个部分：有线连接和无线连 接。参考站和数据处理中心之间通信的数据量大，一般通过电缆有线连接；移 动用户的流动性强，它与数据处理中心之间通过无线连接：g s m ，c d m a 或者 g p r s 。 2 2 计算v r s 双差综合误差的内插算法 对于虚拟参考站网中的各个基准站而言，可以组成双差观测方程1 2 2 j ： 1 ( a v e + a v n ) 一a v p = a v o a v i + a v t + a v m + a v e ( 2 - 1 ) 其中裱示载波的波长；名( v 缈+ a v n ) 表示的两个基准站上载波相位观测 值组成的双差观测值；p 为接收机和卫星之间的几何距离，a v p 则表示卫星至 接收机间的双差几何距离，可以根据卫星星历得到卫星的空间位置及已知参考 站坐标求得；a v o 表示双差轨道误差，即卫星星历误差在接收机至卫星方向上 的投影的双差值；a v i 为双差电离层延迟；a v t 为双差对流层延迟；a v m 指 的是双差值载波相位测量中的多路径误差；a v e 为双差载波相位观测值的测量 噪声。 令( a v 缈+ a v n ) - a v p = 甜 ( 2 2 ) 以= a v o 一v ，+ v r + a v m + a v 占( 2 3 ) 对于( 2 2 ) 中的求解可以参考有关的文献。甜称为双差综合误差，a v m 和 a v e 可以通过适当的选址和采用合适天线以及选择高质量接收机来将其控制在 很小范围内，所以双差综合误差( 2 3 ) 可以简化为 “=avo-avi+avt(2-4) 流动站采用单点定位得到概略位置并传送到网络处理中心，网络处理中心 根据近似坐标判断流动站的位置，当流动站距离某一基准站的距离小于规定值 8 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 时，采用常规r t k 的技术进行处理，否则就需要进行内插。 目前为止已经研究出多种利用v r s 网络数据内插生成误差改正数的方法： 线性组合法、基于距离的线性内插法、线性内插法、低次曲面模型、最小二乘 配置法和最小三角形内插法。 v r s 网中距离相关误差具有高度的空间相关性；因此国内外学者提出了低 次曲面模型来模拟距离相关误差l 矧。这种模型的变量可以为2 个( 平面坐标) 或者3 个( 平面坐标和高程) ，曲面模型的次数可为1 次、2 次或者更高。相关 模型如下： 材= 口x + b a y + c ，( 2 5 ) “= a a x + b a y + c a x 2 + d a y 2 + e a x a y + f ( 2 6 ) “= a a x + b a y + c a h + d ( 2 - 7 ) 甜= a a x + b a y + c a h + d a h 2 + p ( 2 8 ) 对于式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可以采用内插流动站处的电离层延迟、对流层延迟和星历 轨道误差等空间相关误差，但是当v r s 网中基准站高程差异较大时，内插对流 层延迟宜采用式( 2 7 ) ( 2 8 ) 。 下面以( 2 7 ) 式为例进行解算，选择第n 个点作为主参考点，对于其他参 考站则有： “二 “二 瞄。 馘l na t , na h i n 1 嘁，e 一崛一1 0 。，疗0 1 ，衄i l 一1 当v r s 网中基准站个数不小于5 个时，根据( 2 9 ) 有： 其中彳= ( 2 - 9 ) = ( a 7 pa ) 叫a rp v ( 2 1 0 ) 馘。x ，。q 。1 峨。e ，。皿，。1 。v = “_ 以二 五o o o 。”1 j坛。 被确定之后，就可以得到虚拟参考站处v 的残差。 9 ，p 为权阵。当a , b ，c ，d 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 ：= 【解a y m - ( 2 1 1 ) = 【鲥厶y 蛆q ( a7 p a ) 叫a r p v 对于低次曲面模型，v r s 网中基准站的个数取决于低次曲面的次数和变量 个数。这种方法不仅考虑空间相关误差，而且还考虑了非相关误差，如多路径 效应等。通过和线性内插法相比较，线性内插法是低次曲面模型法的一个特例。 2 3 虚拟参考站观测值的生成 进行v r s 定位的一个重要数据是虚拟参考站的观测值，一旦计算出虚拟参 考站的载波相位观测值，就相当于在移动用户附近存在了一个基准站，从而可 以实现差分定位1 2 4 1 。 利用已知的星历以及主参考站r t 和虚拟参考站v 的坐标计算两者的站际星 际距离双差v 础的值如下： 胛：= ( 一) 一( 一) ( 2 - 1 2 ) 其中的站星距离= 、( r 一) + ( p 一】：) + ( z 5 一z ，) 。 n 厍j ( 2 1 1 ) 式可内插出双差综合误差以，再根据( 2 - 2 ) 式可得主参考站n 与虚拟参考站1 ，之间的双差观测值为： a ( a v 蟛+ 胛皑) = 蝇叱+ 础 ( 2 - 1 3 ) 而上式中的v 砖：= v 缈，一v 吨，所以可得虚拟参考站的星间单差相位观测 值v o , y 为： v 盛= v 钟+ ( v ：+ j ) 一v ：= ： ( 2 1 4 ) 有了虚拟参考站的v 西，就可以和流动站的单差相位观测值吼均l 成双差相 位观测值为： v 豌名= v 豌一v 砟7( 2 - 1 5 ) 把( 2 1 4 ) 式带入( 2 1 5 ) 式可得： v 够落= v 西7 + ( v 二+ ：二) 一州二- v 西 ( 2 1 6 ) l o 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 由于虚拟站v 与流动站u 之间的距离非常近，可认为两站之间与距离相关 的电离层、对流层误差以及轨道误差经双差可完全消除，即双差综合误差麒。0 。 这样根据( 2 2 ) 式可得流动站与虚拟参考站之间的双差观测方程为： 力( v 够篡+ v z ) = v j ( 2 1 7 ) 将( 2 1 6 ) 式带入( 2 1 7 ) 式中可得： 1 五( v 露- v 纯+ ( v 二+ 从 ，) 一v ：，+ v m j ) = v 成： ( 2 - 1 8 ) 几 ( 2 1 8 ) 式就是虚拟站与流动站之间的载波相位双差观测方程，其中的 州：+ 州：) 可以作为整体参数求解，用户的位置信息包含在鹤喀中，通过在 多颗卫星之间建立这样的观测方程就可以解出流动站用户的位置。 2 4v r s 的应用实例 作为v r s 技术的成熟化商业产品t r i m b l ev r s t m ，其应用是越来越广泛的。 目前，世界上有超过15 0 0 个连续运行参考站在使用v r s 技术进行管理。现对同 济大学校园v r s 的建立和其软件数据的发布进行说明，包括基站建设、硬件设 备组成与安装及其软件组成和设置。 2 4 1 基站建设 如图2 2 所示为位于同济大学新土木大楼楼顶的观测墩，观测墩由金属脚架 构成。观测墩的选择首先在墩顶的水平视线3 6 0 。、高度角5 。、1 0 0 m 范围内 没有障碍物，水平视线高于墩顶1 s m 内没有反射信号，3 0 0 m 内没有信号发射 器，基座必须要非常稳定，能够防止热胀冷缩和强风的影响，随着时间的推移 观测墩不能有任何变动。 2 4 2 硬件设备组成与安装 硬件设备主要由电子部分、g p s 天线部分、天线保护部分组成。 电子部分如图2 3 所示，包括：o g p s 接收机，为t r i m b l e 公司生产的n e t r 5 型接收机。路由器，d l i n k 、t p l i n k 等各种路由器均可。 u p s ，不间断电 源。电脑，要求性能稳定，最好为品牌电脑。 电子振荡保护器，防止高电 流击穿电子元件。o 网线。 g p s 天线部分包括：o g p s 天线, n e t r 5 型天线。o 基座，具有强制对中。o 第2 章虚拟参考站拉术的原理及实例 观测墩。g p s 天线电缆。 电缆接口。 天线保护部分主要为避雷针。 图2 2v r s 基准站观测墩 图2 3v r s 硬件电子部分 硬件设备的安装按以下步骤进行，首先确定电脑等电子部分的安装位置， 然后考虑g p s 天线的安装位置，最后考虑避雷针的安装位置。按照这样的步骤 首先需要选择一问房间用来安装电脑等电子设备，该房间必须满足以下条件： ( 1 ) 安全性、环境要好，方便进入，不问断供电。 ( 2 ) 靠近楼顶，从观测堪到电脑不能超过3 0 m 。 ( 3 ) 网络已开通。 g p s 天线的安装位置在观测墩上即可；避雷针安装在距离g p s 天线大于3 m 处。 2 4 3 软件组成与设置 作为v r s 的控制中心运行的软件是g p s n e t ，其运行的数据流格式如图2 4 所示。连接v r s 网内所有的接收机包括基准站和流动站主要实现以下功能l ： 对原始数据进行解码、数据的输入与检核； r i n e x 格式和压缩r i n e x 格式 的数据存储；0 天线相位中心改正：0 系统误差的估计与建模； 生成v r s 改 正数据；0 对每一个流动站所生成的虚拟参考站生成r t c m 数据流；0 将r t c m 格式的数据发送给流动站。 g p s n e t 还具有通过分析双差相位观测值连续计算下列参数：0 电离层误差； 0 对流层误差；0 星历误差； 整周模糊度。通过这些参数重新计算所有的g p s 数据并通过内插重新匹配所有在v r s 系统网内的流动站位置， 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 豳圈团圈 r t c m 似胃 ， 固 移动终端 r t c m 似咒 ， 囱 r t c m 移动终端 j 插 图2 4g p s n e t 数据流的示意图 r t c m 数据发布前需要对g p s n e t 软件中相关模块的配置进行设置，这样 才能为移动用户提供基本的数据源。对于同济校园单基站v r s 网络中心的 g p s n e t 软件为例，其发布i 汀c m 数据的设置如下： l 、添加r e c e i v e r s 模块及其附属模块 1 1 在g p s n e t 菜单栏选择i n s e r tm o d u l e = 弹出的对话框中选择r e c e i v e r s 。 1 2 在导航窗口中选择右击新添加的r e c e i v e r s 模块，选择c o n n e e t = 弹出的 c o n n e c t i o nw i a r d 对话框，选择t r i m b l e ( c o n c i s e ) = 点击a d d ，键入v l 岱基准站的 名字= 弹出d r i v es e l e c t o r 对话框选择s o c k e tc l i e n t = 弹出s o c k e tc l i e n t c o n f i g u r a t i o n 对话框，在s e v e rn a m e o ri p 一栏中填写接收机所在局域网的i p 地 址，在i p p o r t n u m b e r 中键入接收机已设定的端口号= 完成设置。 1 3g p s n e t 自动搜索所含有的接收机类型= 弹出r e c e i v e r d a t a 对话框，分 别在s t a t i o n l d 、l a t 和i o n 栏中输入接收机编号及其接收机天线的纬度和经度， g p s 接收机在接收到数据后自动进行调整= 选择天线的类型= 完成设置。 1 3 第2 章虚拟参考站技术的原理及实例 14 在导航窗口中选择新添加的v r s 基准站模块选择i n s e r tm o d u l e - 弹出 的对话框中选择r a wd a t aa m l v s i s - ) 右击新生成的r a wd a t aa n a l y s i s 模块，选 择r t c mg e n e r a t o r = 弹出的c o n n e c t i o nw i a r d 对话框中单击a d d 后键人连接名 称- ) 弹出d r i v e rs e l e c t o r 对话框巾选择s o c k e ts e r v e r = 弹出s o c k e tc l i e n t c o n f i g u r a t i o n 对话框，在i pp o r t n u m b e r 中键入端口号- 在弹出的d a t af o r m a t 对话框中对测量方式，输出值，输出格式等进行设置= ) 设置r t c m 信息的格式 - ) 完成设置。如图25 所示。 图2 5r t c m 单基准站属性 圈2 6 修改数据流源 15 在导航窗口中选择新添加的v r s 基准站模块地择i n s e r t m o d u l e - 弹出 的对话框中选择s p l i t r t e r = c o n n e c t i o nw i a r d 对话框中单击o d d 后键八连接名称 = 弹出d r i v e rs e l e c t o r 对话框中选择s o c k e tc l m n t ，弹出s o c k e tc l i e n t c o n f i g u r a t i o n 对话框在s e v e r n a m eo r i p 一栏中填写i p 地址和在i p p o r t n u m b e r 中键 已设定的端1 3 号= 在出现的s p l i t t e r 对话框中选择p a s s i v ec o n n e c t i o n - 完 成设置。 1 6 在导航窗口中选择新添加的v r s 基准站模块选择i m e r t m o d u l e = 弹出 的对话框中选择r i n e xs e l e c t o r - 在r i n e xs t o r a g el o c a f i o m 对话框中设置观 测数据存储路径根据提示进行设置二) 完成设置。 2 、添加i g a t c 模块 在g p s n e t 菜单栏选择i n s e r t m o d u l e = 弹出的对话