（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和pda平台的gps移动定位系统.pdf

摘要 自上世纪8 0 年代初g p s 系统投入运行以来，伴随着电子、计算机以及通讯 技术的不断发展，g p s 的应用领域不断拓广，从早期的军事、航海、测绘、地质 等专业领域，逐渐向基于位置服务( l b s ) 、交通调度管理、土地资源调查、物 流等与人们日常生活密切相关的领域发展。但由于g p s 定位受到卫星分布、信 号遮挡、大气延迟、多径效应等各种复杂的因素的影响，其定位的精度及完整 性并不能满足很多应用要求。对于g p s 移动定位用户而言，虚拟参考站技术和 卫星增强系统是应用价值较高的两种改善g p s 定位精度和完整性的方式。 虚拟参考站技术( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ，v r s ) 是在持续运行参考 站系统( c o r s ) 基础上发展起来的一种实时动态定位系统。v r s 技术通过i n t e r n e t 实时的向其流动站用户播发根据其多基站网络计算得出g p s 差分改正信息，这 些差分信息是针对流动站当前位置的改正信息，这样就如同在流动站的附近虚 拟出了一个新的基准站，流动站与基准站的距离大大缩短，定位的精度和稳定 性都得到提高。卫星增强系统( s a t e l l i t eb a s e da u g m e n t a t i o ns y s t e m s ，s b a s ) 是一种基于卫星的g p s 增强系统。s b a s 通过增如额外卫星的方式为移动用户提 供差分改正数据以及更多的可用的定位卫星 本论文研究的目的就是结合v r s 以及s b a s 技术，探讨如何在p d a 平台上为 g p s 移动定位用户提供可靠、稳定和较高精度的定位服务论文首先回顾了g p s 定位增强方式的发展，并结合移动定位的特点对各种增强方式进行了讨论和比 较接着对v r s 和s b a s 的基本原理、工作方法以及移动定位的误差源等进行了 分析。在此基础上，论文在w i n d o w sm o b i l e 5 0 平台的p d a 上利用g p s 中间件 技术和蓝牙g p s ( s i i l f i i i 芯片) 实现了基于s b a s 的g p s 移动定位软件在研究 r t c m 数据格式、n t r i p 通讯协议以及w i n d o w sm o b i l e 5 0i n t e r n e t 通讯基础上， 利用a s h t e c hz - x t r e m eg p s 接收机开发了r t k 移动定位软件。最后分别使用两 套系统在同济大学校内控制点进行了定位试验，对系统的定位精度及可靠性进 行了分析。 关键词：g p s 移动定位，虚拟参考站技术，卫星增强系统，n t r i p 协议，s i g a 。协 议，w i n d o wm o b i l e 5 0 ，g p s 中间件 a b s t r a c t s i n c et h ef u l l yo p e r a t i o no fg p ss y s t e mi n1 9 9 0 s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，g p s sa p p l i c a t i o nf i e l d s e x p a n d e df r o mp r o f e s s i o n a lo n e ss u c ha sm i l i t a r y , m a r i n en a v i g a t i o n , s u r v e ya n d g e o l o g yt os o m ed a i l ya p p l i c a t i o n ss u c ha sl b s ( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) ，t r a f f i c c o n t r o ll a n dr e s o u r c es u r v e ya n dl o g i s t i c se t c b u td u et ot h ec o m p l e xi n f l u e n c e f a c t o r so fd i s t r i b u t i o no fg p ss a t e l l i t e s , s i g n a lo b s t r u c t i o n , a t m o s p h e r i cd e l a ya n d m u l t i p a t he t c , t h ea c c u r a c ya n di n t e g r i t yo fg p sp o s i t i o n i n gi si n s u f f i c i e n tf o rm a n y r e q u i r e m e n t s f o rt h em o b i l eu s e ro fg p sp o s i t i o n i n g , v r so r m m dr e f e r e n c e s t a t i o n ) a n ds b a s ( s a t e l l i t eb a s ea u g m e n t a t i o ns y s t e m ) a r et w ou s e f u lt e c h n i q u e s t oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n gq u a l i t y v r si sak i n do fr e a lt i m ek i n e m a t i cp o s i t i o n i n gt e c h n i q u ed e v e l o p e d6 d m c o r s ( c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n gr e f e r e n c es t a t i o n s ) v r ss y s t e mc o n t i n u o u s l y c o m p u t i n gd i f f e r e n t i a lc o r r e c t i o n sb a s e do nt h ed a t ac o l l e c t e df r o mm u l t i - r e f e r e n c e s t a t i o nn e t w o r ka n ds e n dt h e s ec o r r e c t i o n st ol o v e ru s e r su n d e rc e r t a i np r o t o c o lv i a i n t e m e t s i n c et h e s ec o r r e c t i n n sa l ep r o v i d e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tp o s i t i o n so f r o v e ru s e r s , i c t h e v h - t u a l r e f e r e n c es t a t i o ni si n s t a l l e dj u 班n e a rt h en o v e l u s c f t h ed e g r a d a t i o no fa o m r a c y 伽s c db yt h el e s sc o r r e l a t i o nb e t w e e nr o v e r - r e f e r e n c e s t a t i o n sa r es u b s t a n t i a l l ya v o i d e d , a n di n t e g r i t ya n da c c u r a c ya 托i m p r o v e da sar e s u l t s b a si snk i n do fs a t e h i t eb a s eg p sa u g m e n t a t i o nt e c h n i q u e m o b i l eu s e r sc a n r e c e i v ed i f f e r e n t i a lc o r r e c t i o n sf m me x t r ag e os a t e l l i t e s , a n dt h e s es a t e l l i t e s t h e m - s e l v e sa l s ot r a n s m i tr a n g i n gs i g n a l so nt h es a m ef r e q u e n c ya sg p sl 1 ，t h u s b o t ht h ea c c u r a c ya n di n t e g r i t yw i l lb ee b h a n c e d t h ea i mo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st op r o v i d ear e l i a b l e ，s t a b l ea n dh i g hp r e c i s i o n m o b i l ep o s i t i o n i n gs e r v i c ef o rv a r i o u sm o b i l ea p p l i c a t i o n sb yt h ec o m b i n a t i o no f v r sa n ds b a s f i r s t l y , s e v e r a lk i n d so fg p sa u g m e n t a t i o nt e c h n i q u e sa r er e v i e w e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s e t e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e da c c o r d i n g t ot h es p e c i a ln e e d o fm o b i l ep o s i t i o n i n g t h e nt h eb a s i cc o n c e p t so fv r sa n ds b a sa r ei n t r o d u c e d , a s w e l la st h eo p e r a t i o nm o d e la n ds y s t e m a t i ce l t o r , 翻3 u r c c b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，a s b a sg p sm o b i l ep o s i t i o n i n gs y s t c mi sd e v e l o p e du t i l i z i n gt h eg p si n t e r m e d i a t e d r i v e ra n das i r f i i ic h i p s e to naw i d o w sm o b i l e5 0p l a t f o r mp d a b a s e do n r e s e a r c h e so ff o r m a to fr t c md a 饥n t r i pp r o t o c o la n dw i n d o w sm o b i l e5 0 i n t c m e tc o m m u n i c a t i o n ，a h i i g hp r e c i s i o nr t km o b i l ep o s i t i o n i n gs y s t e m i s d e v e l o p e do np d a w i t ha s h t e c hz - x t r e m er e c e i v e r i nt h ef i n a l i t y , t h ep r e c i s i o na n d i n t e g d t i e so ft h et w os y s t e m sa l ea n a l y z e db yt h ed a t ac o l l e c t e df r o maf i e l dt e s t c o n d u c t e di nt h ec a m p u so f t o n g i iu n i v e r s i t y k e yw o r d s ：g p sm o b i l ep o s i t i o n i n g v m u a l r e f e r e n c es t a t i o n , s a t e l l k e a u g m e n t a t i o ns y s t e m , n t r i pp r o t o c o l ，s i r fp r o t o c o l ，w i n d o w s m o b i l e5 0 g p si n t e r m e d i a t ed r i v e r m 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 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 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： 矽年 日 晕垆史瑚 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 移动定位技术是近年来随着移动通讯，移动计算，g p s ，g i s 等技术的产生 和发展而产生的一项新兴技术。移动定位技术是基于位置服务( l b s ) 的核心技 术之一，l b s 为用户提供的各种服务必须以移动定位技术提供位置信息为基础 而对于其他应用领域，如：土地资源调查，交通导航，物流调度等领域，位置 信息也都是重要的基础信息。 在g p s 用于定位服务的早期( 二+ 世纪8 0 ，9 0 年代) ，由于g p s 接收机价 格昂贵、设备笨重，加上由于s a 政策的实施等不利因素存在，使其很难应用到 移动定位中美国政府于2 0 0 0 年5 月1 日正式宣布取消s a 政策后，g p s 单点定 位精度可以达到2 0 米以内( 李征航等，2 0 0 2 ) ，而与此同时g p s 定位终端设备 也逐渐趋于小型化，价格更为低廉，功能更为强大，这就为g p s 用于移动定位 刨造了非常有利的条件。但是由于g p s 卫星定位容易受到卫星分布、信号遮挡、 大气延迟、多径效应等各种复杂的因素的影响采用单枫定位模式，其稳定性， 可靠性以及精度往往不能满足需要，面采用事后差分的方式，又不能满足移动 定位实时性的要求 g p s 卫星增强系统( s a t e l l i t eb a s e da u g m e n t a t i o ns y s t e m ) 与虚拟参考 站技术( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ) 是近年来发展起来的提高g p s 定位精度 和可靠性的有效手段，由于它们都具有终端设备轻便，作用范围广，定位精度 改善明显的特点，因此二者在移动定位领域有着良好的应用前景。 1 2 移动定位的现状 第l 章g l 害 定位是指在一定的时空参照系中确定某一物理实体的位置常见的移动定 位手段主要有基于通信网络的定位、基于g p s 定位和混合定位 1 基于通信网络的定位 基于通信网络定位的基本原理是：通过已知至少三个通信基站的空间坐标， 以及它们分别与移动终端之间的距离，就可以根据信号到达的时间或者角度来 计算出终端的位置数据根据所采用观测量的不同可以进一步划分为：小区定 位，到达角度定位( a r r i v i n go fa n g l e ，a o a ) 和到达时间定位( t i m eo fa r r i v i n g t o a ) 等多种定位模式这些定位方式共同特点是依赖于对无线射频信号的传播 时间，传播路径甚至传播特性进行观测，由于这些信息观测的不确定性，仅依 靠通信网络进行定位其精度大多在5 0 l o o 米，甚至更低( 余涛，2 0 0 5 ) 。 2 基于g p s 定位 这种定位方式主要通过在终端设备上加装g p $ 设备。或在专用的g p s 接收 机上加装电子手簿等其他辅助设备而实现的。根据是否接收差分数据可以分为， 单机定位以及差分定位根据定位所选用6 p s 设备以及是否差分等不同情况 此类定位方式的实时定位精度可以从几十米到几厘米( 刘基余，2 0 0 3 ) ，但是无 论那种精度级别都要高于通讯网络的定位方式采用g p s 定位的缺点是受g p s 信号的接收状况影响很大在建筑物密集，电磁环境复杂的城区，或者室内以 及地下，由于信号遮挡和多径效应等不利因素的综合影响，往往无法定位，或 者定位误差较大 3 理合定位 混合定位也称g p s 辅助定位：h p s ( a s s i s t a n tg l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) a g p s 定位技术是一种综合通信网络定位以及g p s 定位优势的定位手 段。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由于这种定为方式在定位时结合了来自基 站的辅助信息以及来自通讯网络的定位信息，因此可以大大提高定位的灵敏度 初始化的时间可以提高至0 秒级，而且可实现g p s 卫星遮挡严重环境下的定位( 宋 晓东，2 0 0 3 ) 目前比较有代表性的商业应用有美国高通公司的g p s o n e 技术。 这种定位方式的缺点是定位服务器与移动终端频繁通信占用通讯资源较多， 2 第1 章引言 定位精度提高有限。 1 3 对g p $ 定位的改善 g p s 定位是一种通过距离交会进行定位的定位方式。其基本原理是g p s 接收 机将接收到的来自g p s 卫星的信号与接收机自身产生的本地信号进行比较，得 出信号的传播时间( 伪距定位) 或信号传递所经历的相位数( 载波相位定位) ， 再分别用传播时间( 或载波相位数) 乘以光速( 或载波波长) 就可以得到接收 机与所观测卫星之问距离，对四颗卫星同时进行类似观测，同时利用接收到的 g p s 星历数据，就可以建立观测方程，解算出接收机天线相位中心三维坐标( x ， y ，z ) 以及接收机时钟偏差四个未知数，达到定位的目的。伪距定位与载波相 位定位的观测方程分别如下式( 1 1 ) ，式( 1 2 ) 所示( 魏子卿，1 9 9 8 ) ： 妒瓴) i 铅以) 一研( f ，) + n o + s g ) p - p + c ( 出一a r ) + 蛾+ ( 1 。1 ) ( i 2 ) 其中：妒g ) 为接收机钟时刻的相位观测值，忆纯) 为卫星发射信号时刻 的相位值，诈( f ，) 为接收机接受到信号时刻的相位值，o 为整周模糊度，s 瓴) 为 观测噪声p 为观测伪距，p 为卫星至接收机天线相位中心的几何距离c 为光 速，5 t 接收机钟差，a r 为卫星钟差，衄k 为电离层延迟，a d 蛳为对流层延迟 对四颗卫星以上列立伪距或载波相位观测方程就可以解出天线相位中心的三维 坐标，即可实现定位。 然而由于在实际的定位中，g p s 接收机是在复杂的地形和电磁环境中，接 收来自距地面两万余公里的卫星信号的信号的传播路径、卫星时钟、卫星广 播星历、地面的信号反射、接收机时钟等多种因素都会对最终的g p s 定位结果 产生不良影响( 周忠谟，1 9 9 2 ) 因此，需要采取各种手段对g p s 定位的质量进 行改善才能满足应用的需要。 1 3 1 影响卵s 定位质量的主要因素 1 g p s 卫星引起的误差 3 第1 章引言 由g p s 卫星导致的定位误差主要有g p s 卫星钟差、g p s 广播星历误差以及 相对论效应等三项。尽管g p s 卫星上安装有精度极高的原子钟，但是与理想的 g p s 时之间仍存在偏差，在经过g p s 广播星历中的钟差三参数改正之后，其误 差保持在2 0 n s 以内，由此引起的等效距离误差在6 m 以内。g p s 广播星历是调 制在g p s 载波信号上的一种导航数据流，是由美国军方根据分布于全球的地面 监测站对o p s 卫星迸行持续观测进行计算外推，并通过g p s 卫星发播的一种预 报星历。由于g p s 卫星在轨道上运行时会受到各种摄动因素的影响，因此这种 外推的轨道精度并不是很高，即使美国政府在2 0 0 0 年宣布取消s a 政策以来。 根据g p s 广播星历计算出的卫星坐标仍只能达到1 0 m 左右。相对论效应引起的 误差实质上是一种由卫星钟和接收机钟所处物理状态不同，而引起的两者之间 的相对钟误差，其量级不大，在非精密定位中可通过对接收机的基准频率进行 适当降低来削弱其影响 乞在信号传播路径上产生的误差 由于g p s 信号从由卫星发射到被接收机接收，要经历电磁环境非常复杂的 地球大气，而且g p s 天线除了接收直接来自卫星的信号之外，还会接收到由复 杂地形所反射的电磁信号，这些都会导致一定的定位误差。在传播路径上产生 的误差主要包括；电离层延迟误差、对流层延迟误差以及多路径误差等三项 其中对于大气延迟误差( 电离层、对流层延迟误差) 采用一定数学模型改正后， 仍会产生最高十几米的误差影响对于多径效应，不仅会导致最大十米左右的 误差，而且严重时会导致g p s 卫星失镇 3 g p s 接收设鲁产生的误差 与g p s 接收设备有关的误差主要为接收机钟差和天线相位中心偏差由于 接收机上一般采用稳定性较差的石英钟，其稳定度约为1 0 4 s ，由此引起的定位 误差可达上百米，因此在定位时必须将接收机时钟误差作为未知敷与天线三维 坐标一起进行解算。天线相位中心偏差主要时由g i s 天线实际的相位中心与其 几何中心不一致所产生的，根据天线类型的不同，其对误差的影响量级从毫米 到厘米不等 1 3 。2 改善g p $ 定位质量的主要方式 第1 章引言 改善g p s 定位质量主要从上面所述的误差源入手，在定位硬件、软件以及 定位方法等多个方面提高g p s 定位的精度和可靠性。目前常见的改善g p s 实时 定位精度的方式主要可分为：差分法、非差法、伪卫星技术、卫星增强技术以 及网络差分技术等几种g p s 增强手段。 1 差分法 利用差分法进行实时定位的主要原理是利用在坐标已知点上的g p s 定位终 端( 基准站) 与移动终端( 流动站) 对同一组g p s 卫星进行同时观测，对得到 的观铡数据进行差分处理，使许多共同的或强相关误差源的影响得以消除或减 弱( 王广运，1 9 9 6 ) 差分法是目前提高g p s 定位精度所采用的主要方法。根据 所观测g p s 信号的不同，可以把差分定位分为基于伪距的差分定位( d g p s ) 和 基于载波相位的差分定位( 砌限) 根据所采用差分处理方式的不同可以将差分 定位分为站问单差、双差定位以及三差定位等几种方式。 基于伪距的差分定位( d g p s ) 的主要原理是基准站将由g p s 观测得出的坐 标与其已知坐标进行比较，得出由各种影响因素引起的误差( 坐标差或者伪距 改正数) ，这些误差对于距离基准站一定范围内的流动站可以认为是基本相同 的，再通过一定通讯手段将这些误差传递给流动站，流动站利用这些误差信息 对自己的观测结果进行改正，就可以得到较高的定位精度。经过伪距差分一般 可以达到1 - 3 m 的定位精度。 基于载波相位的差分定位( r n 【) 的主要原理也是建立在同一颗g p s 卫星 的轨道误差、卫星钟差、大气延迟误差等的影响短距离内对于基准站和流动站 近似相同这一思想之上( 姚连壁，1 9 9 9 ) 首先采用相位双差观测值消除各种公 共误差源的影响，然后进行整周模糊度确定得到固定解采用载波相位r t k 可 以得到厘米级的实时定位精度，但是由于这种常规r t k 的作用范围有限，当流 动站与基准站的距离过大时，基准站一流动站的误差相关性降低，定位精度就 会变差 2 非差法 非差法精密定位又称精密单点定位( p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ，p p p ) 。这种 定位方式不对观测量进行差分处理，而直接将各误差影响都作为未知量放入观 测方程与位置坐标一起进行解算精密单点定位的解算目前主要依靠i g s 组织 5 第l 章 l 言 每隔1 5 分钟发布的精密预报星历以及精密的卫星钟差数据，利用一定的载波相 位整周模糊度固定算法进行定位其实时定位精度一般为分米级 置伪卫星技术 伪卫星( p s e u d o l i t e ) 最早是指在地面上对处于研制阶段的g p s 定位系统进 行验证和试验的装置，p s e u d o l i t e 一词来源于p s e u d o - s a t e l l i t e 。由于伪卫星装置 类似于位置可以灵活放置的模拟g p s 卫星，因此对于在卫星数过少，信号遮挡 严重，低仰角等不利观测条件下可以通过改善g p s 卫星星座结构。很好的改善 g p s 卫星定位精度另外，伪卫星也可以单独使用，在不能接收g p s 信号的环 境下侧如：隧道、室内等实现定位导航作为一种定位模式的推广，利用伪卫 星技术甚至可以在火星上实现厘米级的导航定位 卫墨增聋技术 g p s 卫星增强技术( s a t e l l i t eb a s e da u g m e n t a t i o ns y s t e m , s b a s ) 是为增强 现有g p s 和g l o n a s s 系统的导航性能而提出的。美国联邦航空局( f a a ) 、欧 洲和日本分别提出了三种s b a s 系统：w a a s 、e g n o s 和m s a s 系统。这三种 s b a s 系统的功能大致相同，只是覆盖范围不尽相同s b a s 的共同特点是； 通过地球静止卫星( g e 0 ) 发布包括g p s 卫星星历误差改正、卫星钟差改正和 电离层改的信息；通过g e o 卫星发播g p s 和g e o 卫星完整的数据； g e o 卫星的导航载荷发射0 骼l 1 测距信号图1 1 是各种s b a s 卫星的覆盖范围 圈1 1s b a s 系统卫星信号覆盖示意图 6 第1 章引言 由于s b a s 系统不仅可以为终端定位用户提供更多的可用卫星，而且提供 误差改正信息，因此可以提高定位的精度，完好性以及可用性。 5 闻结差分技术 网络差分技术是在持续运行参考站系统( c o r s ) 基础上，结合i n t e r n e t 和 移动通讯技术发展起来的一种实时动态定位技术这种技术利用多个参考站的 精确坐标和实时观测数据建立焦点区域的电离层、对流层等误差模型生成差分 信息并以一定的数据格式发送给移动用户( 刘经南，2 0 0 3 ) 。这样就从根本上改 变了传统差分定位作用距离有限的缺陷，使得g p s 移动定位用户只要处于网络 覆盖范围内就可以达到理想的定位效果，这对于提高用户的生产效率，降低成 本，提高精度有着非常重要的作用。目前网络差分技术从理论研究到商业应用 都已取得良好的效果，可以说为了g p s 移动定位未来的发展方向之一 1 4 本文研究的主要内容及成果 随着g p s 定位技术本身以及网络通讯、计算机技术的不断发展，g p s 移动定 位的应用领域也在不断拓宽，定位精度不断提高，可靠性不断提高，定位成本 不断降低，应用方式更加方便多样。本文将主要对提高g p s 移动定位精度和可 可靠性的方法进行研究，在此基础上利用一定的硬件设备开发实现相应移动定 位软件，并对其精度和可靠性进行分析。具体包括以下几个方面： 1 在研究s i r f i i ig p s 芯片二进制协议和n m e a 0 1 8 3 协议的基础上，利用g p s 中闻件技术，在p d a 上开发实现h a i c o m4 0 6 型g p s 接收枧移动终端的s b a si e p s 定位 2 在研究v r s 基本原理，n t r i p 数据传输协议的基础上，利用w i n d o w s m o b i l e 5 0 平台，在p d a 上开发实现对a s h t e c hz - - x t r e m e 型接收机的控制和 r t k 高精度定位 3 利用分布于同济大学的控制点进行数据采集试验，根据试验采集数据对 上述两套系统的可靠性和定位精度进行分析，验证其可行性。 7 第2 章虚拟参考站技术 第2 章虚拟参考站技术 2 1 虚拟参考站技术概述 由于常规差分定位技术存在着随着基线长度的增加，对流层和电离层等误 差的相关性减弱甚至消失，使得g p s 差分定位误差交大，可靠性交差的缺陷。虚 拟参考站技术( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ，v r s ) 有效的克服了这种缺陷，用 户能够便捷地在较大空问范围内获得均匀、高精度和可靠的定位结果，是目前世 界上应用最广泛、最成功的网络盯k 技术之一它已不是单纯g p s 的产品而是 i n t e r n e t 技术、无线通讯技术、计算机网络管理和g p s 定位技术综合应用系统。 2 2 虚拟参考站技术基本原理 2 2 1w s 系统的定位原理以及组成结构 虚拟参考站技术( v r s ) 的基本原理是：在三个或更多参考站( 相距7 0 - 1 0 0 k i n ) 覆盖范围内，流动站首先进行单点定位在其附近确定一个大致坐标( 偏差可以 从几米到上百米) ，然后把该坐标发送至v r s 数据处理中心；同时参考站也把自 己的载波相位测量观测值发送到数据处理中心y 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、对流层偏差、轨道偏差、多路径 效应等；结合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，进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间形成超短基线，通过站际星际二次差分，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嗓音等进行很好的消除和减弱，从而大大提高流动站 8 第2 章虚拟参考站技术 的定位精度和可靠性。从v r s 工作基本原理中可以看出v r s 系统一般由以下几 个部分组成：持续运行的参考站网络、数据处理与控制中心、移动定位用户以 及数据链路( 潘树国，2 0 0 6 ) ( 1 ) 持续运行参考站网络；参考站是整个v r s 系统的数据源，一般需要在 具有已知坐标的基准点上利用高精度双频g p s 接收机对所有卫星信号进行不问 断捕获，跟踪、记录和传输。由于v r s 系统是基于多参考站观测数据融合的网 络差分技术，若干个连续运行参考站就可以覆盖一定面积，构成多个以参考站为 顶点的三角形整个系统的参考站个数不得少于3 个，目前站与站之问的距离可 达7 0 k m ( 传统高精度g p s 网络，站间距离为1 0 2 0 k m ) ，参考站与控制中心通 过d d n 等专用通信线路相连，实时地上载观测数据 ( 2 ) 数据处理与控制中心：数据处理与控制中心既是v r s 系统的计算处理 核心也是整个系统的通讯控制中心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 和虚拟观测信息发送给移动用户 ( 3 ) 移动定位用户是v r s 系统的最终使用者。由于v r s 的覆盖范围一般是 在几百甚至几千平方公里的城市区域内，其差分数据的播发方式一般是通过 i n t e r n e t 进行无线播发。所以移动定位用户端可以灵活多样，从高精度的测量 型g p s 接收机到各种导航型接收机只要连接相应的无线调制解调器，都可以在 v r s 网络覆盖范围内实时获取来自数据中心的差分改正信息，实现d g p s 或者r t k 定位 ( 4 ) 数据链路：v r s 系统的数据链路包括持续运行参考站与数据处理与控 制中心之间数据链路，以及移动用户与数据处理与控制中心之间的数据链路 由于持续运行参考站需要不断向v r s 中心传送大量的观测数据，因此需要采用 i s d n 或光缆等有线连接方式流动站只需要向v r s 数据处理和控制中心传送的 信息量很小( 其概略坐标) ，但却需要实时接收v l i s 中心的大量差分改正数据， 同时还需要满足方便移动用户无线使用，因此可以采用c d m a 、6 p l i s 等无线 i n t e r n e t 接入方式 下面图2 1 就是一个典型v r s 系统的组成以及工作原理图： 9 第2 章虚拟参考站技术 图2 1v r s 系统组成以及工作原理图 2 2 2 计算虚拟参考站双差综合误差的内插算法 从v r s 定位的基本原理可以看出定位的关键在于虚拟参考站改正数据的生 成，移动定位用户正是依靠接收来自v r s 数据处理与控制中心的差分改正数据， 才得以实现高精度的实时差分定位目前常用算法主要有偏导算法、线型内插 法以及条件平差算法( 吴北平，2 0 0 3 ) 下面对利用线性内差法计算虚拟参考站 误差改正进行推导 对于v g s 参考站网中的每两个基准站而言，都可以组成如下的双差观测方 程： a ( v 妒+ a v n ) 一a v p - a v o a w4 - a v t + & v m + a v e ( 2 1 ) 其中。a 为载波的波长：p 为卫星至接收机之间的几何距离： ( a v 妒+ a v i v ) 是由两个基准站上的载波相位观测值组成的双差观测值；& v p 两基准站卫星至接收机问双差几何距离值，可根据广播星历给出的卫星位置以 及已知的参考站坐标求得；& v o 为双差轨道误差，即卫星星历误差在接收机与 卫星连线方向上的投影的双差值：a w 为双差电离层延迟；a v t 为双差对流层 l o 第2 章虚拟参考站技术 延迟；a v m 为双差载波相位测量中的多径误差：& v r 为双差载波相位观测值的 量测噪声。 在式( 2 i ) 中，令 a ( v 妒+ a v n ) 一v p 卢 ( 2 2 ) 则有： 口- & v o a v ，+ 6 v t + a v m + v ( 2 3 ) 从式( 2 2 ) 可看出口是由a v m ，a v 以及求双差后仍未完全消除的残余 轨道误差& v o ，残余电离层延迟a v i 和残余对流层延迟a v t 等误差项综合形成 的，因此称口为双差综合误差 又由于a v m 、a v 与参考站之间的距离无关，可以通过适当选址以及采用 高质量的接收机和天线将其控制在很小的范围内，因此双差综合误差可以简 化为： 卢- a v o - a v i + a v t ( 2 4 ) 根据6 p s 差分定位误差与距离的相关性可以知道& v o 、a v i 、厶v 丁三项是 和参考站之问的距离相关的，当站间距离很小时，经过双差后这三项可以忽略 不计，但当站间距离较长时，经过双差后这三项的误差将占主导地位，使得差 分定位耪度迅速降低。假定双差综合误差是随距离线性变化的，那么就可以根 据v r s 系统中多个参考站之间的双差综合误差值内插出流动站的p 值，然后进 行双差消除其影响( 高星伟，2 0 0 2 ) 首先。流动站采用单点定位求出自己的概略位置( 邑，k ，z - ) 并将其传送到 v r s 数据处理中心，v r s 数据处理中心根据该概略坐标判断流动站位于由哪三个 基准站组成的三角形内。当漉动站距离某一基准站的距离小于规定阈值时，采 用常规r t k 进行处理，否则进行内插。 假设某移动定位用户处于v r s 参考站网的由a b c 三个基准站组成的三角形 中，且距离基准站a 的距离最近，如图2 2 所示。 这时选择a 为主参考站。b 、c 分别与 组成双差观测值如下面两式： 厶v 或- v 刃一v 彰一( 以一以) 一( 彰一z ) ( 2 5 ) 1 1 第2 章虚拟参考站技术 v 政- v 磋- v 彬- ( 一戎) 一( 彰一戎) ( 2 6 ) 以上两式中，符号“v ”表示在卫星间求单差的算子符号，式中的上标为 卫星号。 圈2 2 双差综合误差内插示意图 利用卫星星历算出的卫星位置以及已知的参考站坐标，可以求得双差距离 值艄并确定整周模糊度a 叫，利用( 2 2 ) 式可得各基准站之间的双差综合 误差为： ，i 厶- 且( a v 9 乞+ 五? 峨) 一a 1 喘 ( 2 7 ) 产孽c a ( a v 9 幺+ a v ) 一v p ! ：c ( 2 8 ) 在假设弘是平面坐标差( 以一】0 ) ，瓴一匕) 的线性函数的条件下进行内插。 对基准站b ，c 有： p 0 - a , ( x o 一工。) + 4 ：o 二一l = 1 ) p 荛- q ( z ：一工j ) + 口：( 匕一匕) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 第2 章虚拟参考站技术 利用式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 解出q 、4 ：，再带入下式即可求出虚拟参考站 的以值； ：- a l ( z ? 一工) + 0 2 ( k l = i ) ( 2 1 1 ) 顾及虚拟站v 与移动用户u 实际位置之间的距离非常近，则有或= 以， v r s 数据处理中心将计算出的以实时的发送给移动用户，移动用户就能利用该 值对双差值迸行改正 2 2 3 虚拟参考站观测值的计算 进行v l i s 定位的另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布设了一个基准站，可以 像常规r t k 那样实现高精度的差分定位。 主参考站a ，流动站u ，虚拟站v 的相对位置如图2 2 所示，可以利用已知 的星历以及a 、v 的坐标计算主参考站与虚拟站之闻的站际星际距离双差a v 此 的值如下： 厶v p 譬- ( 一) 一( 一以) ( 2 1 2 ) 其中的站星距离矿可以利用公式- 水f 一墨) + 一耳) + ( z 。一z ，) 求出。 利用( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 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a 与虚拟参考站之问的双差观测值为； a ( 厶v 9 基+ a 百确盘) _ a 7 p 皇+ p l ( 2 1 3 ) 而上式中的a v 以- v 谚一v 谚，所以可得虚拟参考站的星问单差相位观测值 v 秽为： v 秽v 谚+ 寻( v p o + p 2 ) 一删 ( 2 1 4 ) 有了虚拟参考站的v 彬就可以和流动站的单差相位观测值v 群组成双差相位观 第2 章盎戥参考站技术 铡值为： v 记- v 彬一v 彬 ( 2 1 5 ) 把( 2 1 4 ) 式带入( 2 1 5 ) 式可得： v 孕巴- v 彰+ ( a 嘁+ 一：。) - a w g v 彰 ( 2 1 6 ) 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 o 一0 。 这样根据( 2 2 ) 式可德流动站与虚拟参考站之间的双差观泓方程为： a ( v + a v n 二) 一i 苎 ( 2 1 7 ) 将( 2 1 6 ) 式带入( 2 1 7 ) 式中可得： a ( v 记一v 彰+ ( a v p 幺+ p ：) 一a v n ：, + 1 毗) - a v p 兰 ( 2 1 8 ) ( 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 ( v 豫+ a v 峨) 可以傲为整体参数求解，用户的位置信息包含在审础中r 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 2 4 差分改正信息的发送 具备虚拟参考站双差综合误差以及虚拟参考站观测值后，v r s 数据处理与控 锚中心逶过通讯弼络将这些改正信息发送绘移动定位用户，后者科用这些信息 就可以实现高精度的差分定位 v r s 播发差分改正信息通常以r t c m 格式( 将在第四章对r t c m 数据格式进行 详细介绍) 绽码后，再采用一定的通讯协议进行播发( 场小军，2 0 0 5 ) 。在f 删 标准中，类型1 8 1 9 和2 0 2 1 是两组专门用来进行高精度动态差分定位的电文 对某一流动站用户而言，类型1 8 电文提供的就是其附