（大地测量学与测量工程专业论文）gps连续运行参考站系统cors定位精度的可靠性研究.pdf

g p s 连续运行参考站系统( c o r s ) 定位精度的可靠性研究摘要为了检验g p s 连续运行参考站( c o r s ) 系统定位精度的可靠性，本文比较系统地介绍了c o r s 系统误差源，重点探讨了基准站和流动站间各种误差的改正或削弱方法和途径，分析了削弱其与基线长度相关误差的数学模型、流动站上影响定位精度的个体因素；分析和总结了常用的精度检验方法，并对复杂环境中精度检验方法提出了建议；探讨了网络r t k 在多种环境中定位时内符合精度和外符合精度的相互关系；针对试验结果对网络r t k 定位精度和可靠性做出评价和分析。本文在总结c o r s 定位精度可靠性已有检验方法( 如静态已知点检测法、实时动态观测值与后处理结果比较的检测方法、动态规则几何轨迹检测方法和基线相对长度检测方法等) 的基础上，提出了新的检测方法有不同历元检测法、高程影响检测法、地形因子检测法，使系统可靠性检测方法更加完备。同时，以某市c o r s 定位精度检测为例，分析了检测数据，做出具体评价，得到内、外符合精度的关系，并对检测方法的不足提出建议。最后，总结了本文研究成果和不足之处。关键词：网络r t k ；连续运行参考站系统；可靠性；误差；数学模型r e s e a r c ho np o s i t i o n i n gr e l i a b i l i t yf o rg p sc 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 ss y s t e ma b s t r a c ti no r d e rt o t e s tr e l i a b i l i t yo fp o s i t i o n i n gp r e c i s i o nf o rg psc 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 ( c o r s ) s y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e dc o r se r r o rr e s o u r c ei nr e l a t i v e l ys y s t e m i cw a y s ，e m p h a s e s l yd i s c u s s e dm e t h o d sa n da p p r o a c h e so fa l ls o r t so fe r r o r sc o r r e c t i o na n dw e a k e n e db e t w e e nb a s e s t a t i o na n dr o v e r - s t a t i o n ，a n a l y z e dm a t h e m a t i c sm o d e lw e a k e n i n gc o r r e l a t i v ee r r o rw i t hb a s e l i n el e n g t ha n di n d i v i d u a lf a c t o ri m p a c t i n gp o s i t i o n i n gp r e c i s i o no nr o v e r s t a t i o n ；a n a l y z e da n ds u m m a r i z e du s u a la p p r o a c ho ft e s t i n gp o s i t i o n i n g ，a n db r o u g h tf o r w a da d v i c eo nt e s t i n gp r e c i s i o ni nc o m p l e xe n v i r o n m e n t ；d i s c u s s e dm u t u a l i t yb e t w e e ni n n e ra n do u t e rp r e c i s i o nw h i l en e t w o r kr t kw o r ki nm u l t i e n v i r o n m e n t ；e s t i m a t e da n da n a l y z e dp o s i t i o n i n gp r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo fn e t w o r kr t ki na l l u s i o nt ot e s t i n gr e s u l t t h i sp a p e rg e n e r a l i z e du s e dt e s t i n gm e t h o d so fp o s i t i o n i n gp r e c i s i o nf o rg p sc 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 ( c o r s ) s y s t e m ，s u c ha s ，t h et e s t i n gm e t h o do fs t a t i cf i x e dp o i n t ，t h em e t h o do fc o m p a r i n gw i t ht h ep o s t p r o c e s s i n gp o s i t i o n i n gr e s u l t ，l a n dr e g u l a rg e o m e t r i c a lt r a c kk i n e m a t i ct e s t i n gm e t h o da n df i x e db a s e l i n el e n g t hr e l a t i v et e s t i n gm e t h o d ，e t c p r e s e n ts o m en e wt e s t i n gm e t h o dt om a k em o r em a t u r i t yo fa l ls o r t so ft e s t i n gm e t h o d ，f o re x a m p l e ，t h em e t h o do fd i f f e r e n ti n s t a n t ，t h em e t h o do fh e i g h ti n f l u e n c e ，t h em e t h o do ft e r r a i nf a c t o r a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ru t i l i z e ds o m ec i t yc o r sa se x a m p l e ，a n a l y z e da n dc o n c r e t e l ye v a l u a t e dt e s t e dd a t u m ，o b t a i n e dm u t u a l i t yb e t w e e ni n n e ra n do u t e rp r e c i s i o n ，a n db r o u g h tf o r w a r da d v i c eo nl a c k a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dr e s e a r c ha c h i e v e m e n ta n dl a c ko f j t k e yw o r d s ：n e t w o r kr t k ；c o r s ；r e l i a b i l i t y ；e r r o r ；m a t h e m a t i c sm o d e l插图清单图1 研究技术路线图5图2g p s 卫星星座7图3 常规r t k 基准站与移动站8图4 网络r t k 工作原理图9图5 参考站站址分布图2 5图6 网络r t k 空间可用性测试轨迹3 4表格清单表1不同应用领域及要求1 4表2g p s g l o n a s s 观测数据文件及r i n e x 格式说明2 6表3第一个历元卫星信号强度2 9表4r e n i x 格式的g p s 导航文件2 9表5 检测点等级情况及分布类型3 l表6c o r s 系统内符合精度统计3 2表7c o r s 系统外符合精度统计3 3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金匿王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字醐呷”肭日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金月巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金星墨互些盔! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文者签签字嗍叶年争月刃日学位论文作者毕业后去向：浙江省临安市工作单位：浙江林学院环境科技学院通讯地址：浙江林学院环境科技学院导师签名：签字日期：弘& 手胎日电话：0 5 7 1 - - 6 3 7 11 6 4 2邮编：3 1 1 3 0 0致谢本文是作者在攻读硕士研究生期间在导师的悉心指导下，结合本人专业研究方向、参与的科研工作和参阅诸多文献的基础上，所作的研究工作总结，在此期间，得到了很多同志的帮忙和支持，在论文完稿之际，特献上本人最诚挚的谢意。首先感谢我的导师高飞教授，是您引导我在g p s 领域走进一片新视野，开拓出一片新天地，指引我明确了研究方向和目标，从论文的选题、框架布局、研究方法和论文撰写等过程中都给予了高度关注和悉心指导，从而保证了研究工作和论文撰写等工作的顺利开展。另外，高教授的渊博学识、高风亮节的为人处世作风、吃苦耐劳的测绘人品质和高瞻远瞩的学术视野，对我的言传身教、潜移默化，使我终身受益，也将激励我在测绘的道路上勇攀高峰。在我研究生学习期间，以及在不同的会议场合，都给我留下深刻印象的还有老一辈测量学家王侬教授，王教授待人和蔼可亲，极具亲和力，对年轻一代诲人不倦，勉励有加，在王教授身上，我领会到很多无法言传的优秀品质，领略到老一辈测量人的骄人风采，这些都是值得我们年轻测量人去继承和发扬的精神财富。同时，我要感谢测量工程系的吴兆福副教授、李晓莉副教授、合肥市国土局的胡小华教授，感谢他们在研究生专业课程学习中给予的指导和帮助，他们不仅毫无保留地传授了他们所学，还以身作则地向我们传达了许多做人的道理。还要感谢测量工程系的张志慧、虞积强、黄世秀、余敏等老师在本人学习期间给予的帮忙和支持，他们也是我学习的榜样。还要感谢浙江林学院环境科技学院森林经理学科的同事汤孟平教授、葛宏立教授、施拥军副教授、丁丽霞副教授、杜华强副教授、周宇峰老师等在我的学习、工作和科研工作中给予支持和帮助。研究生三年弹指一挥间，在这三年快乐的学习和充实的生活中，是我们亲爱的师兄董玉磊、翟信德在领跑，是我们可爱的同学李卫国、柳锦森、涂克楠、高旭光、陈文玲、刘小伟在陪练，还有很多年轻朝气的师弟师妹在呐喊助威，以及同寝室的兄弟裴先宇、程涛的海阔天空，感谢你们曾给予我的帮助和欢笑。感谢我的父母、姐妹和夫人在我学习期间给我的帮助和支持，是你们给了我不断前进的动力和坚强的后盾。另外，感谢合肥市测绘设计研究院为本论文提供的数据!最后，再次衷心感谢所有帮助过我的人。作1 1引言1 1 1 选题背景第一章绪论由于子午卫星系统( t r a n s i t ) 存在着定位时间长、不是连续独立的卫星导航系统以及定位精度低等诸多局限性，美国国防部于1 9 7 3 年联合空军、海军、陆军、国防制图局、海岸警卫队、交通部及其他部门组建了联合工作办公室，研带0 了n a v s t a r g p s ( n a v i g a t i o ns y s t e mw i t ht 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 gs y s t e m ) ，简称g p s 。该系统于1 9 9 3 年1 2 月具备工作能力，目前，该系统在军事、交通运输、资源调查、农林业生产、环境保护和大气探测等多个领域得到普遍应用，尤其是测绘方面，改变了传统测绘模式，克服了传统测绘中必须光学通视的瓶颈问题，在保证精度的前提下大大提高了野外工作效率，从而在测绘方面得到了迅猛的发展。g p s 定位方式有绝对定位和相对定位之分。绝对定位也叫单点定位，有静态绝对定位和动态绝对定位，由于受到卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等诸多因素的影响，精度较低，可达米级；其中精密单点定位( p p p - p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ) 虽然是利用载波相位观测值以及由i g s ( i n t e r n a t i o n a lg p ss e r v i c e ) 等组织提供的高精度卫星星历和卫星钟差来定位可达到c m 级，但处理过程复杂，只是因其作业方式简便自由，现在是g p s 领域的个研究热点。g p s 相对定位也叫差分定位，有静态差分定位和动态差分定位，是通过差分消除相关或相同的误差影响而实现高精度基线测量，是g p s 定位中精度最高的定位方法；其中实时动态载波相位差分技术r t k ( r e a lt i m ek i n e m a t i c ) 是g p s 差分定位技术发展史上的一个里程碑，它不仅具有差分g p s 技术的所有优点，而且可以实时获得观测结果及定位精度，大大地提高了作业效率并开拓了g p s 新的应用领域，凭借其精度高、实时性和高效性，使得其在多种测绘工程中广泛应用。常规r t k 是基于基准站和流动站观测的卫星相同、电离层和对流层误差相关，从而消除或降低这些误差的影响，提高基线测量精度。但随着基线距离的增大，这种相关性逐渐衰减直至定位精度跟单点定位接近的变化。通过实践总结，常规r t k 有着其局限性：( 1 ) 用户需自行建设基准站，需保障作业时间中能连续运行；( 2 ) 定位误差随着基线增长而增大；( 3 ) 定位的可靠性随着基线增长而降低；( 4 ) 数据传输能力受到基线长度的限制。在此情况下，g p s 连续运行参考站系统c o r s ( c o n t i n u o u s l yo p e r a t a lr e f e r e n c es t a t i o n s )应运而生，其作业模式一一网络r t k 可以克服常规r t k 的不足，可在更大范围内提供更高精度的定位，这是r t k 技术发展的新方向。1 1 2 研究意义常规r t k 是差分g p s 技术发展史上的一个飞跃，在c m 级精度定位上有着其它g p s 定位模式无法比拟的优越性，因而在测绘领域如图根控制测量、地形图测绘、道路施工放样等得到广泛应用，很多文献资料中对r t k 在不同领域中的应用情况进行了阐述。同样，从r t k 定位原理上，大家形成共识，常规r t k 是通过消除相关误差来提高定位精度，这些误差随着基准站和移动站基线距离的增加而相关性减弱，一般距离超出1 0 1 5 k m 时，定位精度将锐减；同时数据广播传输也受到距离的制约，自行架设基准站增加了野外工作量。伴随着计算机、通讯技术、互联网技术和g p s 技术的发展，差分g p s 得到进一步完善，其中多个基准站的局部区域差分g p s 在全世界多个区域得到蓬勃发展，网络r t k 是典型代表。网络r t k 是在一定区域建立多个( 三个或三个以上) 的基准站构成该区域网状覆盖并连续观测，根据这些基准站已知位置计算各站点上的误差通过一定的算法内插出该区域任一流动站的误差，快速解算整周模糊度，实现高精度实时动态定位。由于移动站在定位时，和参考站同样受到诸多不确定因素的影响，除了电离层和对流层延迟之外，还有流动站高程差异、高度角受限等异常因素，在缺乏检核条件下，内符合精度的可靠性受到置疑，可信度难以量化，在一些工程中的应用受到制约。查阅相关文献，这些实验数据表明内符合精度和外符合精度之间差值是离散的，尚不明确服从何种分布。而在实际工程测量中，每个点位的精度都直接关系到工程的质量，并且具体工程的实际地形情况比实验情形更加复杂多样，因此研究在多种环境中内符合精度和外符合精度之间的分布关系以及探讨增加r t k 定位时的检核条件，对拓宽网络r t k 的应用领域和保证网络r t k 应用的安全性有着重要和现实意义。本文在研究影响基准站和流动站定位精度的误差来源以及削弱这些误差的途径和方法的同时，重点探索c o r s 系统在定位精度和可靠性方面的检核方法，根据网络r t k 定位的试验情况分析，提出相应的建议和解决措施，以提高网络r t k 在更多的工程建设中应用的安全性和进一步拓宽其应用领域，实现真正的高精度、高效率。i 1 3 国内外研究现状2 0 世纪9 0 年代网络r t k 开始出现，它是集成计算机网络管理技术、i n t e r n e t 技术、无线通讯技术和g p s 技术于一身的新型g p s 定位技术，改变了常规r t k 测量模式，是g p s 未来发展的方向。国内外对连续运行参考站系统( c o r s ) 已研究和应用多年，多个国家和地区已建立g p s 连续运行参考站系统，如国内城市先后建设c o r s 的有深圳( s z c o r s ) 、香港( h k c o r s ) 、成都( c d c o r s ) 、2武汉( w h c o r s ) 、杭州( h z c o r s ) 、合肥市( h f c o r s ) 等，国外像美国的c o r s 、澳大利亚建立永久性连续运行的澳大利亚基准站( a f n ) 覆盖整个澳大利亚地区的g p s 网络( a r g n ) 和维多利亚地区的参考站网络( v i c t o r i a ng p s n e t ) 、德国的卫星定位与导航服务计划( s a p o s ) 、加拿大已建立1 0 余个永久性g p s 卫星跟踪站构成主动控制网( c a c s ) 、日本建立由1 0 0 0 多个基准站组成的g p s 连续应变监测系统( c o s m o s ) 等( 隆华平，2 0 0 5 ) ，网络r t k 应用理论和技术都已相当成熟，该系统以其覆盖面广、定位精度高和定位效率高等优越性在多个行业中得到广泛的应用。网络r t k 是克服常规r t k 的不足而产生的一种新的g p s 作业方式，因为常规r t k 定位时流动站和基准站的工作距离一般为1 0 l5k m ，超出范围时，误差相关性变差并导致定位精度下降( g a o ，1 9 9 7 ：h a n ，1 9 9 7 ) ，网络r t k 取代单参考站r t k 工作模式，可提高长距离r t k 的定位精度( h a n ，1 9 9 7 ；r a q u e t ，1 9 9 8 ) 。多参考站的数据处理理论和算法，国内外展开诸多研究，利用宽巷组合结合无电离层组合方法求解基站间的整周模糊度( c h e n ，2 0 0 0 ) ，利用线性关系确定基准站和流动站的整周模糊度、各种误差源和误差改正模型( 高星伟，2 0 0 5 ) ，运用空间信息网格概念剖析c o r s 网格( 刘晖，2 0 0 5 ) 等，目前多参考站技术主要有v r s 和f k p 技术及相关软件，虽然其数学模型和处理方法非常保密，但研究表明已比较成熟。在削弱和消除流动站误差方面，有多站相位观测量的组合模型法( h a n ，1 9 9 6 ) ，基于距离的线性内插法( g a o ，19 9 7 ；w a n n i g e r ，2 0 0 0 ) ，低次曲面模型法( w u b b e n a ，1 9 9 6 ；f o t o p o u l o s ，2 0 0 0 ) ，n e t a d j u s t 法即最小二乘配置法( r a q u e t ，1 9 9 8 ) ，综合误差法( 高星伟，2 0 0 2 ) 和利用多参考站网格内插出流动站误差改正数( d a i & h a n ，2 0 0 3 ) 等。这些误差的处理方法都有类似之处，就是利用参考站的误差来内插出流动站的误差，是基于流动站观测的卫星等观测条件与基准站的相关性为前提的，对流动站具体的观测条件无能为力。对于流动站上观测误差的个体因素，通过自主修正高程方向对流层延迟偏差的距离相关模型( 李成钢，2 0 0 7 ) ，根据基准站的单差电离层影响兼顾基线距离和流动站高度角推算流动站电离层误差( 高星伟，1 9 9 8 ) 等。虽然这些方法大多是基于基准站和流动站误差相关的理论基础，并有新方法对流动站个体因素进行了补充和完善，但由于移动站在定位时，和基准站同样受到诸多不确定因素的影响，在缺乏检核条件下，内符合精度的可靠性受到置疑，可信度难以量化，在一些工程中的应用受到制约。本文在研究影响基准站和流动站定位精度的误差来源以及削弱这些误差的途径和方法的同时，重点探索c o r s 系统在定位精度和可靠性方面的检核方法和网络r t k 定位的试验情况分析，提出相应的建议和解决措施，以提高网络r t k 在更多的工程建设中应用的安全性和进一步拓宽其应用领域，实现真正的高精度、高效率。3网络r t k 的定位精度、效率和可靠性等是衡量该系统性能的主要指标。测试系统性能的项目主要有定位精度、空间可用性、时间可用性、定位时效性、接收机兼容性等( 李江卫等，2 0 0 7 ) 。其中最受关注的定位的测试方法有静态已知点检测方法、与后处理结果比较的检测方法、动态规则几何图形检测、固定基线长度相对检测方法等( 唐卫明等，2 0 0 6 ) 。这些研究中，网络r t k 定位的可靠性主要是通过实验中的定位精度来体现。实验数据表明，在理想的观测条件下，满足平面定位精度2 c m 高精度定位要求的未能达到1 0 0 。因此在工程建设中，在不同的观测条件中，没有检核条件的情况下，网络r t k 定位精度的可靠性还应创造检核条件和检核方法。r t k 实时定位精度主要通过内符合精度体现的，内符合精度和外符合精度之间的关系，一般是通过抽样检查来分析，这些抽样点，可以是已测定的国家或城市控制点，也可以利用静态g p s 或常规测量方法来测定坐标的点( 孙伟，2 0 0 6 ) 。查阅相关文献，这些实验数据表明内符合精度和外符合精度之间差值是离散的，尚不明确服从何种分布。而在实际工程测量中，每个点位的精度都直接关系到工程的质量，并且具体工程的实际地形情况比实验情形更加复杂多样，因此研究在多种环境中内符合精度和外符合精度之间的分布关系以及探讨增加r t k 定位时的检核条件，对拓宽网络r t k 的应用领域和保证网络r t k 应用的安全性有着深远的影响。1 2研究内容、拟解决的问题和创新之处1 2 1研究内容及拟解决问题连续运行参考站系统( c o r s ) 是在一定区域内建立一个或多个基准站，对该地区构成网状覆盖，并以这些基准站中的一个或多个为基准，计算和播发误差改正信息，对该区域内的卫星定位用户进行实时改正。c o r s 的主要优点是覆盖面广、定位精度高、可靠性好，并且可提供常规r t k 、网络r t k 以及精密单点定位等静态和动态多种服务。国内外已经建立起了很多这样的系统。对于g p s连续运行参考站系统的完备性必须得到有效的检验，以确保用户能安全使用。完备性检验中的一个重要内容是在测量覆盖区域内的定位精度检测。在一般情况下，是利用静态测量来检测其动态的精度，虽然静态测试的方法在一定范围内可以反映动态g p s 测量的精度，也比较容易实现，但存在其局限性，不能完全反映出载体在运动时所能达到的精度。因此，有必要探索和研究更全面的检测方法，能更好地对c o r s 的动态g p s 定位精度进行检测。很多学者对动态g p s定位精度检测方法和精度分析做了研究，如通过动态g p s ( r t k ) 测量和静态g p s测量成果的比较分析，对影响g p s ( r t k ) 测量精度的因素进行分析，总结影响动态g p s ( r t k ) 精度的原因，并提出了相应的解决方法，刘晖等对广域差分g p s 定4位做了静态、车载动态和海上实验，并进行了精度分析，研究在多种环境中内符合精度和外符合精度之间的分布关系以及探讨增加r t k 定位时的检核条件，对拓宽网络r t k 的应用领域和保证网络r t k 应用的安全性有重要的意义。g p s 连续运行参考站系统( c o r s ) 是g p s 定位技术的新发展，是g p s 技术未来的发展方向。c o r s 参考站技术已很成熟，以其覆盖范围广、定位精度高、定位效率高在多个行业中得到广泛的应用。但移动站在定位时，和参考站同样受到诸多不确定因素的影响，由于缺乏检核条件，内符合精度的可靠性受到置疑，可信度难以量化，在一些工程中的应用受到制约。本项目在影响网络r t k定位精度的误差来源的基础上，主要侧重于研究：( 1 ) 总结和分析影响网络r t k 定位精度的误差源：( 2 ) 探讨基准站和流动站间各种误差的改正或削弱方法，分析其与基线长度相关误差削弱的数学模型，分析流动站上影响定位精度的个体因素；( 3 ) 分析常用的精度检验方法，设计针对复杂环境中精度检验方法：( 4 ) 探讨网络r t k 在多种环境中定位时内符合精度和外符合精度的相互关系；( 5 ) 针对试验结果对网络r t k 定位精度和可靠性做出评价和分析。为更好地研究流动站定位时的检核条件和网络r t k 定位的空间可用性，以提高网络r t k 在更多的工程建设中应用安全性，本文是按图1 的技术路线展开的图1 研究技术路线图51 2 2 本文的创新之处本文比较全面系统的分析和总结了g p s 定位技术的误差源，对参考站与流动站间与基线长度相关误差的削弱方法和数学模型进行分析，同时兼顾到流动站个体因素的影响，从而在理论上使提高流动站定位精度的误差处理模型更加完善。为了提高网络r t k 在各个领域定位结果的可靠性，在分析目前已有的定位精度和可靠性检验方法的基础上，针对不同观测条件，设计新的检验方法，将网络r t k 的应用与具体的工程实际情况结合起来，探讨其空间可用性，拓宽网络r t k 的应用领域。通过试验获取数据，来分析网络r t k 定位时内外符合精度的相互关系，验证网络r t k 的可靠性，并结合实际情况，提出不同条件下的检核方法和思路。6第二章g p s r t k 定位技术及误差源2 1r t k 定位技术2ll 全球定位系统g p s全球定位系统g p s ( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是n a v s t a r g p s( n a v i g a t i o ns y s t e mw i t ht 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 gs y s t e m )的简称。该系统是由美国国防部联合多个部门于1 9 7 3 年开始研制，1 9 9 3 年开始初步工作，1 9 9 5 年已具备授时、导航和定位的完全能力。g p s 全球卫星定位系统是由空间卫星星座部分、地面监控部分和用户接受设备等三部分组成。( 1 ) 空间卫星星座部分。至2 0 0 1 年，美国己发射四代卫星，共计4 6 颗( 包括发射失败的) ，并计划发射第五代卫星b l o c k l if ，到2 0 0 0 年底，g p s 系统有2 8 颗工作卫星覆盖全球，如图2 所示。这些卫星分布在6 个轨道面上，可以保证在任意时刻、地球上任意一点都可以同时观测到6 8 颗卫星，当截止高度角取5 。时最多可以同时观测到1 2 颗卫星，以保证全球导航、定位、授时等功能。图2g p s 卫星星座( 2 ) 地面监控部分。地面监控部分由1 个主控站、5 个监测站、3 个注入站及通讯和辅助系统组成。主控站负责整个卫星系统工作，根据各监测站数据计算、预报卫星导航电文，调整卫星轨道和卫星钟参数，负责修复卫星故障和启用备用卫星。监测站自动采集卫星数据，记录气象元素，对数据粗处理后发送主控站。注入站是向g p s 卫星输入导航电文和其他命令。通讯和辅助系统是各系统之间数据传输以及提供其他服务的机构和设施。( 3 ) 用户接受设备部分。用户部分主要是g p s 接收机，能接受、处理、量测g p s 信号并进行导航、定轨、定位和授时等工作，由前置放大器的接收天线、信号处理设备、输入输出设备、电源和微处理器等部件组成。根据用途可分为导航型、测量型和授时型，根据接收卫星信号频率可分为单频和双频，大地测量中多采用双频测量型接收机。2l _ 2 常规r t k常规r t k 是根据g p s 相对定位原理的实时动态载波相位差分技术，是利用一台接收机在已知点上建立基准站，另一台或几台接收机在流动站上同步采集相同的卫星信号，基准站接收g p s 信号进行载波相位测量，根据己知点坐标，计算观测历元各种误差的影响，并通过广播等形式将数据链发送给流动站；流动站同步观测，将自身观测值结合来自基准站的数据，利用随机数据处理软件，快速解算整周模糊数和差分观测值，实时显示观测值和内符合精度。如图3 所不。图3 常规r t k 基准站与移动站常规r t k 极大的改变了g p s 定位方式，在观测条件良好的情况下，定位一点仅需数秒钟时间，实时显示三维定位结果，并能达到c m 级精度，极大地提高了外业作业效率，在工程放样、地形测图、管线测量等多个测量领域得到广泛应用。但常规r t k 利用差分技术消除的误差是基准站和流动站的相同误差，是基于观测的卫星相同、对流层和电离层等误差相关，随着基线距离的增长这种相关性在衰减，超过1 5 k m 或更艮时甚至会消失，还有基于广播传输数据链也受到距离的影响，因此常规r t k 定位精度与基线距离关系紧密，且未能消除距离产生相关性误差的影响。其次，每次作业时，需架设基准站，增加了野外工作量。21 3 连续运行参考c o r s 与v r s 技术连续运行参考站系统c o r s ( c o n t i n u o l i s l yo p e r a t i o n a lr e f e r e n c es t a t i o n s ) ，是现代g p s 的发展热点之一。c o r s 系统将网络化概念引入到了大地测量应用中，该系统的建立不仅为测绘行业带来深刻的变革，而且也将为现代网络社会中的空间信息服务带来新的思维和模式。连续运行参考站系统可以建设一个或若干个固定的、连续运行的g p s 参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网( l a n i v a n ) 技术组成的网络，实时的向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的g p s观测值( 载波相位，伪距) 、各种改正数、状态信息、以及其他有关g p s 服务项目的系统。由于常规r t k 技术需要在测区内或附近控制点上架设基准站，需要站点坐标，对流动站的误差改正信息并未包含基线长度影响等各方面的因素，c o r s系统有效克服了上述缺陷，不仅提高了大中城市基础测绘的精度而且实用经济。网络r t k 差分信息的生成方式有虚拟参考站法v r s ( v i r t u a r e f e r e n c es t a t i o l l ) 、区域改正数法f k p ( a r e ac o r r e c t i o np a r a m e t e r ) 和主辅站技术，相比较而言，虚拟参考站v r s 建站技术更加成熟。网络r t k 由基准站网、数据处理中心、数据通讯线路和流动站用户组成。如图4 所示。虚拟参考站v r s 技术就是在一定区域内架设一定数量的基准站，精确测定这些基准站的位置及变化率，基准站连续接收卫星信号，将信息传送至信息处理中心，数据处理中心同时接收流动站发送的接收机概略位置信息，数据处理中心会根据移动站的位置，选择与之较近或定位精度较好的基准站信息，“虚拟”出一个参考站然后根据各基准站上误差信息通过一定的数学模型内插出该虚拟站的误差，将虚拟出的流动站改正数据播发给流动站，这样虚拟参考站的位置通常是在移动站真实位置的周围5 米范围内，保证了虚拟参考站与流动站误差的相关性。? 趾= 二号m墨? 二酬；“”一霸。图4 网络r t k 工作原理图c o r s 系统有单基站系统和多基站系统。单基站模式只有一个连续运行站，类似一加一的常规r t k ，只不过基准站由一个连续运行的基准站代替，基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态、存储和发送相关数据，避免了用户自行架设基准站，且基准站误差分析精度要高。但单基站模式覆盖面积有限，应用较少。早期的多基站模式是分布在一定区域内的多台连续观测站，每一个观测站都是一个单基站，同时每一个单基站还有一个中央控制计算机控制。这样的网络r t k 其实是利用分布较为均匀的连续运行参考站( c o r s ) 进行单站控制，流动站从一个参考站的有效精度范围进入另一个参考站的有效精度范围，实质上是多参考站常规r t k ，若需基线精度优于3e m ，需要在一个区域内密集的布设参考站，站间距离应小于3 0k m 。精度随着基线的增长而衰减，且分布不均匀。多参考站常规r t k 模式虽然在一个较大范围内满足了精度要求，但需要的投资巨大，与单基站模式没有本质区别，没有体现多基站的优势。目前c o r s系统是在一个较大的范围内均匀稀松的布设参考站，参考站间距离在4 0 8 0 k m不等，利用参考站网络的实时观测数据对覆盖区域进行系统误差建模，然后根据区域内流动用户站观测数据内插出流动站误差，尽可能消除系统误差影响，获得c m 级实时定位，网络r t k 技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀。虚拟参考站( v r s ) 与常规r t k 不同，v r s 网络中，各固定参考站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线发给控制中心。同时，移动用户在工作前，先通过g s m 的短信息功能或g p r s 上网功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体地改正g p s 的轨道误差、电离层、对流层和大气折射等引起的误差，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站旁边，生成一个虚拟的参考站，虚拟出超短基线的差分误差信息，保证了移动用户的定位精度。其实v r s 技术就是利用各基准站的坐标和实时观测数据解算该区域实时误差模型，通过一定的数学模型和流动站概略坐标，模拟出一个临近流动站的虚拟参考站的观测数据，然后建立观测方程解算虚拟参考站到流动站间这一超短基线。虚拟参考站的位置就是这个概略坐标，由于单点定位的精度，虚拟参考站到流动站的距离一般为几米到几十米之间，如果将每个流动站概略坐标都发送给数据处理中心进行双差处理后建立虚拟参考站的话，将大大增加数据处理中心的工作压力，其次这一基线长度可能只有数米，每个流动站改正误差之间互差很小。为了减轻数据处理中心的数据处理压力，流动站在一定的范围内，一般只虚拟一个基准站，支持流动站在该范围内的连续定位作业。虚拟参考站v r s 技术与其他差分信息生成方式具有的优势在于：( 1 ) 数据处理中心是应用整个网络的信息来计算电离层和对流层的复杂模型，而f k p 在1 0对电离层残差影响的模型化方面能力有限，一般是用线性内插的简单修正模型，流动站仅能获取两个站的数据来计算大气模型。( 2 ) v r s 技术是消除了对流层误差，在整个v r s 生产过程中对流层模型一致。而在f k p 模式中，则存在着服务器和流动站所用对流层模型不一致的可能。( 3 ) 虚拟参考站系统的内插误差改正数的可靠性、信号可利用性和精度水平在系统的有效覆盖范围内大致均匀，同最近参考站的距离没有明显的相关性。2 2网络r t k 定位中的误差源网络r t k 定位误差主要是由基准站g p s 观测误差、流动站观测误差和差分误差信息的数学内插模型等引起的。其中前两项误差与g p s 定位中出现的误差基本等同，以系统误差的危害性为重，并大多有规律可循，因此要提高g p s 定位精度是以分析该部分误差源与消除方法为主。2 2 1 基准站g p s 观测误差( 1 ) 基准站点坐标误差各c o r s 在建设中，首先要设计和建立基准站点，这些基准站点选址的合理性和埋设的稳定性及相应保护措施直接关系到整个系统的精度和稳定性。同时要高精度确定这些基准站点在地心坐标系中的坐标，需要与i g s 站点、中国现代地壳运动观测网络基准站和当地高精度国家g p s 控制点( 如g p s 2 0 0 0 的点)进行联测。另者，基准站高精度地心坐标一般都要向当地坐标系统进行转换，约束平差求解的数学模型也关系到转换后基准站坐标的精度。再者，由于地球固体潮的影响，可使地面点在垂直方向上的位移可达8 0 c m 左右，应测定基准站点在时间尺度上的变化率。这些因素都影响基准站点坐标的误差。( 2 ) 卫星星历误差某个历元卫星的位置是由卫星星历提供的，与其实际位置之差取决于卫星定轨系统的质量，影响因素有定轨站数量及地理分布、观测值数量及精度、定轨所用的数学力学模型和定轨软件、采用星历的外推时间间隔等。( 3 ) 卫星钟差卫星上的高精度原子钟( 铷钟和铯钟) 与理论上g p s 时存在着不可避免的偏差和漂移，是由于钟差、钟速和频漂引起的系统误差，总量可以达到1m s左右，但可以通过一定的模型改正，可卫星钟偶然误差是难以消除的。另外不管是码相位观测还是载波相位观测，都要求卫星钟和接收机钟严格同步，但他们所处的重力位和各自运动速度的差异，也会带来相应的误差。( 4 ) 电离层延迟误差电离层是高度在6 0 - - - 1 0 0 0k m 间的大气层，g p s 信号受电离层带电粒子的影响会产生传播速度变化和传播路径弯曲，从而使卫星和接收机之间距离发生变化，即电离层延迟。电离层延迟取决于信号传播路径上的总电子量m 和信号的频率f ，产生的误差为v i ：一冬，测距码伪距观测值和载波相位观测值o n4 02 8受到电离层延迟大小相等、符号相威( 5 ) 对流层延迟误差地表和电离层之间的大气层即为对流层，整个大气层的绝大部分质量集中在该层，g p s 卫星信号在对流层会产生大气折射，传播路径产生弯曲，传播速度发生改变，当大气折射率为以，传播速度v = c n ，c 为真空中光速，而拧与大气中的气压、温度和相对湿度有关。这些因素对距离测量值的影响称为对流层延迟，对测码伪距和载波相位观测值影响相同。( 6 ) 多路径误差g p s 卫星信号经某些物体表面反射与直接来自卫星的信号进行叠加干扰后进入接收机，使测量值产生系统性偏差，称为多路径误差。多路径误差大小受周围环境环境、接收机性能和卫星高度角等影响，如大面积水域附近、扼流圈天线性能等，多路径误差对测码伪距观测值影响较大。( 7 ) 基准站接收机误差接收机在接收卫星信号时，由于接收机钟差、相位中心误差、测距码匹配或鉴相器测定相位延迟误差、解算的数学模型误差和电子元件老化等多种因素的影响，而引起通过观测值定位产生的误差。2 2 2 流动站g p s 观测误差( 1 ) 与基准站同性质误差在流动站上接收与基准站相同卫星信号，因此流动站通过观测值确定的概略坐标同样包含卫星星历误差、卫星钟差、电离层延迟、对流层延迟、多路径误差等，并且这些误差与基准站误差相关。( 2 ) 接收机测量噪声影响接收机在测量时，由于仪器设备元件和外界环境的影响而造成的随机误差，取决于接收机性能和工作环境，一般小于其他系统性偏差，在基准站上因观测条件良好且连续观测而忽略不计，在流动站上因观测时间较短而影响较大。( 3 ) 地形条件的影响在工程建设中，不同点的地形差别很大。在观测点上，接收机上空的净空程度、高度角受限，直接影响g p s 信号和卫星分布状况：在高压输电线、无线电发射塔等强电磁干扰区域，对g p s 信号的影响。大气折射误差是影响流动站定位精度的一个重要误差源，除了测站上的气象、经纬度和季节性变化的测定1 2误差等影响因素之外，测站高程对对流层建模精度有影响。( 4 ) 人为观测误差在观测过程中，接收机指北标志与北方向的偏差带来的相位中心改正误差，流动站对中杆的对中误差、立直稳定程度、观测时间长短和选择时间段的影响。2 2 3 差分信息的数学模型误差v r s 技术的数学模型和算法主要是确定基准站间整周模糊度和流动站与虚拟参考站间整周模糊度、内插虚拟参考站间的综合误差改正数、构建虚拟参考站观测值等方面。其中v r s 要内插出任意一点的综合误差，就要快速解算参考站基线间整周模糊度，国内外展开许多研究，例如高星伟提出单历元整周模糊度搜索法、s u n 提出以连续最小二乘估计法分别对宽巷及无电离层线性组合的整周模糊度进行估计并加入网形约束条件快速搜索模糊度等，得到诸多数学模型和解决方法，但由于解算精度和可靠性都不够完善，新的模型和方法还在不断的探索和创新中。第三章提高c o r s 定位精度的措施3 1 各行业对连续运行参考站系统精度要求由于网络r t k 的诸多优点，在各行业的应用越来越广泛。不同的行业对定点精度要求有所不同，具体要求如表1 所示。表1 不同应用领域及要求应用领域精度要求m实用性要求s地面交通监控车、船行程管理、自主导航l 1 0延时3空中交通监控飞机进场与着陆o 5 6延时1公共安全特种车辆监控、事态应急l 1 0延时3农业管理精细农业、土地平整0 1 0 。3延时5海空港管理船只、车辆、飞机进港后调度0 ，5 l延时3线路施工及测绘通信、电力、石油、施工及竣工0 1 5 ( 取决于比例尺准实时测绘等)准实时地理信息更新、城市规划和管理o 1 5准实时工程施工、放样、管理o 0 1 o 1准实时或事后变形监测、安全监测0 0 0 1 0 0 0 5准实时或事后测绘工程测图、施工控制o 0 l 0 1从表1 需求分析中可以看出，实时性要求最高为1s 或准实时，可用性一般都要求全年工作，每天工作2 4h 。在实际应用中，