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论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： c o r s 系统的构建研究及其在江苏油田管线探测中的应用 大地测量学与测量工程 卢辉 刘长星 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着g p s 技术的飞速进步和应用普及，它在测量中的作用已越来越重要。当 前，利用多基站网络r t k 技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统己成为城市 g p s 应用的发展热点之一。 传统g p sr t k 测量模式是建立在测区内有高等级g p s 点或国家大地点的基础 上，通过频繁的架设基准站来逐步发展下级控制点或导线点，从而完成整个区域内的测 量工作。在某些条件比较苛刻或者国家点破坏比较严重的地区就比较困难了。c o r s 系 统下用r t k 作业则提供了一个全新的模式，它能在测区无已知控制点的情况下建立这 个测区的起算基准，同时只要测量条件满足r t k 作业需要，误差是不会积累的，精度 也不会降低。这无疑是对传统测量模式的巨大变革。其主要优势体现在t1 ) 改进了 初始化时间、扩大了有效工作的范围；2 ) 采用连续基站，用户随时可以观测，使 用方便，提高了工作效率：3 ) 拥有完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误 差和周跳，增强差分作业的可靠性；4 ) 用户不需架设参考站，真正实现单机作业， 减少了费用；5 ) 使用固定可靠的数据链通讯方式，减少了噪声干扰；6 ) 提供远 程i n t e r n e t 服务，实现了数据的共享；7 ) 扩大了g p s 在动态领域的应用范围， 更有利于车辆、飞机和船舶的精密导航；8 ) 为建设数字化城市提供了新的契机。 本文的完成取得了如下成果： 1 介绍了差分g p s 原理及差分技术，并对c o r s 建站的三种主流技术( v r s 、f k p 、 主辅站技术) 做了详细的介绍分析，为c o r s 系统的建设提供了理论指导。 2 详细分析研究了j s c o r s 建站的整体设计及各个子系统建设应该考虑的因素，并 深入就j s c o r s 建设的各个方面做了阐述。 3 利用实测数据对j s c o r s 系统性能进行测试，分别从定位服务时效性测试、单点 定位精度测试、动态精度测试、内外符合精度测试入手，检验j s c o r s 系统为r t k 用 户提供服务的整体性能。 4 利用j s c o r s 为r t k 用户实时提供的精密差分信息，进行江苏油田的管线探测工 作，提高工作效率的同时并取得很好成效； 5 对j s c o r s 下r t k 作业误差进行了深入的分析，尤其是对坐标转换误差的分析， 更是从多方面提出了许多创新的观点，从多方面多角度分析误差产生的原因。 关键词：c o r s ；差分g p s ；网络r t k ；管线 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：c o n s t r u c t i o na n dr e s e a r c ho nc o r sa n di t sa p p l i c a t i o ni n j i a n g s uo i lf i e l dp i p e l i n ed e t e c t i o n s p e c i a l t y ：g e o d e s ys u r v e y i n ge n g i n e e r i n g n a m e：l uh u i i n s t r u c t o r ：l i uc h a n g x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ： ( s i g n a t ur e ) ： w i t ht h er a p i dp r o g r e s sa n dw i d eu s eo fg p st e c h n o l o g y ，i th a sb e c o m ei n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l ei nm e a s u r e m e n t a tp r e s e n t ，u s em u l t i b a s es t a t i o nn e t w o r kr t kt e c h n o l o g yt o s e tu pc o n t i n u o u so p e r a t i o n a ls a t e l l i t es e r v i c ei n t e g r a t es y s t e mh a sb e c o m eo n eo ft h eh o t s p o t so fc i t yg p sa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t t r a d i t i o n a lg p sr t k m e a s u r e m e n tm o d ea l e b a s e do nt h ed i s t r i c th a v eh i g h - g r a d eg p sp o i n t so rc o u n t r yg e o d e t i cp o i n t s ，t h r o u g h f r e q u e n t l ys e tu pb a s es t a t i o nt od e v e l o pl o w e rc o n t r o lp o i n t s o rw i r ep o i n t s ，a n dt h u s c o m p l e t et h ee n t i r es u r v e yr e g i o n t h i sh a v ed i f f i c u l ti nh a r s hc o n d i t i o n so ri ns o m er e g i o n s w h i c hc o u n t r yp o i n t sh a v es e r i o u sd a m a g e u s i n gr t k o p e r a t eu n d e rc o r ss y s t e mp r o v i d e s an e w m o d e l ，i tc a ns e tu pt h ec i r c u m s t a n c e sb a s e l i n ea tt h es u r v e ya r e ah a v en oc o n t r o lp o i n t ， a tt h es a m et i m ea sl o n ga st h em e a s u r e m e n tc o n d i t i o n sc a nm e e tt h en e e do ft h er t k o p e r a t i o n ，e r r o r sa l en o ta c c u m u l a t ea n da c c u r a c yw i l ln o tr e d u c e t h i si su n d o u b t et h eg r e a t c h a n g e s t ot r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t i t sm a i na d v a n t a g e se m b o d i e di n ：1 ) i m p r o v e d i n i t i a l i z a t i o nt i m e ，a n de x p a n dt h ee f f e c t i v ew o r ks c o p e ；2 ) u s i n gc o n t i n u o u sb a s es t a t i o n ， u s e r sc a no b s e r v ea t a n yt i m e ，e a s yt ou s e ，i m p r o v et h ew o r k i n ge f f i c i e n c y ；3 ) a c o m p r e h e n s i v ed a t am o n i t o r i n gs y s t e mc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h es y s t e m a t i c e r r o r sa n d c y c l es l i p s ，a n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fd i f f e r e n t i a lo p e r a t i o n ；4 ) u s e r sd on o tn e e dt os e tu p r e f e r e n c es t a t i o n , r e a l l ya c h i e v es i n g l eo p e r a t i o n ，r e d u c i n gc o s t s ；5 ) u s i n gf i x e d r e l i a b l ed a t a l i n kc o m m u n i c a t i o n ，d e c r e a s i n gn o i s ei n t e r f e r e n c e ；6 ) p r o v i d er e m o t ei n t e r n e ts e r v i c e s a n dr e a l i z ed a t as h a r i n g ；7 ) e x p a n dt h ea p p l i c a t i o no fg p si nd y n a m i cf i e l d ，a n di sm o r e c o n d u c i v et ov e h i c l e s ，a i r c r a f ta n ds h i p s p r e c i s i o nn a v i g a t i o n ；8 ) i tp r o v i d e s an e w o p p o r t u n i t i e sf o rt h ec o n s t r u c t i o no fd i g i t a lc i t y t h i sa r t i c l ef i n i s h e df o l l o w i n gt h eo u t c o m e s ： 1 i n t r o d u c et h ep r i n c i p l eo fd i f f e r e n t i a lg p sa n di t st e c h n o l o g y , a n dd e t a i la n a l y s i st h r e e 、 m a i nc o r st e c h n o l o g y ( v r s ，f k p , m a c ) i to f f e rat h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ec o n s t r u c t i o n o fc o r ss y s t e m 2 d e t a i la n a l y s i st h eo v e r a l ld e s i g no fj s c o r sa n dt h ec o n s t r u c t i o no fs u b s y s t e m s s h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t ，a n dd e p t hd e s c r i b e da l la s p e c t so fj s c o r sc o n s t r u c t i o n 3 u s et h em e a s u r e dd a t at ot e s tj s c o r ss y s t e m sp r o p e r t y , l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e st e s t ， s i n g l ep o i n tp o s i t i o n i n ga c c u r a c yt e s t ，d y n a m i ca c c u r a c yt e s t ，i n s i d ea n do u t s i d ea c c u r a c yt e s t ， t e s tt h eo v e r a l lp r o p e r t yo fj s c o r ss y s t e mt op r o v i d er t ku s e r ss e r v i c e s 4 u s er e a l t i m ep r e c i s ed i f f e r e n t i a li n f o r m a t i o np r o v i d e db yj s c o r sf o rr t ku s e rt od o j i a n g s uo i l f i e l dp i p e l i n ed e t e c t i o nw o r k ，i ti m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n d a c h i e v e dg o o de f f e c t 5 d e e p l ya n a l y s i st h er t k e r r o ru n d e rj s c o r s ，e s p e c i a l l yf o rt h ee r r o ro fc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ，a n dp u tf o r w a r dan u m b e ro fi n n o v a t i v ep o i n t s ，a n a l y s i sc a u s e so fe r r o rf r o m m u l t i a n g l ea n dm a n ya s p e c t s k e y w o r d s ：c o r s d i f f e r e n t i a lg p sn e t w o r kr t k p i p ed e t e c t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究丁作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同丁作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：矽毖日期：声神乡，n 扩 i 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 却恢龟 洲年厂月枷1 32 州叮年r 月枷， 1 绪论 illli：il 1 1c o r s 定义及其建立的必要性 l 绪论 c o r s ( c o n t i n u o u so p e r a t i o n a lr e f e r e n c es y s t e m ) ，即连续运行参考站系统可以定义 为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 w a n ) 技术组成的网络，实时地向不同类型、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【l 】。c o r s 系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数 字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。它由基准站网、数据处理中心、数据 传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析 中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。 连续运行参考站系统( c o r s ) 是“空间数据基础设施”最重要的组成部分【2 1 ，可以获 取各类空间的位置、时间信息及其相关的动态变化。通过建设若干永久性连续运行的 g p s 基准站，提供国际通用各式的基准站站点坐标和g p s 测量数据，以满足各类不同 行业用户对精度定位，快速和实时定位、导航的要求，及时地满足城市规划、国土测绘、 地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控，矿山测量等多种现代化信息化 管理的社会要求。建立c o r s 的必要性主要体现在以下几个方面： ( 1 ) c o r s 的建立可以大大提高测绘精度、速度与效率，降低测绘劳动强度和成本。 城市建设速度加快，对原有控制点破坏较大，造成了人力物力财力的大量浪费。随着 c o r s 基站的建设和连续运行，就形成了一个以永久基站为控制点的网络，可以利用它 对外开发使用，做出更多的社会效益。 ( 2 ) c o r s 的建立，可以对工程建设进行实时、有效、长期的变形监测，对灾害进行 快速预报。c o r s 项目完成将为城市诸多领域如气象、车船导航定位、物体跟综、公安 消防、测绘、g i s 应用等提供精度达厘米级的动态实时g p s 定位服务，将极大地加快 该城市基础地理信息的建设。 ( 3 ) c o r s 是城市信息化的重要组成部分，并由此建立起城市空间基础设施的三维动 态地心坐标参考框架，从而从空间位置信息面上实现城市真正的数字化。c o r s 建成能 使更多的部门使用g p s 高精度服务，它必将在城市经济建设中发挥重要作用，由此带给 城市的社会、经济效益是不可估量的。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国内外c o r s 发展的背景及现状 c o r s 系统理论源于上世纪八十年代，加拿大首先提出了一个“主动控制系统( a c t i v e c o n t r o ls y s t e m ) ”的概念，应该被称为最早的台站网理论p j 。当时g p s 界著名的学者 d e w e l l s 等人普遍认为未来实时g p s 测量的主要误差来源是广播星历，要想在距离参 考站一二十公里以外的流动点位上实时地获取高精度的测量成果，必须依靠一批永久性 的参考站点组成的主动控制系统提供改进后的预报星历，服务于加拿大及北美地区的广 大用户。后来又有了基准站点( f i d u c i a lp o i n t s ) 概念，即在同一批测量的g p s 点中选出一 些点位可靠，对整个测区具有控制意义的测站，采取较长时间的连续跟踪观测，通过这 些站点组成的网络解算，获取覆盖该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参 数，用于测区内其它基线观测值的精密解算。当时实时g p s 测量技术尚处于讨论阶段， 基准站点概念不是为了解决实时g p s 测量的，而是为了提高静态基线的解算精度。 具有综合性服务功能的台站网概念与建设，始于1 9 9 5 年瑞典与丹麦之间奥雷桑特 海峡跨海工程。该项工程中，l e i c a 提出的台站网设计思想得到了工程方的认可，徕卡的 设计思想在几十家参与投标的厂商中脱颖而出，一举取得成功，从而使台站网测量技术 首次得到应用。随后德国两位博士发表了关于虚拟参考站网的论文和案例，瑞士徕卡公 司的研究人员在这些成果的基础上也提出了主辅站技术，并受国际组织的委托着手主持 制定有关台站网的国际标准1 4 j 。 现在，连续运行参考站系统( c o r s ) 能够全年3 6 5 天，每天2 4 小时连续不断地运 行，全面取代常规大地测量控制网。用户只需一台g n s s 接收机即可进行毫米级、厘米 级、分米级、米级的实时、准实时的快速定位、事后定位，可满足覆盖区域内各种地面、 空中和水上交通工具的导航、调度、自动识别和安全监控等功能，服务于高精度中短期 天气状况的数值预报、变形监测、地震监测、地球动力学等。连续运行参考站系统还可 以构成国家的新型大地测量动态框架体系和构成城市地区新一代动态基准站网体系。它 们不仅满足各种测绘、基准需求，还满足多种环境变迁动态信息监测需求。目前，发达 国家基本上每几十公里就有一个站，发展中国家也在陆续地建立起连续运行参考站系统。 1 2 2 国外c o r s 发展概况 国际大地测量发展的一个特点是建立全天候、全球覆盖、高精度、动态、实 时定位的卫星导航系统。在地面则建立相应的永久性连续运行的g p s 参考站。目 前世界上较发达的国家都建立或正在建立连续运行参考站系统。 2 i 绪论 美国的g p s 连续运行参考站系统( c o r s ) 。它由美国国家大地测量局( n g s ) 负责，主要有3 个大的c o r s 网络系统，分别是国家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。目前，国家c o r s 网络有6 8 8 个站，合作c o r s 网络有1 4 0 个站，加利弗尼亚c o r s 网络有3 5 0 多个站，并且以每个月1 5 个站的速度增长，超过 1 5 5 个组织参加了c o r s 的项目。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，其中3 0 天内为原始采样间隔的数据，3 0 天后为3 0 秒 采样间隔的数据。 加拿大主动控制网系统( c a c s ) 【5 1 | 6 j 。目前由加拿大大地测量局和地质测量局负责 维护和运行。到2 0 0 6 年5 月，c a c s 拥有1 4 个永久性跟踪站、1 2 个西部变形监测站和 2 0 个区域主动控制站，作为大地测量的动态参考框架。通过分析多个基准站的g p s 数 据，监测g p s 完好性和定位性能，计算精密的卫星轨道和卫星钟差改正，提供有效的 现代空间参考框架和提高g p s 应用的有效性和精度。利用c a c s 提供的精密卫星星历、 精密的卫星钟差改正和基准站的观测值，在加拿大的任何位置使用单台接收机定位可获 得一个厘米到几米的精度定位结果。 德国卫星定位与导航服务系统( s a p o s ) 是德国国家测量管理部门联合德国测量、 运输、建筑、房屋和国防等部门，建立的一个长期连续运行的、覆盖全国的多功能差分 g p s 定位导航服务体系【5 儿刚。它由2 0 0 个左右的永久性g p s 跟踪站组成，平均4 0 k m 一 个站，其基本服务是提供卫星信号和用户改正数据，使用户得到厘米级精度水平的定位 和导航坐标。 澳大利亚悉尼网络r t k 系统( s y d n e t ) 是在2 0 0 3 建立的c o r s 网络，所有基准站 使用光纤连接到控制中心，数据处理和发布中心位于澳大利亚技术园1 5 儿6 。用户配备单 台g p s 接收机和无线网络通讯设备，就可获得厘米级的实时定位结果。该系统不仅可 以为土地测量控制服务，取代地区的测量控制网，还是一个在通讯、用户应用方面进行 网络r t k 技术研究的开放实验室。 日本g p s 连续应变监测系统( c o s m o s ) 【5 】【6 。日本国家地理院( g s i ) 从9 0 年代 初开始，就着手布设地壳应变监测网，并逐步发展成日本g p s 连续应变监测系统 ( c o s m o s ) 。该系统的永久跟踪站平均3 0 k m 一个，到2 0 0 5 年底已经建设1 2 0 0 个遍 布全日本的g p s 永久跟踪站，c o s m o s 构成了一个格网式的g p s 永久站阵列，是日本 国家的重要基础设施，广泛应用于地震监测和预报、控制测量、建筑、工程控制和监测、 测图和地理信息系统更新、气象监测和天气预报等。 其他欧洲国家，即使领土面积比较小的芬兰、瑞士等也已建成具有类似功能的永久 性g p s 跟踪网，作为国家地理信息系统的基准，为g p s 差分定位、导航、地球动力学 和大气提供科学数据。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 2 3 国内c o r s 发展概况 随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展，电子政务、 电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化，需要采集多种实 时地理空间数据，因此，中国发展c o r s 系统的紧迫性和必要性越来越突出。目 前，为满足国民经济建设信息化的需要，一大批城市、省区和行业正在筹划建立 类似的连续运行网络系统，一个连续运行参考站网络系统的建设高潮正在到来， 目前主要动态和进展有【6 】： 1 ) 国家测绘局从1 9 9 3 年开始着手建立国内永久性g p s 跟踪站，用于定轨、精密 定位和地球动力学监测，目前有武汉、北京、拉萨、乌鲁木齐、哈尔滨、海南、西安等 连续运行站。1 9 9 4 1 9 9 7 年，国防科工委、国家测绘局共同资助武汉测绘科技大学等单 位研究建立中国多功能广域差分站网方案。该研究提出了多功能分布式站网建设方案思 想，避免了通信瓶颈问题，通过工程性试验，证明1 0 0 0 k m 左右的差分定位精度可达到 + l m 的量级，单频g p s 接收机实时动态定位在5 0 k m 范围内也可达到厘米级水平。 2 ) 中国地壳运动观测网络。观测网络的一期工程由中国地震局牵头，参加的有中 科院、总参测绘局、国家测绘局，共建设了遍布全国的2 5 个连续运行g p s 基准站( 包括 国家测绘局的已建站) ，平均站l 讵8 0 0 k m 。按照3 0s 采样间隔记录数据，每天传至分析中心， 实现上述四个部门数据共享。目前这一系统的主要用途还是地壳运动的准实时监测与事 后处理分析i j l 。 3 ) 深圳连续运行卫星定位服务系统。它是我国建立的第一个实用化的实时动态 c o r s 系统，其实时定位精度可达到平面3 c m ，垂直5 c m 。系统采用v r s 技术提供g p s 实时测量数据服务；采用g s m 数据通信技术进行实时定位的数据服务，利用i n t e m e t 实现事后精密定位的数据服务；完成永久性的基准站网络系统，可升级为国家g p s 跟 踪站、国家地壳形变监测站。 4 ) 成都市g p s 虚拟参考站定位服务系统。由四川省地震局建设，至2 0 0 4 年5 - - 6 月建成4 个基站，平均站间距约7 0 公里，控制面积约6 0 0 0 平方公里；2 0 0 4 年9 月底完 成扩建2 个基站的设备安装，联网后实现对成都市及周边地区约1 0 0 0 0 平方公里范围的 系统覆盖。系统以监测地壳运动服务于地震预测预报为主，同时兼顾大地测量、国防建 设和成都地区国民生产以及科学研究。 5 ) 上海地区综合g p s 服务网【7 1 。由1 4 个地面g p s 基准站、5 0 个高精度大地测量 控制点、2 0 个地面形变监测点、一个中心处理站、一个气象工作站和一个大地测量工作 站组成。该项目的宗旨是在上海地区建立一个高精度、高效率、高覆盖率的g p s 综合 应用服务网，应用于上海地区的气象服务、大地测量、工程测量、地壳形变和地面沉降 4 1 绪论 的监测以及城市地理信息系统( g i s ) 应用等，同时作为上海城市信息化管理的基础设 施，提供全方位的日常服务。 6 ) 武汉市连续运行卫星定位服务系纠6 1 。武汉市连续运行参考站由武汉市勘测设计 研究院承担建设，于2 0 0 5 年3 月正式启动，同年6 月建成运行。系统采用天宝公司的 虚拟参考站技术。首期建设5 各基准站，平均间距4 1 8 公里，构成3 个三角形。系统试 运行期间，能很好的满足系统要求，为系统稳定连续运行提供了基本保障。 7 ) 江苏省连续运行卫星参考站综合服务系纠圳。该系统于2 0 0 6 年7 月正式启动， 拟在全省范围内建立6 2 个g n s s 连续运行参考站，在江苏省域内建立一个高精度、高时空 分辨率、高效率、高覆盖率的全球导航卫星系统综合信息服务网，把g n s s 这一高新技术 综合应用于大地测量、工程测量、气象监测、地震监测、地面沉降监测以及城市地理信息 系统领域，同时兼顾社会公共定位服务，以满足日益增长的城市管理与城市化建设的需求。 此外，国内目前还有几个已经建成或拟建的系统有：昆明市连续运行参考站系统； 北京市全球卫星定位综合应用服务系统实验网；广东全省连续运行卫星定位服务系统、南 宁市g n s s 连续运行参考站网络系统( n n c o r s ) 、天津市g p s 连续运行参考站网系统等等。 当前，从国内日益增长的c o r s 系统来看，国家对c o r s 系统越来越重视。随着 c o r s 系统的深入应用，针对用户的需求，逐步建立起从动态到高动态，从准实时到实 时，从亚米级、厘米级到毫米级精度的城市基础信息服务体系，并建立起城市空间基础 设施的三维、动态、地心坐标参考框架，是基础测绘的目标，也是建立实时空间位置信 息层面上的数字化现代城市的基础。 1 3 研究的主要内容和论文的组织 本文是将c o r s 系统用于实际生产，主要解决如下几个技术问题： 1 ) c o r s 系统构建的技术支持；2 ) c o r s 系统基础建设应考虑的因素及各子系统 的建设；3 ) 对j s c o r s 系统性能测试；6 ) r t k 用户与c o r s 之间的网络连接；7 ) 从 多角度、多方面对作业误差的详细分析。 论文第一章主要引入c o r s 技术的概念，并对其国际国内的发展现状做了回顾：第 二章给出了差分g p s 原理公式的详细推导，并对c o r s 技术衍生的g p s 新技术做出相 应的介绍；第三章详细介绍了c o r s 系统建设的三种主流技术( v r s 、f k p 、主辅站技 术) 各个方面的理论。第四章详细分析研究了j s c o r s 建站的整体设计及各个子系统建 设应该考虑的因素，并深入就j s c o r s 建设的各个方面做了阐述。第五章利用实测数据， 从多方面对j s c o r s 系统性能进行测试，检验j s c o r s 系统为r t k 用户提供服务的整 体性能。并将j s c o r s 与用户r t k 进行网络连接，并最终完成了油田管线探测工程。 最后，第六章对j s c o r s 下r t k 作业误差进行了深入的分析，尤其是对坐标转换误差 的分析，更是提出了许多创新的观点，从多角度分析误差产生的原因。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 差分g p s 定位原理及技术 全球定位系统( g p s ) 是一种能够定时和测距的空间定位导航系统，卫星不间断地 发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息以后，经过计算求出接收机的三 维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。g p s 定位的基本原理，是以g p s 卫星和 用户接收机天线之间距离( 或距离差) 的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬间坐标来 确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标( x ，y ，z ) 。 2 1 差分g p s 定位原理 对于精度不高的测量和导航任务，可以直接采用伪距单点定位结果，但是如果想提 高导航解的精度，则需要采用g p s 差分技术。差分g p s 是利用基准站已知精密坐标计 算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收 机在进行g p s 观测的同时，利用接收到的基准站的改正数，对其定位结果进行改正， 从而提高定位精度。其基本原理是由于接收机问的g p s 观测值中存在与距离或空间相 关的系统误差，通过相对定位技术( 即差分处理) ，不同观测值中的共有系统误差得到消 除或减弱( 主要取决于基准站与流动站的距离) ，这样就可以得到比单点定位( 或称绝对定 位) 更高的精度。 根据基准站发送信息方式，可将差分定位分为3 类即：位置差分、伪距差分和载波相 位差分。这3 类差分方式的工作原理是相同的，都是由基准站发送改正数，由流动站接 收并对测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内 容不一样，其差分定位精度也不同。位置差分和伪距差分能满足m 级的定位精度，而载 波相位差分可使实时三维定位精度达到c m 级。 2 1 1 位置差分 这是一种最简单的差分方法，任何一种g p s 接收机均可组成这种差分系统。当流 动站与基准站较近时，可以认为基准站上卫星定位误差与流动站上的定位误差是相同 的。基准站根据观测值计算其位置，并与其已知位置求差，从而获得位置的改正数，然 后将改正数发给流动站，流动站收到改正数改j 下其定位结果。 设安置在已知点( 参考站) 上的g p s 接收机，经过对4 颗或4 颗以上的卫星进行 观测，便可实现定位，求出参考站的坐标( x ，】，z ) ，由于存在着卫星星历、时钟误差、 大气折射等误差影响，该坐标与参考站的己知坐标( x o ，r o ，z o ) 不一样，存在误差。即【9 】 6 2 差分g p s 定位技术原理及技术 舣= x 一x o a y = ，一r o ( 2 1 ) a z = z 一z o 式中，x ，一，z 为实测坐标； x o ，r o ，z o 为参考站的已知坐标； a x ，】，z 为坐标改正数。 参考站利用数据链将此坐标改正数发给流动站用户，用户有接收到的坐标改正数对 坐标进行改正， x u = z + 硝 艺= e + a y ( 2 2 ) 乙= z ：+ a z 如果考虑到数据传输时间差而引起的用户站位置的瞬间变化，则 也：z + 似+ 掣( f _ ，o ) 艺：巧+ 】，+ 掣( f t o ) ( 2 3 ) 乙：乏+ z + 掣( ) 其中，“参考站的校正时刻； ，信号到达用户站的时刻。 经过坐标改正后的用户站坐标已经消除了参考站和用户站之间的共同误差。例如卫 星轨道误差、大气折射误差等等。这种差分方法计算简单，适合任意型号的g p s 接收 机，但是却需要参考站和用户必须观测同一组卫星，这在近距离可以做到，但是距离较 长却很难满足，通常对于位置差分距离控制在l o o k m 以内。 2 1 2 伪距差分 伪距差分是通过在参考站上利用已知坐标求出测站至卫星间的距离，并将其与含有 误差的测量距离进行比较求出偏差，并将所有卫星的测距偏差传输给用户，用户利用此 测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改j 下后的伪距求出自身的坐标，就可消去 公共误差，提高定位精度。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标( x o ，r o ，z o ) 和测出的各卫星的地心坐标( x ，】，z o ) ，则每颗卫星到基准站之间的真正距离为 n i 9 1 0 0 1 0 i i 。 j v i 7 西安科技大学硕士学位论文 = ( x 一墨) 2 + ( 1 ，一z ) 2 + ( z 。一z 1 ) 2 】v 2 ( 2 4 ) 则测量得到的伪距观测方程可以表示为： 西j = p + c 婶t l 一6 t j 、) + 6 l j + 6 t ? + 6 m i + v i ( 2 s 、) 式中，所；砖收机钟差； 所，卫星钟差； 8 i 电离层误差； 艿z o 对流层误差； 别协多路径效应： g p s 接收机噪声。 那么伪距差分改正数为8 p ： 8 p = 7 , 一= c ( 所，一8 t 。) + 万+ 万z + 万m + ( 2 6 ) 改正数的计算与传送需要时间，即伪距差分改正数从基准站“到达流动站f 有一定的时 间延迟，因此需要将参考历元的改正数外推到当前历元，就需要知道改正数在传播过程 中的变化速率d p ： d p = 6 p ：| 6 t q - 、) 基准站将改正数8 p 和改正数的变化率d p 发给流动站用户，用户在测出的伪距上加上 改j 下数，就可以得到修正后的伪距观测值： 例= + 卤+ d p ( ，一t o ) ( 2 8 ) 即按下式计算改正后的伪距观测值： 群= 屏+ c s t + v = 【( x 。一五) 2 + ( 】，一k ) 2 + ( z 一乙) 2 】l 2 + c d t + v ( 2 9 ) 式中，研为钟差，y 为接收机噪声。 伪距测量的改正数包含伪距改j 下数和伪距改j 下数的变化率，这使得在未得到改j 下数 的时间间隙内，可以继续进行精密定位。同时参考站能提供所有卫星的改正数，用户接 收任意4 颗卫星就可以完成定位。但是由于伪距差分也是利用抵消两站之间的公共误差 来提高定位精度的，而其误差的公共性与两站之间的距离有关，随着用户到参考站之间 的距离增加，其误差的公共性减弱。因此，用户到参考站的距离对定位精度的影响起着 决定性作用。 2 1 3 载波相位差分 载波相位测量是通过测量g p s 卫星发射的载波信号从g p s 卫星发射到g p s 接收机 的传播路程上的相位变化，从而确定传播距离。如图2 1 。 8 2 差分g p s 定位技术原理及技术 图2 1 载波相位观测量 在载波相位测量中，卫星到测站点之间的相位差值主要由三部分组成i lo j ： = 州( ，0 ) + 卅o 一) + 6 ( 2 1 0 ) 式中，州( “) 起始整周模糊度； 州( f t o ) 从起始时刻至观测时刻整周变化值； 驯测量相位的小数部分。 将上式乘以载波波长五，则可得到卫星至测站点之间的距离： = 旯( 州( t o ) + 吖o - t o ) + 6 ) ( 2 1 1 ) 由伪距差分的推导过程可知，载波相位改正数驯为： 西9 = 融一p ；= 九( n ：q + n ：i j c t + 6 9 ；、) 一p ； ( 2 1 2 ) 其中，= ( x 。一置) 2 + ( 1 ，一z ) 2 + ( z 7 一互) 2 】v 2 为卫星到基准站之间的真j 下距离。 同理，基准站将改正数删和改正数的变化率d 发给流动站用户，用户在测出的 伪距上加上改正数，就可以得到修正后的伪距观测值屏： 戤一印： = + 力 a 名( 如) 一7 ( 岛) 】+ 名 a 名o t o ) 一n ( t f o ) 】+ 五( 6 一6 ) ( 2 1 3 ) = 【( x 一五) 2 + ( 】，7 一圪) 2 + ( z 一乙) 2 】1 7 2 + 印 令。( t o ) = 艇( ，0 ) 一州( t o ) 为起始整周数之差。在整个测量过程中，只要保持卫星不失锁， 则。( ) 为常数。同时令缈= 饥聊( ，- - t o ) - - 卅( ，一t o ) l + 五( 剜一耐) 为载波相位测量差 值，则公式可表示为： + 缈= ( x 一以) 2 + ( 】，一k ) 2 + ( z 一乙) 2 】1 2 一, i n 。( t o ) + a 8 p ( 2 1 4 ) 式中，n 7 ( 气) ，五，k ，z k ，a l p 为未知数： ，( “) 为起始整周数之差，只要卫星的信号不失锁即为常数，而用户坐标值为变化 9 西安科技大学硕士学位论文 量， 印也为一个变化量。对于伊接收机钟差之差、两站间多路径效应之差及两个 g p s 接收机的噪声之差在两历元之间的变化量均小于厘米级动态定位允许误差，因此在 求解的过程中可以视为常数。 由以上公式可知，如果起始整周未知数一旦被确定，就可通过在基准站和用户站同 时观测相同的4 颗卫星，求解出用户站的坐标五，k ，乙和印来实现定位。因此如何快 速求解起始整周未知数是实现载波相位差分动态定位的关键。 2 2c o r s 发展引入的新技术 随着g p s 技术的飞速发展，差分定位技术的最新发展主要有两种趋势。一种趋势是 利用伪卫星技术和卫星通讯技术构建增强型系统，该系统有两种类型，一是采用地基伪 卫星构建区域增强系统，二是采用空基伪卫星并利用通讯卫星构建广域增强系统；另一 种趋势则是发展网络r t k 系统i l2 。 2 2 1 广域差分技术( w a d g p s ) 通过卫星或其他实时通讯技术，流动站用户可从c o r s 控制中心获取精密星历和卫 星钟差以及电离层延迟参数。用户用一台单频r t k 接收机或双频接收机的伪距码，采用常 规的伪距观测单点定位技术，即可在一个广阔的区域乃至全球任意位置进行单机单历元 定位【l3 1 。这一技术将满足城市交通导航和中小比例尺地理系统更新、遥感信息处理的要求。 ( 1 ) 单基准站差分g p s 单基站差分g p s 是只有一个基准站，基准站由一个连续运行的基站代替，基站同 时又是一个服务器，通过软件实时查看卫星状态、存储静态数据、实时向i n t e m e t 发送 差分信息以及监控移动站作业情况，用户只能收到一个基准站的改正信号，类似于一加 一或一加多的r t k 。移动站通过g p r s c d m a 网络通讯和基站服务器通讯访问i n t e m e t ， 从服务器获取基准站提供的差分信息后进行用户单元的差分解算。移动站用户在野外完 成静态测量后，可以到服务器下载同步时间的静态数据进行基线联合解算。 单基准站差分g p s 的优点是结构和算法都比较简单。但是该方法的前提是要求用 户站误差和参考站误差有较强相关性，因此，定位精度将随着用户站与参考站之间的距 离增加而迅速降低。此外，由于用户站只是根据单个参考站所提供的改j 下信息来进行定 位改正，所以精度和可靠性均较差。当参考站出现故障时，用户站便无法进行差分定位， 如果参考站给出的改正信号出错，则用户站的定位结果就不正确。为解决这一问题可采 用设置监控站对改正信号进行检核，以提高系统的可靠性。 ( 2 ) 局域差分g p s ( l a d g p s ) 局域差分g p s 实时定位技术是由基