（大地测量学与测量工程专业论文）基于vrs技术的误差分析与建模.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文在对网络r t k 以及虚拟参考站技术( v r s ) 进行介绍的基础上，对 包括电离层误差、对流层误差、轨道误差等误差在内的各种主要系统误差 源进行了分析，并主要针对对流层误差的减弱以及消除提出了采用带有测 站高差因子的内插法计算双差对流层延迟的参数化模型，从系统误差建模 和分离的角度对v r s 技术的精度和可靠性进行了讨论。并详细讨论了基于 综合误差内插法计算差分改正数受到参数系数以及流动站初始位置精度 的影响。 实验采用“天津市g p s 连续观测站网系统”的数据，计算了各基线的 双差对流层延迟、带有测站高差因子的内插算法双差对流层延迟和综合误 差内插值，并与真值比较，结果良好，验证了文中误差分离以及改正数生 成的参数化模型的有效性。 关键词：网络r t k ；虚拟参考站技术( v r s ) ；对流层；内插法 a b s t r a c t b a s e do nt h e t e c h n o l o g y o fv i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o na n d n e t w o r kr t k ，i n c l u d i n gi o n o s p h e r i ce r r o r 、 t r o p o s p h e r ee r r o r 、 t r a c k e r r o ff o rt h ea n a l y s i so ft h em a j o rs o u r c eso fs y s t e m a t i ce r r o r ，m a i n l y t ot h ew e a k e n i n go ft h et r o p o s p h e r ea n de r r o rw i t hat e s ts t a t i o na n d t h ee l i m i n a t i o no ft h eu s eo ft h ei n t e r p o l a t i o nm e t h o dr e l i e ff a c t o r d o u b l ed i f f e r e n c e t r o p o s p h e r i cd e l a yp a r a m e t e rm o d e lm o d e l i n g s y s t e me r r o rs e p a r a t i o nf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fv r st e c h n o l o g ya n d t h ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo ft h ed i s c u s s i o n c o m p r e h e n s i v ea n d d e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h ei n t e r p o l a t i o ne r r o rc a l c u l a t e d b yt h e d i f f e r e n c e c o r r e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ef l o w p a r a m e t e r s o ft h e i n i t i a ll o c a t i o na c c u r a c y i nt h ep a p e rt h ee x p e r i m e n tc a l c u l a t e st h eb a s e l i n eo ft h ed o u b l e d i f f e r e n c et r o p o s p h e r i cd e l a yr e l i e fs t a t i o n sw i t hd o u b l e - d i f f e r e n t i a l f a c t o r 、i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 、t r o p o s p h e r i cd e l a ya n di n t e r p o l a t i o n e r r o r b y“t i a n j i n g p sc o n t i n u o u so b s e r v a t i o ns t a t i o nn e t w o r k s y s t e m ，d a t a ，i th a sg o o dr e s u l t sw h i c hc o m p a r e dw i t ht h et r u ev a l u e s v e r i f i c a t i o na n dc o r r e c t i o no ft h ee r r o rs e p a r a t i o nt e x tg e n e r a t e db y t h ev a l i d i t yo ft h em o d e lp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：n e t w o r kr t k ；v r s ；t r o p o s p h e r e ；i n t e r p o l a t i o n 辽宁工程技术大学硕上学位论文 1绪论 1 1g p s 系统概述 全球定位系统g p s ( g 1 0 b a lp o s i t i o ns y s t e m ) ，是一种可以授时和测距的 空间交会定点的导航系统，由2 4 颗等间距分布在6 个轨道面上大约2 0 0 0 0 k m 高度的卫星组成。星座已于19 9 3 年底部署完毕，系统已正常运行十余年。 g p s 卫星以l 波段频率( 1 2 2 7 6 0 m h z 和l5 7 5 4 2 m h z ) 向地面发射调制有伪随 机噪声码和广播星历的载波信号，并将在2 0 0 8 年于1 17 6 4 5 兆赫增加第3 个 民用信号( l 5 ) ，新的l 5 信号强度将是目前的四倍，l 2 载波上增加第二个民 用信号l 2 c ，使民用用户也能补偿大气传输不定性误差，从而使民用导航 精度提高到3 1 0 米。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点， 能在任何时刻为全球的任何地方的用户提供三维位置、三维运动速度和时 间信息。 1 2常规r t k 定位技术 常规r t k 技术是一种采用载波相位观测值进行实时定位的g p s 相对定 位技术。该技术需要一个用户本地参考站，动态用户进行常规r t k 定位时， 参考站观测的载波相位同步观测值( 根据需要有时需包括伪距观测值) 以及 参考站坐标通过可靠的数据通信链路实时播发给用户“+ “。动态用户根据 当前载波相位观测值( 以及伪距观测值) 和广播星历进行实时相对定位。根 据已知的参考站精确坐标，可以计算用户瞬时位置，如图1 1 所示。 常规r t k 技术是建立在相对定位中流动站与参考站之间误差强相关 假设基础之上的。当流动站离基准站较近( 例如不超过10 15 k m ) 时，上述 假设条件一般均能较好地成立，此时利用一个或数个历元的观测资料即可 获得厘米级精度的定位结果。然而随着流动站和基准站问间距的增加，这 种误差相关性变得越来越差，定位精度迅速下降，当流动站和基准站的距 离大于5 0 k m 时，常规r t k 的单历元解一般只能达到分米级的精度“1 。 常规r t k 技术极大的方便了需要动态高精度服务的用户，但r t k 技术 有着一定局限性，使得其在应用中受到限制，主要表现为“1 ： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 接收机 基准站坐标 g p s 信号 基准站观测数据 划邕銎 基准站l 实时解算两站基线 实时解算w g s 8 4 坐标 并将其转换为国家坐 标和地方坐标 图卜lr t k 定位流程图 ( 1 ) 用户需要架设本地的参考站； ( 2 ) 误差随距离增长； ( 3 ) 误差增长使流动站和参考站距离受到限制( 1 0 1 5 k m ) ； ( 4 ) 可靠性和可行性随距离的增加而降低。 1 3g p s 网络r t k 技术 1 3 1网络r t k 的基本原理 网络r t k 技术的基本原理是利用多个基准站构成一个基准站网，然后 借助广域差分g p s 和具有多个基准站的局域差分g p s 中的基本原理和方法 来消除或削弱各种系统误差的影响，从而获得高精度的定位结果”“。与常 规r t k 相比，该方法的主要优点为覆盖面广，定位精度高，可靠性强，可 实时提供厘米级定位，应用前景广阔。 1 3 2网络r t k 的组成与分类 网络r t k 是由基准站网，数据处理中心和数据通信线路及用户四个部 分组成的“”。基准站上应配备双频全波长g p s 接收机，该接收机最好能同 时提供精确的双频伪距观测值。基准站的站坐标应精确已知，其坐标可采 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 用长时间g p s 静态相对定位等方法来确定。此外，这些站还应配备数据通 信设备及气象仪器。基准站应按规定的采样率进行连续观测，并通过数据 通信链实时将观测资料传送给数据处理中心。数据处理中心根据流动站送 来的近似坐标( 根据伪距单点定位求得) 判断出该流动站位于由哪三个基准 站所组成的三角形内，再利用选定基准站的观测资料求出流动站处所受到 的系统误差，并发播给流动用户来进行修正以获得精确的结果，必要时可 将上述过程迭代一次。基准站与数据处理中心间的数据通信可采用数字数 据网d o n 、无线通信或光纤传输等方法进行。流动站和数据处理中心间的 双向数据通信则可通过移动电话g s m 或g p r s 等方式进行。 网络r t k 的分类方法有多种，按照差分信息生成方式可分为三类“”： ( 1 )发送虚拟观测值或改正数的v r s 技术，它是由h e r b e r tl a n d a u 博 士提出，并由s p e c t r a ，t e r r a s a t 公司推向市场的模型。系统工作时，数据处 理中心实时接收各基准站观测数据( 包括各基准站的多路径模型数据) ，一 旦接收到用户( 流动站) 的概略坐标，即在其坐标处生成一个v r s ，同时利 用基准站的精确坐标和基准站的实时观测数据来对v r s 与各颗卫星的路 径上的对流层延迟和电离层延迟建模，虚拟出v r s 的观测值或者直接把 v r s 虚拟观测值改正数发送给流动站，从而实现高精度实时定位。网络服 务区内每一个流动站对应着一个不同的v r s 参考站，所以，存在许许多多 个v r s 参考站。 由于v r s 参考站发送的是正常格式的r t c m 信息，因而流动站并不需 要知道基准站所用的参数模型。其主要特点是： 流动站需要将本站的概略位置传递给数据处理中心，故数据处理 中心和流动站之间需要双向传输； 流动站仅需传递概略坐标，而数据处理中心仅需传递新生成的虚 拟观测值或虚拟改正数； 流动站只承担少部分计算，大部分计算由数据处理中心完成，流 动站仅要求一般的支持r t c m 的常规r t k 接收机，不需要另外的软件支持， 提高了兼容性，流动站唯一与常规r t k 不同的就是需要向数据处理中心传 输概略坐标，亦即虚拟站的坐标。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 ( 2 )发送区域改正参数的f k p 模式网络r t k ，即是由g e o + + 公司 w u e b e n n a 博士提出的全网整体解算模型。这是一种动态模型，它要求所有 基准站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值，实时地传 输给数据处理中心，通过数据处理中心的实时处理，产生个称为f k p 的 空间误差改正参数，然后将这种f k p 参数通过扩展的r t c m 信息，发送给 所有服务区内的流动站，进行联合求解实时坐标。其主要特点是； 数据处理中心承担部分计算； 数据处理中心发送区域改正参数； 数据仅需单项传输； 对用户的数量没有限制； 流动站仅需要购买新的软件来支持这种模式。 f k p 模式发展也比较快，国内外关于这种模式的研究也很多。比较著 名的瑞士l e i c a 公司就采用这种模式。 ( 3 )原始数据播发模式r d b ( r a wd a t ab r o a d c a s t i n g ) 的网络r t k ，主 控站将各参考站的原始数据按r t c m l 8 1 9 的格式发送给用户站，或者由各 参考站直接独立的把r t c m l8 1 9 格式差分信息发送给用户站，用户站通过 和本站数据联合求解得出实时点位坐标。其主要特点是： 数据处理中心只做数据服务，包括数据质量检测； 差分信息由流动站得到； 数据传输量大，冗余多； 数据单项传输不需要用户向数据处理中心发送任何信息； 系统对流动站数量没有限制； r d b 方式需要巨大的数据传输量，这成为该技术发展的瓶颈，所以实 际应用并不多。 1 4国内外发展现状 2 0 世纪9 0 年代以来，国际上逐渐开始了对网络r t k 的研究，目前网络 r t k 是世界g p s 精密定位研究的一个热点，并且前景很广阔。经近十年的 努力，科学家们提出了各种理论和方法，比较成熟的有v r s ( v i r t u a l 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 r e f e r e n c es t a t i o n s ) 和f k p ( 即n e t w o r ka r e ac o r r e c t i o n s ) 技术。网络r t k 以 v r s 和f k p 这两种解决方案最具代表性，目前v r s 技术应用更多、更为成 熟一些。 目前，全球装有t r i m b l e 基础设施网络包括：德国、奥地利、瑞士、美 国( 包括阿拉斯加州) 、加拿大、挪威、瑞典、芬兰、丹麦、比利时、法国、 西班牙、意大利、英国、荷兰、波兰、捷克共和国、斯洛文尼亚、克罗地 亚、塞尔维亚、澳大利亚、马来西亚、台湾、韩国和日本。其中比较著名 的有德国的s a p o s 网、瑞士的s w i s s 网和日本的j e c 网。 从2 0 0 0 年起，我国深圳、香港、成都、东莞、武汉、上海、四川、天 津等各大城市采用网络r t k 虚拟参考站技术，昆明、重庆采用徕卡的主辅 站技术( m a x ) 相继建立了本地的城市综合卫星定位服务系统。目前连云港 正在筹建之中( 拟采用徕卡的主辅站技术) ，河北、广东、江苏等省市也正 在积极地筹备之中。 上海v r s 网络由上海市测绘院负责运营，作为数字上海信息系统基 础结构系统之用。 武汉系统由武汉市勘测设计研究院运营，由6 套运行t r i m b l e g p s n e t 和r t k n e t 软件的t r i m b l en e t r sg p s 参考站组成。该网络是中国第一套用 虚拟专用网( v p n ) 来传输g p r s 无线通讯数据的网络。 东莞网络包括5 套使用t r i m b l eg p s n e t 和r t k n e t 软件的t r i m b l e 5 7 0 0 连续运行参考站，它由东莞市国土资源局运营。 天津市城市虚拟参考站系统于2 0 0 5 年初建成，该系统在天津市行政 区域内共建1 2 个基站，采用t r i m b l e n e t r sg p s 参考站，在全天津市任何地 区都可以无限制地进行单流动站的r t k 作业。 北京v r s 网络由北京信息资源管理中心运营，包括9 套t r i m b l e5 7 0 0 c o r sg p s 参考站，使用t r i m b l eg p s n e t 和r t k n e t 软件。、 四川省地震局在成都启动了“成都虚拟参考站卫星定位服务系 统”( 简称c d v r s ) 的建设，于2 0 0 4 年7 月建成运行，成功搭建了一个设计合 理、运行稳定、功能完善、覆盖面积最大的基于v r s 技术的城市综合卫星 定位服务系统。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 昆明市连续运行g p s 参考站系统的建设于2 0 0 4 年3 月正式启动，共 建6 个参考站，采用徕卡主辅站技术，历时1 6 个月，于2 0 0 5 年5 月全部完成。 昆明市连续运行g p s 参考站系统采用目前最新国际网络r t k 标准，通过动 态实时a d s l 网络建立v p n 虚拟专网实现参考站与数据中心的实时不问断 数据通讯。 1 5本文研究的主要内容 ( 1 ) v r s 系统的组成与原理。主要介绍v r s 的基本概念、原理和工作 方法，并对v r s 涉及的关键技术进行了探讨和对其优越性进行了介绍。 ( 2 ) v r s 系统的误差源分析。本文把定位的误差源分为距离相关误差 ( 包括对流层延迟误差、电离层延迟误差和轨道误差) 、时间相关误差( 包括 接收机钟差和卫星钟差) 以及测站相关误差( 包括多路径效应误差，接收机 观测误差和观测噪声) ，并对双差对流层延迟和双差电离层延迟进行了详 细地介绍与分析。 ( 3 ) 流动站的初始位置对综合误差改正数的影响。v r s 系统中的误差 不但指经过建模的距离相关误差、时间相关误差和测站相关误差，而且还 受到系数参数m 以及流动站初始位置精度的影响。本文详细讨论了参数系 数及流动站初始位置精度对v r s 系统定位精度影响的问题。 ( 4 ) v r s 双差对流层延迟改正数的建模。在建立v r s 双差对流层 延迟模型时，除顾及平面位置因子的影响外，还应考虑高程的影响。 论文采用各参考站间的高差作为参数因子，按其数目和组合模式的 不同，提出了参数化模型。 ( 5 )结合“天津市g p s 连续观测站网系统的数据”，对差分改正信息 中的双差对流层延迟采用文中提出的各种内插算法进行了计算与分析，采 用综合误差线性内插模型对差分改正信息进行了计算，并进行了精度分 析。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 2v r s 系统的组成与原理 2 1v r s 的概念 v r s ( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ) 的意思是虚拟参考站，是一种多基准 站环境下的g p s 载波相位差分定位技术，代表的是g p s 的网络r t k 技术。它 的出现将使一个地区的所有测绘工作成为一个有机的整体，结束以前g p s 作业单打独斗的局面。同时，它将大大扩展r t k 的作业范围，使g p s 的应 用更广泛，精度和可靠性将进一步提高，使从前许多g p s 无法完成的任务 得以完成，因此常把v r s 技术列为网络r t k 技术的一种。该技术在常规r t k 技术基础上发展起来，但与常规r t k 相比有着巨大的优势，它不仅仅是g p s 的单一产品，还是集i n t e r n e t 技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和 g p s 定位技术于一体的定位系统，代表了继常规r t k 之后的新一代定位技 术的发展方向“。 2 2v r s 的原理 虚拟参考站就是利用地面布设的多个基准站组成g p s 参考站网综合 利用各个基站的观测信息，通过精确的误差模型修正卫星的各种误差，在 用户站附近产生一个物理上不存在的基准站，与用户站构成短基线或者超 短基线差分，用户站接收该基准站的差分信息进行定位和测速“”。v r s 系 统包括四个组成部分：控制中心、固定参考站、数据通讯系统、用户部分。 控制中心是整个系统的核心，同时兼备数据处理和通讯控制功能，它和固 定参考站通过通讯线( 光缆、电话线) 通讯，还可以通过无线网络( g s m ， g p r s ) 与移动用户通讯。控制中心运行相应的数据处理软件并控制整个系 统的运行。周定参考站是g p s 的接收系统，一个v r s 网络至少需要3 个固定 的参考站，固定参考站的数据通过通讯线实时传送到控制中心进行处理。 用户部分其实就是接收机加上无线通讯的调制解调器，它可以放置在不同 的载体上。接收机通过无线网络把自己的初始位置发给控制中心，并接收 控制中心的差分信号，生成定位信息。 v r s 技术主要利用网络内所有基准站的观测数据，结合基准站的精确 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 坐标以及流动站的概略坐标，在流动站附近产生一个虚拟参考站，由于虚 拟参考站和流动站距离较近( 一般为几米到几十米) ”，因此建立了虚拟参 考站以后，流动站就可结合虚拟参考站利用常规r t k 技术进行实时相位差 分定位，以获得较高精度的定位结果。从用户角度分析，上述原理相当于 用户接收一个没有实际架设的“虚拟参考站”发出的虚拟参考数据( 包括参 考站载波相位观测值和参考站精确坐标) ，并进行实时r t k 解算，因此把上 述技术称为虚拟参考站技术( v r s ) 。 毒蠹薪茹茗ii 基准站已知坐标li 毛嚣黜 v r s 坐标 计算基准站间的g p s 模糊度和误差模型 测量点近似坐标； 接收机天线类型； 历元间隔：起始观测时间 计算虚拟参考站的 观测数据 g p s 测量用户： 利用虚拟参考站观测 数据进行定位计算 图2 1v r s 虚拟参考站计算流程图 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不停地发给控制中 心。同时，移动用户在工作前，先通过蜂窝通讯采用标准的n m e a g g a 数 据串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，整体的改正g p s 的轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误 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基站，差分信号可以通过蜂窝通讯设备由控 制中心传送给流动站，从而解决了r t k 作业距离上的限制问题，并保证了 用户的精度“”。 征宁工程技术大学硕士学位论文 9 在虚拟参考站技术中，需要用到流动站的概略坐标，即流动站首先根 据伪距观测值和广播星历进行单点定位，将定位结果作为流动站的概略坐 标实时传递给数据处理中心，数据处理中心在该概略坐标处建立一个虚拟 参考站。由于单点定位的精度所限，流动站真实坐标和虚拟参考站坐标之 间的差距可能在2 0 4 0 m 左右”3 。 但对于高动态用户或者活动范围较大的流动用户( 如飞机和汽车) 而 言，流动站与初始v r s 站间的实际距离会随着流动站的运动而增大，仍然 会产生系统误差相关性减弱的现象，此时残余的误差也将增大，从而增加 解算整周模糊度的难度以及影响流动站和v r s 间基线的定位精度。因此当 流动站不断更新自己的概略位置时，v r s 位置也需要不断的更新，即v r s 也要沿着流动站运动轨迹运动。 2 3v r s 工作流程 v r s 工作的基本流程如下； ( 1 )各参考站的g p s 观测卫星数据通过通讯链不停地被传送到控制 中心，控制中心对每个参考站的数据进行质量检测，去除大的粗差并修正 周跳并计算电离层、对流层、轨道误差和多路径效应的模型参数。 ( 2 ) 结合基准站的精确己知坐标，解算局域差分网中各基线的载波相 位整周模糊度； ( 3 ) 利用已知的载波相位观测值以厘米级精度推算每一条基线上的 各种误差源产生的实际误差； ( 4 ) 单点定位确定用户的概略位置，利用建立的误差模型，结合流动 站、基准站和g p s 卫星的相对几何关系，通过线性内插算法计算每一颗可 见g p s 卫星到流动站之间各误差源引起的误差； ( 5 ) 控制中心在流动站概略位置处创建一个虚拟参考站，该参考站的 位置随流动站位置的变化而变化，始终与流动站构成短基线差分。对实时 应用，虚拟基准站数据变成标准差分数据格式( 如r t c m 格式) 通过蜂窝通 讯设备由控制中心发送给流动站。对事后处理，虚拟参考站数据可以按 r i n e x ( r e c e i v e r i n d e p e n d e n te x c h a n g e ) 格式存储。流动站可以将虚拟参考 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 站当作一个普通基准站使用。 ( 6 )流动站接收机接收到虚拟参考站差分信息后，采用常规r t k 技 术，进行差分解算。 其数据流程图为： r a wo b s e n 目t i o n 生成v r s 改正数 控制中心 键黼i 基准站进行r 像解算i 4 ” 兰甄陬州o b s e n 枷i o n”鼍 糕糍引准站 流动站概略坐标，l 后传送误差改正数i基准站 f b wo b s e n 矗t i o n 图2 2y r s 数据沉程图 2 4v r s 的关键技术 ( 1 ) 整周未知数的求解1 较为典型的整周未知数解算技术是利用整周未知数协方差矩阵，采用 卡尔曼滤波以及加权最小二乘算法进行处理。1 9 9 0 年f r e i 和b e u t l e r 提出了 整周未知数快速解算法( f a s ta m b i g u i t yr e s o l u t i o na p p r o a c h ，f a r a ) 。l 9 9 4 年，t e u n i s s e n 提出了z 变换法( z - t r a n s f o r mm e t h o d ) ，1 9 9 5 年c h e n 和l a c h a p e l 提出t 快速整周未知数搜索滤波算法( f a s t a m b i g u “ys e a r c hf i l t e r ，f a s f ) 1 9 9 6 年h a n 提出了最优整周未知数选择法。l a t c h 以及l u 先后于1 9 8 9 午和 1 9 9 5 年提出了用双频数据辅助改善整周未知数的解算方法“1 。 最近的研究集中在利用单个历元观测值解算整局未知数，h a n 以及 p r a t t 分别论述了这种方法。该方法需要双频观测值，缺点是对系统误差的 差分残差更为敏感。高星伟博士提出了一种新的模糊度解算方法“”：网络 r t k 流动站的单历元整周模糊度搜索法。其主要思想为直接利用模糊度为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 整数和双频模糊度之间存在线性关系进行搜索，但有一个前提条件，就是 与频率有关的误差，主要是电离层延迟必须很好的消除，除只含有与频率 无关的误差。 ( 2 ) 参考站数据完整性监测 受接收机内部噪声和外界干扰等因素影响，基准站测量数据有时会出 现较大误差，如载波相位跳周等。一般定位使用预报的卫星星历，在某些 情况下，个别卫星播发的星历存在较大误差，使用这种卫星的测量数据， 将恶化定位精度。虚拟基准站的差分信息是根据所有基准站的测量数据经 综合处理形成的“”，如果某一个基准站数据质量发生问题( 如载波相位跳 周) 而没有被及时检出，直接导致虚拟基准站差分信息精度下降，影响流 j 动站测量精度。基于可靠性考虑，基准站通常冗余配置，取消单个基准站 对整个系统不会有很大影响。因此，在某个基准站测量数据出现问题的情 况下，若g p s 网络数据处理中心能检测出来，剔除不可靠的数据，采用其 它基准站的数据，仍能产生符合精度要求的虚拟基准站差分信息。由于基 准站之间相对位置完全固定，基线长度是已知的，利用观测量( 伪距和载 波相位) 之间的单差和双差，根据若干个三角形闭和差，可顺利检测出误 差的数据并予以剔除，确保用于产生v r s 的全部数据都是有效的。 ( 3 ) 系统通讯网络及其数据链路的畅通性和安全性 各参考站与控制中心之间的数据通讯 由于各参考站之间的几何位置相差很大，要使数据传输到主控站上可 以使用i n t e f n e t 或者使用专线。由于参考站数据是控制整个用户定位精度 的关键，如果出现数据断路，会极大的影响用户定位精度甚至中断用户的 差分定位( 在没有冗余参考站数据的情况下) ；如果在营运阶段出现这种情 况会带来很大的损失。鉴于系统对参考站与主控站的数据通信有很多特殊 要求，比如：需要保证数据的实时性，即要在规定时延内将各参考站数据 集中到主控站；要具有相当的数据传输率，即要保证一定的数据带宽。 因此，建议使用专线通讯方式比如d d n 专线接入或者帧中继专线接入 等。它是利用数字信道提供永久性连接电路，用来传输数据信号的数字传 输网络。可提供速率为n 6 4 kb p s ( n = l 。2 ，3 3 1 ) 和n 2 mb p s 的国际、 辽宁工程技术大学硕士学位论文 国内高速数据专线业务。可提供的数据业务接口：r s 2 3 2 、r s 4 4 9 、r s 5 3 0 等1 。 d d n 专线接入向用户提供的是永久性的数字连接45 1 ，不进行复杂的 软件处理，因此延时较短，避免了传统的分组网中传输协议复杂、传输时 延长且不固定的缺点。d d n 专线接入采用交叉连接装置，可根据用户需要， 在约定的时间内接通所需带宽的线路，信道容量的分配和接续均在计算机 控制下进行，具有极大的灵活性和可靠性，使用户可以开通各种信息业务， 传输任何合适的信息，因此，d d n 专线接入在多种接入方式中深受用户的 青睐。 用户站和控制中心的数据通讯 由于用户端处于移动状态，所以与主控站的通信必须采用无线的方 式，而且必须是双向传输，目前有g s m 短信方式，w l a n ( 无线局域网) 方 式和g p r s ( 通用分组无线业务) 方式，g s m 短信数据传输率低而且存在很 大时延，且费用按接入的时间计算，所以不宜采用。g p r s 采用先进的无 线分组技术，将无线通信和因特网紧密结合起来；而且只要激活g p r s 应 用后，将永远保持在线，但是其费用按g p r s 流量计算；语音和数据业务 可以切换使用，适合小流量高频率传输的数据业务，它的传输速率完全能 够满足用户站和数据中心之间的传输要求。鉴于费用和传输率两方面考 虑，g p r s 是最好的选择，其传输率可达1 0 0 k b p s ，完全可以达到要求。但 是覆盖范围有一定限制，只能在g p r s 覆盖范围内有效，这并不妨碍它在 数据传输中的应用。 ( 4 ) 系统误差的消除 系统误差对于定位精度的影响主要是在双差观测方程中存在的未消 除的系统误差经过差分后的残差，而这些误差由于在定位解算中没有考 虑，而对定位结果产生影响。这些误差包括：卫星轨道误差，大气传播误 差( 电离层延迟误差、对流层延迟误差) 、多路径效应以及接收机噪声的影 响，具体将在本文第三章中介绍。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 3虚拟参考站网络系统 2 5v r s 的优势 与常规r t k 相比，v r s 技术对电离层、对流层等改正考虑较好、定位 可靠性和精度较高、作用范围较大、精度分布均匀，极大地提高了工作效 率。它可以利用参考站网络的精确坐标和实时观测数据建立焦点区域的电 离层、对流层等距离相关误差模型，生成差分信息并以r t c m 电文的方式 发送给用户站。v r s 的优势可表现为： ( 1 ) v r s 的覆盖范围增大。v r s 网络可以有多个站，但最少需要3 个。 按边长7 0 k m 计算，一个三角形可覆盖面积为21 0 0 多k m 2 ( 2 )相对传统r t k ，提高了初始化时间和精度。( 1 p p m = 1 1 0 4 ) 的概念 没有了，在v r s 网络控制范围内，精度始终在士l 2 c m 。 ( 3 ) 可靠性也随之提高。采用了多个参考站的联合数据，控制中心实 时监控各参考站的实际运行情况，一旦某参考站出现问题，控制中心将自 动终止该参考站的运行，随时选择其它参考站进行观测计算，使网络运行 大大提高了可靠性。 ( 4 ) 费用将大幅度降低。7 0 k m 的边长使建g p s 网络费用大大降低，用 户不再架设自己的基准站。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3v r s 系统误差源分析 对系统误差源的研究是生成关于误差的改正参数以及正确模拟g p s 载 波相位观测值的前提。由于各种误差源在特性上存在明显差别，因此在研 究和应用中宜分别处理。本文中将把误差源分为空间相关误差和非空间相 关误差。在分析双差观测方程的基础上对各种误差源的削弱和消除的方法 作总体的分析。 g p s 观测受多种误差源影响，通常按其来源可分为三种类型“”： ( 1 ) 与卫星有关的误差：主要包括卫星轨道误差、卫星钟误差等； ( 2 ) 信号传播误差：g p s 主要在距地面2 0o o o k m 的高空运行，g p s 信 号向地面传播时要经过大气层，因此，信号传播误差主要包括电离层误差、 对流层误差以及多路径效应影响； ( 3 ) 与接收机设备有关的误差：主要包括接收机钟差以及观测噪声。 在研究误差对g p s 测量的影响时，往往将误差化算为卫星至测站的距 离，以相应的距离误差来表示，称为等效距离误差。在美国政府取消s a 政策以后，电离层误差是最大的误差源。在发生电离层剧烈变化的情况下， 其等效距离误差甚至可以达到上百米，这将严重影响g p s 定位和授时工作 的顺利进行。 上述误差虽然都存在于v r s 系统中，根据研究在v r s 系统中，定位精 度主要受三类误差的影响：距离相关误差、时钟误差和参考站有关误差。 3 1电离层延迟 电离层是距离地表面高度为6 0 lo o o k m 间的大气层。在太阳紫外线、 x 射线、y 射线和高能粒子等的作用下，电离层中的中性气体分子被电离， 产生大量的正离子和自由电子，而且两者的密度是相等的，从而形成了一 个电离区域。当g p s 信号通过电离层时，不仅会导致g p s 信号的路径弯曲 ( 但对测距结果所产生的影响不大，在一般情况下可不考虑) ，而且会引起 g p s 信号传播速度的变化，变化程度主要取决于电离层中的电子密度和信 号频率。 在离子化的大气中，忽略高阶电离层效应的影响，g p s 信号折射率的 弥散公式为 = - 一惫， 式中； q 为电荷电量；m 。为电子质量；。为电子密度；岛为真空介 质常数，代入以上常数值，并忽略二次微小项，由上式可得 ，b = l 一4 0 2 8 篓( 3 2 ) 单一频率电磁波穿过电离层时的折射率等于相折射率因此有， 怖= 村，g p s 信号载波在电离层中的相速( 单一频率的电磁波，其波峰或 波谷随时间而变化移动的速度称为相速) 为 = 昙- c ( 1 + 4 0 2 8 争( 3 - 3 )”p， 根据电磁波理论，g p s 信号的群折射率为 驴矿，等小纯2 s 争( 3 _ 4 ) 硼p + ，彳1 + 4 0 2 8 ( 3 。4 ) g p s 信号的伪噪声码在电离层中的群速( 多个频率合成的电磁波，其合 成波之波峰或波谷随时间变化而移动的速度称为群速) 为 2 昙2 矗逸- c 毗s 抄m s ，1 1 + 4 0 2 8 墨”“。厂2 7”1 1 式中；c 为真空中光速； g 为电子密度，每立方米的电子数目： ，为载波频率。 考虑到咖= 附，则可知道真实站星距离为 p = 以者= 肛一伴加( 3 6 ) 若顾及出= d c ) ，则( 3 6 ) 式可写成 p 2 锄一笋弘和= p 一笋少妒协， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 同理可知 户= 忆毋珊址+ 等几和刈+ 力五+ 等几妒( 3 - 8 ) 址j 口 j o 。 则知伪距测和载波相位测量的电离层效应的距离偏差改正分别为 式中： 珏c = l n g d p 铲笋少咖一等一， = + 等。咖= + 等聊 。 ， 。 ( 3 10 ) t e c 是底面积为1 平方米而贯穿整个电离层的柱体中的自由电子数目， 研究表明t e c 随着电离层高度、地方时、季节、测站位置和年份的不同而 变化。因此伪距测量和载波相位测量的电离层效应距离偏差改正也随上列 因素而变化由于影响电离层电子密度的因素复杂，难以可靠的确定观测 时刻沿电磁波传播路线的电子总量，所以利用g p s 单频接收机的用户消除 其影响的有效性不会高于7 5 。目前为减弱电离层的影响，比较有效的措 施主要有： ( 1 ) 根据全国各电离层观测站长期以来积累的大量观测资料来拟合 电离层模型，建立经验改正公式。 ( 2 ) 利用电离层的色散效应建立双频改正模型。 ( 3 )利用若干个g p 8 基准站上的双频值来建立相应区域的电离层延 迟改正模型。 3 2对流层延迟 从地面向上5 0 k m 为对流层，大气层中9 9 质量集中在此层，大部分的 气象现象也出现在此层。电磁波在其中传播速度与频率无关，而与大气的 折射率以及电磁波传播方向有关。大气折射率与大气压力、温度以及湿度 有关，一般将对流层中大气折射率分为干分量以及湿分量两部分。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 3 2 1对流层延迟计算模型”“ 真空的折射系数行为l ，电磁波信号在真空中的传播速度c = 2 9 9 7 9 2 4 5 8 k m s ，若对流层中某处的大气折射系数为玎，则电磁波信号在该处 的传播速度为肛c 肠。所以当电磁波信号在对流层中的传播时间为f 时， 其真正的路径长度p 为： p 。肛= l 三国2 而墨毋l 俨( 川) 】+ ( 川) 2 七- 1 ) 陟( 3 - 1 1 ) 式中的( 一1 ) 是一个微小量，故高阶项可忽略不计。于是有： p = c 【1 一。一1 ) 】出= c f l 一l 弘国= 出一( 丹一1 ) 凼( 3 一1 2 ) 丘月一1 ) 西即为对流层延迟，而= 一永疗一1 ) 凼即为对流层延迟改正 对流层偏差距离定义为天顶方向上的对流层偏差量& 与相应卫星高 度角风的映射函数坝e s ) 的乘积： r ，d ，p = k z j j i f ( e s ) ( 3 - l3 ) 研究表明，9 0 的对流层偏差距离是源于大气中干燥气体的影响，称 为干分量，以a k z d 表示，这也是影响对流层偏差的主要量，除此之外的1 0 的对流层偏差距离是由大气中的水分子的偶极距引起的，称为湿分量，以 足跏表示。与干、湿分量相应的映射函数坝e s ) 也分解为干、湿映射函数 肜d ( e j ) 和 抑( e j ) ，因此有 瓦瑚= a k z d m d ( e s ) + a k z w m w ( e s ) ( 3 - 1 4 ) 常用的映射函数有c h a o 函数和d a v i s 函数。c h a o 函数为 膨。( e ) = 二_ - 。( 3 1 5 ) 血即南 式中：玎= d ，形分别表示干、湿分量，且 口d = o 0 0 l4 3 口= 0 0 0 45 6 d = o o o o356 酽= o 0 17 d a v i s 映射函数湿分量形式与c h a 0 函数一致，主要是针对c h a o 函数 的干分量，其形式为 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 肘。( e ) 2 _ = _ 二- ”( 3 - 1 6 ) 血即毫 口= 0 0 0 18 5 【1 + o 6 0 71 1 0 4 ( p g l0 0 0 ) o 1 4 7l l o 3 p g + o 3 0 7 v 2 1 0 。2 ( - 2 9 3 1 6 ) + o 1 9 65 1 0 。1 ( 吐+ 6 5 ) o 5 6 45 1 0 2 ( 匝- 1 1 2 3 1 ) 】 6 = o 0 0 11 4 【1 + o 1 1 64 1 0 4 ( ，g 一10 0 0 ) o 2 7 95 1 0 3 p g + o 3 1 09 】0 2 ( 7 台一 2 9 3 1 6 ) + 0 3 0 38 1 0 。1 ( a + 6 5 ) o 1 2 17 1 0 。1 ( 胁一1 1 2 3 1 ) 】 ，p g ，e g 分别为地面站的湿度、大气压和水蒸气压； 胁为同温层的高度；口为温度线性递减率，a = 砚砌。 ( 1 ) 普菲尔德( h o p f i e l d ) 模型 ( 3 - 1 7 ) 由式( 3 1 7 ) 可知，在整个度符号对流层中高程没增加1 k m 气温r 就将下 降6 8 ，直至对流层的外缘气温等于绝对温度o 。为止。气压j p 和水气压g 也将随高度厅的增加而降低。顾及气态方程p 忙月r ，可导得霍普菲尔德模型 如下： 丛= 笛一+ 丛。= 面面匆+ 五南 髟- 1 5 5 2 l o - 7 ，号( ”丸) 耻1 5 5 2 7 等呱”砖) = 4 0 1 3 6 + 1 4 8 7 2 ( r 一2 7 3 1 6 ) 向。= 1 1 0 0 0 ( 3 一l8 ) 删 馏 喘 = i i i 打一砌护一砌出一砌 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 式中：温度采用绝对温度，以度为单位；气压p 和水气压e 均以毫巴为单位； 高度角以度为单位；s 、乱均以米为单位。 ( 2 )萨斯塔莫宁( s a a s t a m o i n e n ) 模型 丛= 警m 雩+ o 吵一去卜即一吖s m j 式中；( 伊日) = l + o 0 0 2 6 c o s 2 妒+ o o 0 0 2 8 吃，其中妒为测站的纬度，为测站 高程( 以千米为单位) 。b 是虬的列表函数，占r 是e 和的列表函数。 经数值拟和后上述公式可表示为： 丛= 警m 雩+ o 。s 巳一击 f 2 鼍之箩、 ( 3 - 2 0 ) 如孙+ 半巳卜 。一。 a = 1 1 6 一o 1 5 1 0 - 3 吃+ o 7 1 6 l o - 3 碍 其余符号的含义与霍普菲尔德模型中符号的含义相同。 ( 3 ) 勃兰克( b l a c k ) 模型 缝= k a一6 ( e ) i + k ，一6 ( e )