（大地测量学与测量工程专业论文）网络rtk及在线增值服务系统.pdf

摘要 网络r t k 是近几年发展起来的一种高精度的g p s 定位技术，与传统的r t k 相比， 该技术具有覆盖面广、定位精度高、可靠性高等优点。它代表着g p s 定位技术的最新 发展方向。然而，就国内网络r t k 的使用来看还存在一些不足，一方面表现为坐标成 果单一，且与实际运用中的坐标系不一致；另一方面网络i 汀k 还主要是平面运用，不 能实时提供高程服务。这些均限制了网络r t k 的应用与推广。 本文在介绍网络r t k 定位原理、关键技术等的基础上，针对网络r t k 的管理应用 设计了基于w e b 的网络r t k 基础测绘服务系统叫o r s 在线增值服务系统。论文设 计中，采用m i c r o s o f ti i s 和n e t 平台的a s p n e t 技术相结合建立网站，以v c # 语言进 行代码编写，实现对后台s q l 数据库中数据的读写及页面与用户的互操作功能。该网 站的主要功能包括用户的登录、各种坐标成果( 包括正常高) 的获取、用户信息的查询。 其中正常高的获取是以后台s q l 数据库存储的离散点的高程异常值为基础，采用双线 性内插的方法获取该点异常值，并对其大地高进行修正的。 论文中采用少量模拟数据进行了实验，验证了系统的可靠性与实用性，实现了多种 平面坐标及正常高的获取，满足设计要求。同时，将数据通过网络向社会发布，供各类 用户分享，进一步提高了测绘成果为社会服务的功能。 关键字：网络r t k 、在线增值服务系统、高程异常、双线性内插、数据库 a b s t r a c t g p sn e t w o r kr t kp o s i t i o n i n gi sak i n do fh i g hp r e c i s eg p sp o s i t i o n i n gt e c h n i q u e w h i c hh a sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s c o m p a r e d 诵t hc o n v e n t i o n a lr t k ，t h i st e c h n i q u eh a s m a n ya d v a n t a g e sl i k ew i d e ra c t i o na r e a , m o r ea c c u r a t e ，m o r er e l i a b l ep o s i t i o n i n ge t c i t r e p r e s e n t sa n o v e ld e v e l o p i n gt r e n do fg p s h o w e v e r ，t h e r ea r es o m ed e f i c i e n c i e si nd o m e s t i c u s i n g m a i n l y f o rt h eo n ek i n dc o o r d i n a t e s ，t h i si sa l s oi n c o n s i s t e n t 谢t ht h ec o o r d i n a t es y s t e m i nt h ep r o j e c t ；a d d i t i o n a l l y , t h en e t w o r kr t ki sm a i n l yu s e dt oa c q u i r ep l a n ec o o r d i n a t e s ， a n dc a n tp r o v i d ee l e v a t i o ns e r v i c ei nt i m e t h e s eh a v eb o ml i m i t e dt h ea p p l i c a t i o na n d p r o m o t i o no f t h en e t w o r kr t k t l l i st h e s i s ，o nt h eb a s eo fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ep r i n c i p l e sa n dt h ek e yt e c h n o l o g i e so f n e t w o r k r t k ，d e s i g n s t h ew e b s y s t e m a b o u tn e t w o r kr t kb a s i c s u r v e y i n g s e r v i c e - - - f s c o r so n l i n e v a l u e a d d e ds e r v i c es y s t e m ，w h i c ha i m sa tt h ed e f e c t si n m a n a g e m e n ta n da p p l i c a t i o no fn e t w o r kr t k i np r e s e n tp a p e rd e s i g n ，u s e dt h es o f t w a r eo f m i c r o s o f ti i sc o m b i n ew i t ha s p n e to f n e tp l a t f o r mt oe s t a b l i s hw e b s i t e ，a n de d i t e di n v c # l a n g u a g e ，i m p l e m e n tt h er e a d w r i t e o fd a t ai ns q ld a t a b a s eo fb a c k g r o u n d t h e f u n c t i o n so ft h ew e b s i t em a i n l yc o n t a i nu s e r s v i s i t , a c q u i r e m e n to fa l lk i n d so fc o o r d i n a t e s ( c o n t a i nn o r m a lh e i g h t ) a n du s e r s i n f o r m a t i o n t h ea c q u i r e m e n to ft h en o r m a lh e i g h ti sb a s e d o nt h eh e i g h ta n o m a l yv a l u e si nt h es q ld a t a b a s e ，t h e ng e tt h ea n o m a l yv a l u eo ft h i sp o i n t u s i n gt h eb i l i n e a ri n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n dc o r r e c tt h eg e o d e t i ch e i g h t h e r ed i da ne x p e r i m e n to nas m a l la m o u n to fs i m u l a t e dd a t a v e d f yt h er e l i a b i l i t ya n d p r a c t i c a l i t yo ft h es y s t e m ，a c h i e v e dt h et a r g e tt h a ta c q u i r ea l lk i n d so fc o o r d i n a t e sa n dn o r m a l h e i g h t s ，m e tt h er e q u i r e m e n t so fd e s i g n a tt h es a m et i m e ，i s s u i n gt h ed a t at ot h ep u b l i c t h r o u g ht h en e t w o r kf o rv a r i o u st y p e so fu s e r st os h a r e ，i m p r o v e dt h es o c i a ls e r v i c eo f s u r v e y i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：t h en e t w o r kr t k ，o n l i n ev a l u e a d d e ds e r v i c es y s t e m ，h e i g h ta n o m a l y ，b i l i n e a r i n t e r p o l a t i o n 、d a t a b a s e i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1g p s 定位技术的发展历程 g p s 是全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的简称，是美国国防部为解决军事目 的而建立的。能够向用户提供全天候、全球性连续覆盖、实时、高精度的三维位置、三 维速度和时间信息，是迄今为止最好的导航定位服务系统。近年来，随着信息处理技术 及软硬件技术的不断完善，g p s 应用领域不断开阔，定位精度不断提高。目前已广泛应 用于大地测量、工程测量、资源勘查，地壳运动监测、地球动力学、航空摄影测量等多 学科领域【1 1 。 总的来说，g p s 定位可以分为相对定位和绝对定位。绝对定位也叫单点定位，即利 用g p s 卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在w g s 8 4 坐标系 中相对于坐标原点( 地球质心) 的绝对位置。相对定位也叫差分g p s 定位，即至少用两台 g p s 接收机，同步观测相同的g p s 卫星，确定两台接收机天线之间的相对位置，由于 采用差分处理消除或减弱了观测值中与距离或空间相关的系统误差，因此，极大的提高 了定位的精度。 第一代的g p s 采用的是伪距单点定位。由于伪距测距码的波长较长( c a 码为2 9 3 m ， p 码为2 9 3 m ) ，精度受到卫星轨道误差、大气折射误差、卫星与接收机钟差等多种因素 的影响，尽管一些系统误差可以采用模型加以改正，但其残差是不容忽略的，因此，定 位精度较低。其中静态绝对定位可以达到米级，动态绝对定位一般为十几米到几十米， 在s a 政策执行期间甚至低于百米。这一精度远远不能满足大地测量精密定位的要求。 为了提高g p s 定位精度，第二代g p s 技术差分g p s 得到了普遍的重视和迅速 发展。其原理是由于相距较近的接收机之间的观测值中含有近似相同的系统误差，通过 观测值之间的求差，基本上消除了与距离或空间相关的系统误差。按照观测值的不同， 差分g p s 分为伪距差分定位和载波相位差分定位，由于载波的波长( h l = 1 9 c m ，也= 2 4 c m ) 比测距码波长要短得多，采用此技术，可以将相对精度提高到米级甚至分米级， 若采用事后的精密星历后处理，能将精度提高到厘米级。但是，整周模糊度的求解需进 行长时间的静止观测，以及数据的事后处理，均限制了载波相位测量在动态定位中的应 用。 快速逼近整周模糊度技术的出现解决了这一问题，整周模糊度可以被迅速的确定， 在此情况下，第三代定位技术r t k ( 实时动态) 技术产生了。这个技术是基于新的对 第一章绪论 整周模糊度的搜索算法，这个算法能极大地减小计算量，并能很好的利用连续整周数的 变化。于是r t k 技术广泛发展起来。r t k 技术是在已知坐标的点上假设一个基站，用 户通过不断地和基站通信求得流动站和基站的相对坐标。r t k 技术的精度可以达到分米 厘米级，但是，由于差分技术的前提是做差分的两站的卫星信号传播路径相同或相似， 要达到厘米级实时定位的精度，用户站和参考站的距离需小于1 5 k m ，随着距离的增大， 系统误差的相关性减弱，双差观测值中的系统误差残差迅速增大，定位精度迅速下降， 甚至无法取得固定解。 为了克服传统r t k 技术的缺陷，在2 0 世纪9 0 年代中期，人们提出了网络r t k 技 术。网络r t k 将广域差分技术和传统的r t k 技术相结合，采用高精度载波相位观测值， 在g p s 使用密集的地区，建立控制中心和连续运行参考站网，通过对多个连续运行参 考站的长时间连续观测，可以精确估计基准站网覆盖范围内的电离层误差、对流层误差、 轨道误差等信息，并发播改正信息给用户，据此削弱空间相关误差，并求得精确坐标， 这样不仅免去了用户建立基站的烦扰，同时实现了区域范围内厘米级、精度均匀、高可 靠性、实时动态定位，并解决了常规r t k 作业距离上的限制问题弘j 。现阶段，以网络 r t k 为代表的第四代定位技术已经悄然兴起并蓬勃发展。 1 2 网络r t k 定位技术简介 网络r t k 即多参考站r t k ，利用全球导航卫星系统、计算机、数据通信和互联网 等技术，在一个城市、一个地区或一个国家根据需求按一定距离建立若干个( 三个或三 个以上) 连续运行的参考站( 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 t a t i o n s ，简称c o r s ) 对该区 域构成网状覆盖，借助于互联网把每个参考站的数据实时传到数据处理中心，数据处理 中心在参考站精确坐标已知的情况下解算参考站间长基线模糊度，然后对网络范围内的 电离层误差、对流层误差、轨道误差等建立模型。并通过无线通讯链路 ( g s m g p r s c d m a 等) 实时发播改正数信息给用户，从而在用户端形成实时的高精度差 分定位。与传统的r t k 相比，网络r t k 主要有以下优点【3 4 j ： 1 、在网络r t k 技术中，线性衰减的单点g p s 误差模型被区域型的g p s 网络误差 模型所取代，即用少数参考站组成的g p s 网络来估计整个网络覆盖范围内的g p s 误差 模型，延长了移动站与基准站的作业距离，边长可以达到7 0 k m ，因此，仅需少量的基 准站就可以覆盖较为广阔的差分范围，如图1 1 所示：对于1 0 0 k i n * 1 0 0 k m 的范围采用 常规r t k 需要布设9 个基准站，且覆盖范围有限，而采用网络r t k 仅需4 个基准站， 2 长安大学硕士学位论文 费用大幅度降低并提高了作业效率； 图1 1 常规r t k 与网络r t k 基准站布设比较 2 、常规r t k 的测量准确度1 e m + l p p m d 中的l p p m d 的概念取消了，在控制的测区 范围内始终可以达到3 5 c m 左右，精度比较均匀； 3 、由于网络r t k 采用多个连续运行基准站观测数据，对覆盖范围内的对流层误差， 电离层误差，轨道误差等进行了更为准确的误差建模，有效的消除了用户端观测值中与 距离或空间相关的系统误差，可以进行更为有效的整周模糊度解算，改进了o t f 初始 化时间，提高了作业效率； 4 、提高了系统的可靠性和可用性，在一个基准站出现故障或数据不可用时，可以 剔除该基准站的数据，采用邻近的基准站数据； 5 、用户只需一台g p s 接收机，采用不同的软件或作业延时，就可以进行米级、分 米级、厘米级乃至毫米级精度等级的定位结果。 网络r t k 的优越性，使得近几年来网络r t k 处于一个蓬勃发展阶段。随着网络r t k 系统的日益完善，将会取代传统的r t k 测量模式，应用领域也将不断扩大。 1 3 国内外网络r t k 的应用现状 网络r t k 主要目标为：建立覆盖一定区域的连续运行卫星定位参考站网络，在大 范围内提供多种精度、多种模式的导航和定位服务，用户只需一台g p s 接收机，就可 以达到厘米级实时定位。这意味着r t k 测量不再需要假设基准站了，大地点不再靠埋 石来实现了，而是靠这些参考站。这代表着当今国家级大地测量系统的新概念。目前， 国内外有影响的进展和工作有以下几个【5 - l o 】： 1 、美国的g p s 连续运行参考站系统( c o r s ) 第一章绪论 它由美国国家大地测量局( n g s ) 负责，系统的当前目标是：使全部美国领域内的 用户能更方便地利用该系统来达到厘米级水平的定位和导航；促进用户利用c o r s 来 发展g i s ；监测地壳形变；支持遥感的应用；求定大气中水汽分布；监测电离 层中自由电子浓度和分布。美国主要有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。所有的基准站都配置双频载波g p s 接收机及抑颈圈天线。通过因特网每天向全球发送当天的数据。此外，还提供大地水准 面、坐标转换等服务。这样保证了用户用一台g p s 接收机在美国的任意位置观测，然 后通过因特网下载基准站数据，就能进行事后精密定位。 2 、日本的g p s 连续应变监测系统( c o s m o s ) 日本国家地理院( g s i ) 从9 0 年代初就开始地壳应变监测网的建设，2 0 0 5 年底，已经 建成1 2 0 0 个连续运行参考站，参考站之间平均距离为3 0 k m 。其主要作用为：建成超 高精度的地壳运动监测网络系统和国家范围内的现代“电子大地控制网点”；向测量用 户提供g p s 数据，进行实时动态定位，能够完全取代传统的g p s 静态控制网测量。 c o s m o s 以监测地壳运动地震预报为主要功能的基础上，目前结合大地测量部门、气 象部门、交通管理部门开展g p s 实时定位、差分定位、g p s 气象学、车辆监控等服务。 3 、德国的卫星导航定位与导航服务计划( s a p o s ) 德国的全国卫星定位网由2 0 0 多个永久性g p s 跟踪站组成，平均4 0 k m 一个。它把 德国各部门的差分g p s 计划协调统一起来，构成了国家首级动态大地控制网。它提供4 个不同层次的服务：米级实时d g p s ( 精度为+ l - 3 m ) ，采用r t c m 2 0 格式通过中长 波无线电通讯向用户播发参考站坐标和改正数；厘米级实时差分g p s ( 精度为1 - - - 5 c m ) ，通过u h f 向用户播发站坐标和改正数；精度为l c m 的准实时定位，通过电话系 统提供站坐标和观测值；高精度大地定位( 精度优于1 c m ) ，通过互联网向用户提供站 坐标及观测资料。 4 、深圳市连续运行参考站系统( s z c o r s ) 深圳市连续运行参考站系统( s z c o r s ) 是我国第一个实用化的实时动态c o r s ，其 网络实时动态定位采用v r s 技术，基线长为3 0 k m 左右。实时平面精度可达到3 c m ，垂 直精度可达到5 c m 。网络采用v r s 技术，系统以g s m 通讯方式向用户提供实时精密定 位服务，并可以通过因特网提供事后精密定位服务。成为深圳市空间数据基础设施的重 要组成部分。可以获取各类空间位置、时间信息及相关的动态变化，满足各类不同行业 4 长安大学硕士学位论文 对精密定位、快速和实时定位、导航的要求。可升级为国家级g p s 跟踪站、国家地壳 形变监测站。 从以上应用可以看出，c o r s 系统不仅可以构成国家新型大地测量动态框架，也将 极大地加快城市基础地理信息的建设，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，不仅满足测绘、基准的需求，还能满足多种变迁动态信息监测需求， 必将在城市经济建设中发挥重要作用。图1 2 有代表性的c o r s 系统分布图。 四 日奉c o s m o s ( 1 0 - 2 0 k i n ) 荧困的c o r s 0 0 0 - 4 0 0 k m )涤堋s z c o r s ( 1 5 - s 0 k m ) 图1 2 具有代表性的区域参考站网络分布 1 4 本课题研究内容及意义 c o r s 系统的出现使得大地测量能够以更快捷、更广泛的方式服务于国家建设，其 潜力是不可估量的。然而，从国内已经完成c o r s 系统建设的省市来看，c o r s 系统还 没有充分利用起来，其中一方面局限为c o r s 系统只提供w g s 8 4 大地坐标，而在勘测 酝誓 鬈盏 墨 ， 第一章绪论 施工中常用的平面坐标是西安8 0 坐标、2 0 0 0 国家坐标及北京5 4 坐标。用户在使用时， 需要求取转换参数并进行转换。造成在实际应用中的不便。另一方面，c o r s 系统和区 域似大地水准面格网模型成果尚没有达到完全自主的联合应用，c o r s 还是主要进行平 面运用，不能在线提供高程服务，没有达到预期的基于卫星导航定位的一体化测量目标。 本文通过网络编程、结合区域似大地水准面格网模型弥补了c o r s 系统这一缺陷。 它把平面坐标和高程结合起来，用户只需通过注册就可以获得各种坐标成果。通过用户 登录、数据转换、信息查询等来实现智能化的、高效率的测绘服务1 1 , 1 2 】。将测绘成果和 计算机网络信息技术相结合，实现全社会对空间信息的共享，提高了各类用户对空间数 据进行研究和生产应用的效率。其主要内容如下： l 、介绍了g p s 定位技术由最初的单点定位到网络r t k 的发展历程；介绍了网络 r t k 的基本思想及定位原理，并与传统的r t k 做比较，指出了网络r t k 技术的优势； 阐述了国内外有代表性的c o r s 系统及其应用状况。 2 、介绍了网络r t k 的组成及各个部分的功能，阐述了网络r t k 的工作原理及流 程；对目前采用的四种网络r t k 技术的基本思想、工作流程及数学模型分别进行了分 析。 3 、对网络r t k 的系统完备性监测及数据质量的控制做了简要的概述；分析了系统 中存在的主要误差及其消除的办法；阐述了网络r t k 长基线整周模糊度解算的特点， 并介绍了相关的模糊度求解的方法；此外，针对网络r t k 中改正数的生成算法及其模 型进行了分析。 4 、利用w e b 技术设计并实现了网络r t k 基础测绘服务系统。 6 长安大学硕士学位论文 第二章网络r t k 的组成及工作原理 2 1 网络r t k 的组成及工作原理 2 1 1 网络r t k 的组成 网络r t k 主要由参考站网子系统( r s s ) 、系统控制中心( s m c ) 、数据通讯子系统 ( d c s ) 、用户数据中心( u d c ) 、用户应用子系统( u a s ) ：e 部分组成，如图2 1 所示。 参考站网子系统 用户应用子系统 图2 1 网络r t k 组成示意图 各个部分的功能如下： l 、参考站网子系统由三个或三个以上的g p s 连续运行参考站组成，站与站之间的 距离可达7 0 k m ，主要设备有g p s 接收机、室外天线、u p s 、防电涌设备、通讯设备等。 所有参考站和流动站不直接通讯，只受数据处理中心的控制。其主要功能为进行卫星信 号捕获、跟踪、采集与传输及设备完好性监测。它的稳定性与可靠性将直接影响到系统 的性能，因此，在建站的时候，应选择在基础稳定、地势开阔、没有遮挡、多路径效应 很小的地方。从用户定位的角度出发，还应考虑参考站的建立应确保覆盖区域的定位精 度分布均匀。 2 、系统控制中心是整个c o r s 神经中枢，也是数据处理中心，通过s d h ( s y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ，同步数字体系) 专网或宽带网络实现与各参考站的有线连接。由内部 网络、数据处理软件、数据通讯设备、网络设备、服务器组成，其主要工作内容为：数 据处理、系统运行监控、信息服务、网络管理、用户管理等。 其中数据处理主要是对各基准站采集并传输过来的数据的质量进行分析和评价，并 对这些数据进行多站数据综合和分流，形成以标准r i n e x 或c m r 统一格式的差分修正 数据；另外，对各基准站数据按照文件目录方式存储，并提供网络数据下载服务。系统 控制中心可输出的数据有： 7 第二章网络r t k 的组成及工作原理 r t c m v 2 0 2 1 伪距差分修正信息：服务于米级定位导航的用户。 r t c m v 2 0 2 1 相位差分修正信息：服务于厘米级、分米级定位的用户。 r i n e xv 2 0 2 1 原始观测数据：服务于事后毫米级定位的用户。 r a i m 系统完备性监测信息：服务于全体用户，提供系统完备性指标。 3 、数据通讯子系统分为主干网、实时数据服务网、事后数据服务网络。主干网主 要包括了控制中心内部网络及控制中心与基准站之间的网络，用于把参考站g n s s 观测 数据传至系统控制中心，设备有气象专网、i n t e m e t 宽带等。实时数据服务网通过电话 线( 服务方式g s m 拨号) 、宽带或专线( 服务方式g p r s 或c d m a ) 向用户播发网络r t k 改正数。事后数据服务网络主要是用于把定制后的原始观测数据传输给事后精密处理用 户，便于网上数据下载、网上数据处理服务等。 4 、用户数据中心主要功能为实时网络改正数的计算、自动单元生成、独立主辅站 改正数的计算、g n s s 原始观测数据定制抽取转换。 5 、用户应用子系统用于按照用户的需求进行厘米级、分米级、亚米级、米级等几 类。按应用领域则可分为测绘与工程用户( 厘米、分米级) 、车辆导航与定位用户( 米级) 、 高精度用户( 事后处理) 等几类，各领域的用户使用不同精度的差分信息。主要设备包括 了g n s s 接收设备、数据通讯终端、软件系统。 2 1 2 网络r t k 的工作原理 网络r t k 的工作原理借鉴了广域差分g p s 和具有多个基准站的局域差分g p s 的基 本原理和方法。局域差分g p s 认为在距离参考站较近的区域内，观测误差具有相关性， 因此，将参考站将观测量与理论值之差作为综合的差分改正数发送给用户，用户对其伪 距观测值进行改正。局域差分g p s 最大的缺陷在于，差分改正数的有效性随接收机与 参考站距离的增加而迅速降低。与局域差分不同，广域差分g p s 技术原理是对g p s 观 测量的误差源分别加以区分和“模型化”。研究表明：电离层误差、广播星历误差、卫星 钟差是影响实时定位精度的主要因素。广域差分g p s 把伪距误差分为电离层误差、广 播星历误差和卫星钟差，然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值( 差分值) 通过数 据通讯链传输给用户，用户利用广域差分改正数改正g p s 伪距观测值，以达到削弱这 些误差源和改善用户g p s 定位精度的目的。 与局域差分g p s 和广域差分g p s 不同的是：网络r t k 通过内插法、线性组合法、 建立改正模型等方法来求取改正数，对载波相位观测值进行改正，而不是对位置或者伪 距观测值进行改正。 8 长安大学硕士学位论文 2 2 网络r t k 技术的分类【1 3 】 2 2 1 虚拟 图2 2v r s 原理图 v r s 技术是通过向用户发播虚拟观测值( 包括载波相位观测值和伪距观测值) 进行定 位的，其定位示意图见图2 2 。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 的短信功能向控制中心发送一个概略坐标，控制 中，i i , 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基站，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。 v r s 具体定位步骤如下： 1 、各参考站把观测数据实时传递到数据处理中心； 2 、数据处理中心对观测方程首先进行线性化、进行周跳的探测与修复、粗差的剔 除，然后形成双差观测方程，实时解算各条基线上的双差整周模糊度以及双差综合误差， 并估计电离层、对流层、轨道误差等空间相关误差模型； 3 、当用户发送概略坐标给控制中心时，控制中心在此生成一个虚拟参考站，并根 据概略坐标判断虚拟参考站处于哪三个基准站组成的三角形内，并选择离虚拟参考站最 9 第二章网络r t k 的组成及工作原理 近的参考站为主参考站，采用一定的内插方法( 内插方法将在3 4 节讨论) ，内插出虚拟 参考站上综合误差。 4 、控制中心发送虚拟参考站观测值给流动站，流动站与虚拟参考站构成双差观测 方程，解算双差方程求得流动站精确解。 v r s 数学模型如下： 图2 3 三参考站网络r t k 图2 3 显示了参考站a 、b 、c 与流动站u 、虚拟参考站v 的关系。这里流动站离 参考站b 较近，于是选择b 参考站为主参考站，以此为例，v r s 计算模型如下： 假设多路径效应和观测噪声可以忽略的情况下，各参考站的载波相位观测方程为： a 妒土= j d + c ( 6 t 一8 t ) 一，；+ e a ： ( 2 1 ) a 妒i = p ：+ c ( 研占一s t ) 一j ；+ 巧一a ； ( 2 2 ) a 妒；= p ：+ c - ( s t c 一研。) 一，：+ 硭一九( 2 3 ) 参考站a 、c 与参考站b 组成双差观测方程为： k v a 4 曙a = v a p ：a v 张+ v 正焱- k v 峨 ( 2 4 ) k v a 妒羡= v a p ：c v j 琵+ v 2 瓷一a v 琵 ( 2 5 ) 以上两个式子中，双差距离v p 数、v p 饕是可以根据卫星星历及参考站坐标精确 计算出来的，由于网络r t k 中参考站间距离较大，所以双差电离层误差和双差对流层 误差不能忽略，其影响可以用综合误差z 来代替。只要采用一定的算法求得基线间双差 模糊度( 模糊度的求解将在3 3 中讨论) ，双差电离层误差和双差对流层误差的综合影响 1 0 长安大学硕士学位论文 就可以求出来。 彳= v 嗷一v a r a 5 , = v p ：a z v a n ： ( 2 6 ) z 喜；v 磁- v a t 婺= v a p ：c a v 崛( 2 7 ) 同理可以虚拟参考站与主参考站间的双差观测方程： z ( a 妒a 一皑) = v p ：v v 皑v + v a t a 一a v 名v ( 2 8 ) a ( 批一皑) = v a p i v 一硭一z v a n ：v ( 2 9 ) 采用一定的内插算法可以求得，从而根据式子( 2 9 ) 求得虚拟参考站单差观测值 钝，虚拟参考站与流动站的双差观测方程为式子( 2 1 0 ) ： a ( 端- a 蚓) = v a p 吕v v + v a r s v z v a n ：v ( 2 1 0 ) 由于虚拟参考站与流动站距离比较近，一般为十几米到几十米，因此双差电离层误 差和双差电离层误差近似相等，可以忽略去双差影响，所以式子( 2 1 0 ) 可以简化为： a ( 础一批) = v a p g v a v 崛 ( 2 1 1 ) 优代入式子( 2 1 1 ) ，按双差定位方法求解即可解得流动站精确坐标。 v r s 技术特点为： 流动站需要向控制中心发送概略坐标，因此，流动站和控制中心之间需要双向 通讯，用户的数量有限制； 系统分别提供精确的电离层和对流层模型，一般采用距离移动站最近的三个或 三个以上参考站采集的同步观测值进行差分处理，建立区域改正模型并实时计 算区域改正参数； 主要运算由数据处理中心完成，流动站只承担少部分运算，因此，流动站仅需 一般的支持r t c m 的r t k 接收机即可，不需要另外的软件支持，兼容性较好； 成果可靠性、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 离开参考站的距离没有明显的相关性； v r s 存的局限性主要有：v r s 流动站需要反复初始化以使虚拟的参考站跟着移动； 流动站只能获取一个单基线解，限制了流动站从事质量监测和完备性监测的能力；控制 中心发送的网络改正数或观测值是相对于虚拟参考站的，因此流动站不知道真实参考站 的坐标，无法追踪；人为规定了参考站的数量( 一般为三个) ，当其中一个参考站不能为 网络提供数据时，需要搜索别的参考站，期间没有数据提供给流动站，影响生产效率1 4 】。 第二章网络r t k 的组成及工作原理 2 2 2 区域改正数( f k p ) 技术 f k p ( 德语f l i i c h e n k o r r e k t u r - p a r a m e t e r ) 技术由w t i b b e n a 提出，由德国g e o + + 研发， 基本思想为控制中心接受各参考站的实时同步观测数据，并对所有的非差参数进行区域 建模，生成区域控制参数发播给用户，由用户站联合求解实时坐标l 侈1 7 1 。 f k p 技术具体步骤如下： 1 、各参考站发送观测值给控制中心； 2 、控制中心采用卡尔曼滤波对网络中的非差状态参数进行实时估计，生成网络解； 3 、对空间相关误差( 电离层误差、对流层误差、轨道误差等) 建立模型( 一般使用线 性多项式模拟整个区域) ，生成区域控制参数； 4 、控制中心发送区域控制参数给流动站，流动站按照( w i i b b e n a ，2 0 0 2 ) 构建距离相 关误差模型，实现精密定位。 f k p 数学模型如下( w t i b b e n a ，2 0 0 1 ) ： 吖= ( 一( i 蟛i + 6 q + d j + 6 霉+ c + ，7 + s j ) ) ( 2 1 2 ) 其中r ：为站星几何距离、配：为时钟相关误差、d ：为空间相关误差、舔：为非空 间相关误差、f ：为相对论效应、，。为潮汐效应、s ：为观测噪声。采用卡尔曼滤波得到以 上参数估值发播给流动站便可以实现精密定位。 f k p 技术主要特点为： 由数据处理中心发送区域改正参数，改正数在流动站生成，无需流动站发送概 略坐标，数据处理中心与流动站之间仅需单向传输； 主控站发送的是区域控制参数，改正数在用户站生成： 用户数量没有限制，仅需购买新的软件来支持这种模式。 和v r s 不同的是f k p 技术是利用改正后的观测值做单点定位解算或者加入各基准 站做多基线解，v r s 是利用虚拟观测值和流动站观测值做单基线的解算。f k p 技术由于 模型参数过多，各参数函数模型和随机模型难于准确的建立，它用于修正的模型非常简 单( 大多数情况下仅采用了线性内插) 在f k p 中流动站仅能获取两个站的数据来计算大气 模型，参数的估值精度较低。采用r t c m 委员会正讨论的广播格式时，流动站将可以获 取很多站的数据，但是仍然很有限，全部的计算都落在了流动站处理器上。并且，在整 个v r s 生产步骤中对流层模型是一致的。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危险。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 2 3 主辅站( m a c ) 技术 m a c ( m a s t e ra u x i l i a r yc o n c e p t ) 技术是一种改进的f k p 技术，徕卡公司开发的s p i d e r n e t 软件采用了该技术，它克服了其它参考站网方案的所有缺点。主辅站技术的基本要 求是将参考站相位距离简化为一个公共的整周未知数水平。如果相对于某一个卫星与接 收机“对而言，相位距离的整周未知数已经被消去，或被平差过，那么当组成双差时， 整周未知就被消除了，此时，就可以说两个参考站具有一个公共的整周未知数水平。网 络处理软件的主要任务就是将网络中( 或子网络中) 所有参考站相位距离的整周未知数归 算到一个公共的水平。一旦此项任务得以完成，接着就有可能为每一对卫星接收机及 为每一个频率分别计算出弥散性的和非弥散性的误差。当用户接收到差分信息以后，就 可以按照自定义的空间相关误差模型计算出各参考站及流动站的散射项与非散射项空 间相关误差，从而对流动站的观测方程进行改j e t l 8 , 1 9 】。 m a c 的定位步骤如下： 1 、各参考站传输原始观测数据给数据处理中心； 2 、数据处理中心把各参考站间的整周未知数归算到同一水平； 3 、确定主参考站并生成弥散性、非弥散性的差分改正信息发播给流动站； 4 、流动站利用来自参考站网的全部信息进行精密定位。 m a c 的数学模型如下： 设有两个测站a 、b ，对相同卫星j 的l l 、l 2 频率单差观测方程可以表示为： 么，l = 尺么，l + c 。a d t a b ，l 一么，l + ，1 + 暑么，l ( 2 1 3 ) 蜴，2 = 欲么，2 + c 出加，2 一时么，2 + 。2 + 老峨，2 ( 2 1 4 ) 而整周未知数的解决方法为： 三= j + 么= ；+ 岩+ v 名 ( 2 1 5 ) 因此单差改正数可以归算为： 瑟虼，l = 么，l 一，l 一 c 一a m - 魑r e f 1 = 欲么，l + c a d t 仰，l + 云。v a m 朋r e f ， i j 一虼，l ( 2 1 6 ) 泓蜴，2 = a i 忸，2 一，2 一以c _ 一a m - 仰r e f 。2 = 峨，2 + c a d t 仰，2 + 寺。v a m 仰r e f ，, 2 j 一虼。2 ( 2 1 7 ) 散射性和非散射性的误差改正为： 抛妒勰= 老弘厶，t 一孝斋抛厶。z ( 2 1 8 ) 抛嚣一却= 孝弘虼，- 一素套弘厶，z ( 2 1 9 ) 第二章网络r t k 的组成及工作原理 m a c 技术的主要特点如下： 系统结构灵活，流动站单、双向通信皆可，播发国际标准的原始数据，数据处 理中心播发的是单散射和非散射相位改正数，压缩了信息量； 采用先进的算法，真正利用了整个网络的信息，对改正数进行以区域为单位的 二次平差，达到在整个网络中匀质精度； 流动站解算充分利用网络中有利的因素，能够对网络改正数进行简单有效的内 插，辅站数量因地制宜，确保最高的定位精度和成果的可靠性； 所有的播发的改正数基于真实的参考站点的真实观测值，成果具有可靠性和可 回溯性： 对流动站用户的数量没有限制。 m a c 技术克服了其它参考站网方案的所有缺点( 如：双向通讯、数据量大且不标准、 误差模拟不完善、信息利用不完整等问题) ，是唯一被r t c m 委员会正式认可的网络r t k 技术，将会成为网络r t k 的发展目标。徕卡公司开发的s p i d e r n e t 软件就采用了该技术。 2 2 4 综合误差内插( c b i ) 技术 c b i ( c o m b i n e db i a si n t e r p o l a t i o n ) 武汉大学g p s 中心于2 0 0 2 年推出，该技术对双 差组合的残差不进行区分，对电离层、对流层、轨道误差等空间相关误差不使用模型改 正，而是作为一个综合误差，根据流动站与基准站的位置采用某种内插算法内插出用户 站的综合误差并发送给用户进行改正。改正效果受外界影响小，因此在电离层变化较大 的时间段和区域内，应用c b i 技术较有优势。采用c b i 技术，网络r t k 系统只需要单 向数据传输链路【2 0 1 。 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章网络r t k 的关键技术 3 1 系统数据质量控制 随着网络连续运行参考站系统功能的不断完善，测绘工作者越来越多的依赖于网络 r t k 进行定位，而网络r t k 中用户的定位精度受到多种因素的影响，为使移动用户获 得连续的高精度实时定位结果，必须对参考站网络的数据质量进行控制。系统的实时网 络数据质量控制对于获取干净、连续一致的数据集并建立准确的观测方程有着重要的意 义，同时利于提高整周模糊度的解算效率和可靠性，是保证用户使用可靠性的重要指标。 3 1 1 参考站数据同步 c o r s 是一项系统工程( 它包括硬件设施、软件平台、资源配置等要素) ，c o r s 运 行的基础是建立的高速、稳定的网络平台，系统的所有硬件、软件均依赖计算机网络协 同工作。c o r s 系统的网络是以太与光纤的组合网络。控制中心主干网络采用千兆以太 网络，基准站采用s d h 光纤或者a d s l 专线网络连接控制中心。对于网络r t k 来说， 由于各参考站到控制中心的远近不同，因此，同一历元不同参考站数据的时间延迟也不 一样，对于同一条基线，只有两个参考站的数据都到达数据处理中心之后才开始下一步 的解算，如果某一历元数据丢失或者数据延迟较大，都会影响到用户定位的实时性和精 确性，甚至无法形成双差观测值。数据同步监测就是为了监测各参考站原始数据的获取 状况。为了兼顾系统的实时性，一般设定一个阀值，若等待时间超过这个阀值，则视为 数据丢失。 3 1 2 钟跳的修复 大部分的g p s 接收机都采用石英钟，精度不高，在g p s 开始观测时，接收机都设 置为与g p s 时间同步，但随着测量的进行，接收机的钟差就会发生飘移。不同接收机 对钟差的处理方法也有所差异，一般分为两种：一种为频繁跳跃的方式，当接收机的钟 差达到某个阀值的时候，便对钟差进行调整。另一种为毫秒跳变的方法，周期性地对接 收机加入l m s 的钟跳。毫秒跳变会使伪距观测值和相位观测值产生整体的不连续，这种 由钟跳引起的观测数据的跳跃可分为两部分，与距离有关的部分和与卫星速率有关的部 分，其中与距离有关的部分可以通过双差消除，而与卫星速率有关的部分不能消除【2 l l 。 其对相位观测值的影响较小，而对伪距观测值的影响较大，因此，在进行伪距相位平滑 之前应对每个历元的伪距观测值进行钟差的改正。非差伪距钟跳探测与修复的方