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网络RTK技术及应用 1 内容提要 1 网络RTK技术2 目前主流的网络RTK技术3 CORS虚拟技术4 CORS面临的挑战3 网络RTK技术应用3 12008奥运自行车赛道测绘3 2北京新农村建设测绘3 3北京大气水汽监测3 4地质灾害监测中的应用3 5重大工程 1 网络RTK技术 网络RTK概念网络RTK技术就是利用CORS各个参考站原始观测信息 以CORS网络体系结构为基础 建立精确的差分信息解算模型 解算出高精度的差分改正信息 然后通过无线网络将差分改正信息发送给用户 网络RTK技术集Internet技术 无线通讯技术 计算机网络管理技术和GNSS定位技术于一体 是CORS网络服务系统和核心支持技术的解决方案 1 网络RTK技术 依靠网络将基准站数据联到计算机中心 联合若干基准站数据解算 消除电离层 对流层等影响 以提高RTK定位的精度和可靠性 主要特点包括 1 CORS网络的范围从RTK的点到基准站覆盖的区域 即从早期的单站RTK覆盖的范围到CORS网络整网覆盖的范围 2 资源共享基准站之间通过通讯网络实现数据共享 通过互联网实现基准站和基准共享 3 定位精度网络RTK解算至少采用3个以上基准站的数据 并结合的用户的位置和环境情况进行差分解算 极大提高了差分解算的精度 1 网络RTK技术 4 服务范围单点常规RTK定位范围 以单基站为中心半径为10公里的范围 且差分定位的精度随着距离的增加而加大 网络RTK测量时 在网络覆盖的整网的范围内任何地点的RTK定位的精度都是一样的 5 可靠性单点常规RTK 用户接收单个基准站的差分改正信息 一旦该基站出现意外 用户将不能得到该基站发出的差分改正信息 因此 可靠性极低 网络RTK差分解算采用多个基准站信息 某一个基准站出现意外不影响网内用户的使用 因此 与常规RTK相比可靠性大大提高 1 网络RTK技术 网络RTK关键技术1 利用多个基准站的观测信息对电离层 对流层 观测误差的误差模型进行优化 2 多个基准站的已知坐标和观测数据快速确定某类整周模糊度的值 然后进一步确定误差模型的精细结构 3 利用上述误差模型和整周模糊度寻找确定流动站误差修正的算法 4 利用修正后的流动站观测值和基准站坐标固定流动站整周模糊度 5 快速 实时解算技术 结果和可靠性检验 2 目前主流的网络RTK技术 VRS技术VRS VirtualReferentSystem 技术 全称为虚拟参考站技术 是由HerbertLandau博士提出虚拟参考站系统理论 TrimbleVRS系统是一个集GNSS硬件 软件和网络通讯技术于一体的新型系统 2 目前主流的网络RTK技术 在VRS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GSM的短信息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 整体的改正GPS的轨道误差 电离层 对流层和大气折射引起的误差 2 目前主流的网络RTK技术 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RTK作业距离上的限制问题 并保证了用户的精度 其实VRS技术就是利用各基准站的座标和实时观测数据解算该区域实时误差模型 然后对用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 2 目前主流的网络RTK技术 虚拟参考站极有可能就是运用的概略坐标 这样的话 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 如果将流动站发送给处理中心的观测值进行双差处理后建立虚拟参考站的话 这一基线长度可能只有数米 2 目前主流的网络RTK技术 VRS工作流程1 用户与中心处理软件建立连接2 回报流动站单点定位值3 中心给出综合后的差分改正数4 用户定位 2 目前主流的网络RTK技术 VRS工作流程 2 目前主流的网络RTK技术 VRS算法的优势在于允许服务器应用整个网络的信息来计算电离层 对流层的复杂模型 在于一旦完成了数据的完整性的检测 中央服务器就通过双差观测计算电离层 对流层和星历误差 可以明显剔出常规RTK下的系统误差 VRS的劣势是他在支持流动站用户应用方面的局限性 特别是在大型网络内进行拨号服务时段内 因为在VRS中 修正信息是在拨号时对初始的流动站位置进行优化而得到的 如果流动站在拨号后位置已经移动了 那么这种修正对流动站的新位置就不一定适合 虽然这种效果仅影响长距离运动的流动站 几公里 但是通过采用附加信息 流动站也能在这种情况下工作 2 目前主流的网络RTK技术 MAX MAC技术主辅站技术 MasterAuxiliaryConcept MAC 是由瑞士徕卡测量系统有限公司 基于主辅站概念提出的新一代参考站技术 主辅站技术是基于最新多基准 多系统 多频和多信号非差分处理算法 是从参考站网以高度压缩的形式 将所有相关的 代表整周模未知数水平的观测数据如弥撒性的和非弥撒性的差分改正数 作为网络改正数据播发给流动站 2 目前主流的网络RTK技术 为了降低参考站网系统网络数据的播发量 主辅站方法是发送其中一个参考站作为主参考站的全部改正数信息及坐标信息 对于网络中其它的站点即所谓的辅助参考站 播发的是相对于主参考站差分改正数和坐标差 主站与辅站之间的差分信息从数量上来说要少得多 而且能够以较小数量的比特来表达这种信息 差分改正信息可以被流动站简单的用于内插用户所在点位的误差或重建网络中所有参考站的完整的信息 2 目前主流的网络RTK技术 因此 主辅站技术完全支持单向的数据通讯 而不会影响流动站的定位性能 播发数据带宽可以进一步被减小 具体的方法就是通过分解改正数为两个部分 弥撒性的和非弥撒性 弥撒性的误差是直接相应于信号的频率 而非弥撒性误差则对所有频率来说是相同的 2 目前主流的网络RTK技术 主辅站技术 MAC 一个主参考站 若干辅站 一个网络单元 2 目前主流的网络RTK技术 FKP技术FKP技术GEO 公司GerhardWuebenna博士提出的全网整体解算模型 这是一种动态模型 它要求所有参考站将每一个瞬时采集的未差分处理的同步观测值实时传回数据处理中心 通过数据处理中心实时处理产生一个称为FTK的空间误差改正参数 然后将这些参数通过扩展信息发送给服务区内所有流动站用户进行空间位置解算 2 目前主流的网络RTK技术 系统传输的FKP能够比较理想的支持流动站的应用软件 但是流动站必须知道相关的数学模型 才能利用FKP参数生成相应的改正数 为了获取瞬时解算结果 每个流动站需要借助一个被称为Adv盒的外部装置内置解译软件 配合流动站接收机进实现作业 由于采用FKP算法的用户需要附加破译设备 所以FKP算法保密性特别好 但是使用比较复杂 对流动站用户要求比较高 因此 普及率很低 目前全世界只有及少数地区采用FKP技术进行差分解算 2 目前主流的网络RTK技术 综合内插技术 CBI 综合内插技术是武汉大学提出的CORS系统建站技术 CBI技术特点卫星定位的多种系统误差在一定区域内具有较强的相关性 在此基础上 用一定的算法通过多个基准站的已知误差直接内插该区域内任何一处流动站的综合误差 称之为网络RTK综合误差内插法 或简称为综合误差内插法 目前该技术还处在评估阶段 未大规模推广使用 2 目前主流的网络RTK技术 联合单参考站RTK技术联合单参考站差分解算技术是有限的网络RTK技术 其原理与普通RTK载波相位差分解算原理完全一样 但是联合单参考站作业时 用户将概略坐标发送到数据处理中心 数据处理中心通过概略坐标选用最近的参考站 并将最近参考站的差分数据发送给用户 即以最近的参考站作为基准站进行载波相位测量 2 目前主流的网络RTK技术 其原理如图 2 目前主流的网络RTK技术 几种网络RTK算法的比较 CBI还为普及使用 未进行比较 CORS基站的原始观测数据 计算任意历元GPS卫星的三维位置以及参考站网络基线的轨道误差 对流层延迟及电离层延迟 CORS基准站 虚拟基站 虚拟观测数据 计算虚拟基站和可视卫星之间的距离 获取GPS模拟观测值的真值 根据虚拟基站的位置以及参考站网络的空间误差线形内插得到空间相关误差 在距离真值上模拟空间相关误差 模拟观测噪声 粗差及周跳等 根据观测时间 采样率等辅助信息把模拟得到GPS观测值生成RINEX格式输出 3 CORS虚拟技术 3 1技术方法 3 CORS虚拟技术 CORS虚拟技术 不需要联测已知点 拓宽了CORS的服务内容 任意调整控制网网形 任意观测时间构网 改变了GPS传统作业模式 提供高精度解算成果 3 CORS虚拟技术 3 CORS虚拟技术 3 2精度测试 3 CORS虚拟技术 3 CORS虚拟技术 3 CORS虚拟技术 3 CORS虚拟技术 3 CORS虚拟技术 3 CORS虚拟技术 类似两台GPS观测构建边连式控制网 3 CORS虚拟技术 类似单台GPS观测构建边连式控制网 3 CORS虚拟技术 3 2工程应用测试控制网测试 3 CORS虚拟技术 点位误差在10毫米之内 3 CORS虚拟技术 点位测试采样间隔为1S 5 10 15分钟的观测数据分别进行处理比对 3 CORS虚拟技术 结论 虚拟观测技术5分钟观测数据事后处理平面精度与10 15分钟精度相当 高程精度误差较大 相对关系因没有直接观测值 边长精度尚可 角度误差较大 3 CORS虚拟技术 11年太阳活动周期 4 CORS面临的挑战 电离层建模是CORS网络解算的核心太阳活动高峰期的到来 将为电离层的精确建模带来极大的困难电离层建模的好坏 将直接影响CORS系统精度及可用性的关键 针对这种挑战 我们必须不断改进电离层建模算法 差的电离层模型 好的电离层模型 4 CORS面临的挑战 多星时代即将来临已经成熟的卫星系统GPS现代化 新的信号L1C L5GLONASS现代化 新的信号L3CDMA正在部署中的卫星系统欧盟GALILEO中国北斗 Compass 日本QZSS 准天顶星系统 IRNSS 印度区域导航系统 4 CORS面临的挑战 目前CORS最成熟的应用是网络RTK RTD但在一些其它应用领域 却遇到了瓶颈气象许多研究证明 GPS反演水汽可以提高短期天气预报的准确性但一直没有应用于日常业务监测大桥 大坝 滑坡 尾矿等的监测CORS系统的参考站很适合做监测系统的基站但却很少见到监测系统会使用现成CORS基站 4 CORS面临的挑战 5 网络RTK技术的应用 3 网络RTK技术的应用 2011年2月24日 SDCORS正式通过专家组验收并开通投入运营 为政府 行业及民用提供了实时 快速 高效 高精度的定位服务 截止到2012年7月底 在网运行参考站点127个 注册终端2000多台 平均每天在线终端300多个 3 1基于SDCORS的国执法监察三级联网全程监管平台 国土执法监察三级联网全程监管系统依托SDCORS实时 高效 高精度的优势 以海量空间数据为基础 搭建起 天上看 地上查 网上管 的国土执法平台 为国土资源提供了强有力的 电子眼 有效遏制了违法行为的发生 建设目标 3 1基于SDCORS的国执法监察三级联网全程监管平台 3 1基于SDCORS的国执法监察三级联网全程监管平台 3 1基于SDCORS的国执法监察三级联网全程监管平台 3 2在气象预报中的应用 2009年6月28日鄂东暴雨GPS水汽24小时变化量大值中心与强降水中心一致 水汽24小时变化量与降水密切相关 GPS水汽对可降水量的影响比雷达资料大一个量级 LAPS分析的2008年6月8日暴雨发生区域总可降水量的差值随时间分布图 单位 m a方案二与方案一差值反映雷达资料的作用 b方案三与方案二的差值反映水汽资料的作用 李红莉 0 0003 0 0039 GPS资料同化改善长江中下游暴雨预报 降水实况 同化GPS后预报 一般预报 3 32008奥运自行车赛道测绘 3 32008奥运自行车赛道测绘 工程难点时间紧 工作量大 需要测量的点位多点位采集困难 不宜采用常规手段测量 危险性大 线路长 沿线的控制点分布不均匀 使用困难 3 32008奥运自行车赛道测绘 技术方案采用北京市全球卫星定位测绘服务系统 依据专业技术设计书的要求 实测路边特征点点位坐标 量取路宽 绘制点位连线图 采用GPSRTK测设控制点 全站仪 水准仪布设测图导线控制点 利用全站仪数字化成图法测设点位三维坐标 形成赛道路边线路图 对于北四环等路段 由于道路施工或者路线处于主路 交通情况复杂 安全无法保障 使用1 500及1 10000地形图量取点位平面坐标 内插计算点位高程 3 32008奥运自行车赛道测绘 确定中