Z-X RTK 资料译文.doc

Ashtech 快速RTK： 一个革命性的测量专业解决方案 Dr. Mohamed.Abousalem、韩少伟博士、秦新华博士 William Martin and Robert Lemoine 麦哲伦公司Ashtech 精密产品部关键词：快速-RTK，极品-Z，RTK，单历元，整周模糊度，解决方案、 Ashtech（阿什泰克）摘要：实时动态测量（RTK）GPS 定位技术广泛的应用于精密定位和实用测量中。RTK 涉及载波相位模糊度的求解，其质量的好坏取决于三个主要因素：精度、可靠性及求得固定解的时间。快速 RTK GPS正是为满足这些要求而设计的。在快速运行过程中，整周模糊度即时初始化可以获得厘米级精度。在 PDOP 值小于5，以L1和L2频率跟踪6颗或更多的卫星，基线长小于7公里以及测点附近无明显多路经效应反射物的条件下，快速-RTK 能在5 秒之内获得99.9% 置信度的整周模糊度解。本文以实际测试报告资料来证实Z-Xtreme GPS作为Ashtech的独特技术性能，在各种作业环境、不同基线长度，以静态定位能达到5mm+1ppm的平面定位精度及 10mm+1ppm的垂直精度；和动态定位能达到10mm+1ppm的水平精度和 20mm+2ppm的垂直精度（标准差）。正文：Ashtech 快速-RTK 技术集中体现于Ashtech新近生产面世的 Z-Xtreme测量型 GPS 接收机。Z-X是一款具有12通道，坚固外壳设计，能适应各种气候条件，具有抗震、防雨的双频接收机。可取不同的系统配置，以低投入、高效率、厘米级精度提供给测量人员和机械控制专业应用。Ashtech Z-x 接收机基于超级Z跟踪技术，她代表着搜索跟踪卫星信号的最高水平（Gourevitch1994.Lorenz.et.al)。Z-X接收机还新增加了高灵敏度RF部件；可拔插的高能锂电池，大容量磁卡足以容纳整天最大接收数据量；与接收机相连的电子手薄时刻都能准确显示电池的剩余电量状况，而且电池重量也降低了三分之一，这些都使接收机的有效工作时间比旧式接收机提高了一倍。图1所示为防风雨，耐冲击外壳及内部高集成度的部件,其设计满足MIL标准810E要求，能适应在各种恶劣操作环境中使用。面板上设计了一个LED小显示屏及三个键钮，用于显示观测状态及信息输入，检查测量模式，设置RTK基准站信息，显示收星状况、数据记录及电台模式。Z-X内置UHF扩频电台可用于RTK实时数据通信。 图1 Ashtech Z-Xtreme 接收机传统的RTK系统要求在瞬间初始化达到厘米级的定位精度，所有这些特点都被快速-RTK的技术及制造工艺发挥到了尽善尽美地步。Ashtech快速RTK技术的亮点实时厘米级定位精度GPS测量要求快速解出整周模糊度,通常要用到在行进中解算整周模糊度技术（OTF算法），这些技术需要用到几个历元才能求得整周模糊度固定解。一旦求得整周模糊度，精确定位解也就随即而得。Ashtech快速-RTK技术在这些方面又有所改善，只要求利用尽量少、甚至是单历元就能解出相位整周模糊度(Han.1997)。当然在这种情况下，自由度要比OTF算法小，因此函数模型和随机模型、整周模糊度固定解判定标准和越界探测与识别并选配相应的解算方法就显得至关重要。函数及随机模型 高质量的估算结果要用到最小方差技术，对函数及随机模式作出正确选择。随机模型取决于观测函数模型的选择，选用不同的函数模型就需要不同的随机模型与其匹配。例如，如果在函数模型中把电离层改正作为一个未知参数，则随机模型中就不考虑电离层偏差的影响。所以，在函数模型中就不可能顾及到所有潜在电离层偏差问题，它可能引起最小方差估算模型秩偏或者导致一个不容许的计算过程。所以，随机模型的定义就显得更为关键而复杂。ASHTECH快速-RTK技术通过实践知识和实时适配算法，成功地解决了函数模型与随机模型的建模问题，并可以根据变化的观测条件实时地更新模型。快速RTK的认定标准在求解整周模糊度的过程中，首先解得的是模糊度的浮动解，再以浮动解为基础，在进一步的估计探查范围中，包含大量的整周模糊度备选“解集”。原则上，相应于残差方差最小的整周模糊度解，应该是正确的。由于可能存在非模型偏差和噪声，故残差方差结果常会出现偏态，这就给在许多备选的“解集”中寻找其正确解带来了困难。在Ashtech快速-RTK技术中，采用了一系列判定标准，最常用的是“ratio”（整周模糊度固定解质量因子）检测，它在很大程度上依赖于置信水平、可用卫星的数量、观测时段和基线的长短。快速-RTK的整周模糊度判定标准有效地缩短了观测时段的需求，并且对预置RTK解的置信度的依赖性也减少了。越界探测与识别的算法用以防止整周模糊度解的误选，也是一件重要的事情。由于自由度降低了，对瞬时模糊度解算方法来说，越界探测与识别就成了关键问题。恰好Ashtech快速-RTK成功地解决了这一问题，模糊度解的成功率相当高，而且还大大缩短了解算时间。性能测试及结果在不同的作业条件及不同的地点，我们进行了一系列静态和动态测试，以便评价快速-RTK系统的性能。下面就是对测试方法与结果的简要介绍。静态测量后处理测试测试地点：加利福尼亚五台接收机按图2中所示的位置 (0001号到0005号点) 设站，由七条3.15KM至17.88KM的基线组合成网,于2000年8月1625日采集数据，通过Internet传输，用快速-RTK软件进行处理。以三个美国国家大地控制点(PPT1、PBL1、MHCB)24小时的观测数据，采用Ashtech Solutions软件计算其坐标，作为解算0001至0005号点的参考坐标，参考站的WGS84控制坐标及已解算的5个测试站点（00010005）的坐标列于表1 。 图2在加利福尼亚的静态测试站点分布图 表1加里福利亚测试点的WGS84坐标 数据处理与分析用Ashtech Z-X接收机对在五个（00010005号）点上采集的数据，经Ashtech快速-RTK软件处理。建立以收星数为X轴，基线长度为Y轴的坐标系，按三种置信度95%、99%及99.9%，300秒内成功解算模糊度的百分比绘出等值线图（如图3所示）。其具体数字列于表2中，其中分别列出5颗或5颗以上的卫星，8颗或8颗以上的卫星解算结果。行表示不同基线长所获得的结果成功率，第一列为不同的基线长度，其它各列为相应置信度状况。 图3 “95%、98%及99.9%三种置信度下收星数和基线长是求解模糊度成功率（百分率）的函数” 关系图 表2 “95%、98%及99.9%三种置信度下收星数和基线长是求解模糊度成功率（百分率） 的函数”关系表 图3中，其结果可在表2中看出，8公里以内的基线，Ashtech快速-RTK在300 秒内模糊度的确定至少都达到了99%，长于8公里的基线要达到此水平要求的时间相应较长。这是因为受到电离层折射的影响，随着基线长度的增加，在太阳活动的高峰期，电离层电子密度就会增大，而且其变化对基线两端电离层折射的影响非常敏感。至于短基线（少于8公里），根据39214次测验数据分析表明，在99%的时间里，如果能收到的卫星数达到8颗或8颗以上，用Ashtech快速-RTK技术单历元模糊度固定解的置信度能达到95%。对同样的数据处理表明，置信度达到95%时模糊度固定解只有0.01%的时间的出现差错，只有0.07%的时间得不出模糊度解。不同置信水平及不同观测卫星数所解算出的结果列于表3。 表3 短基线模糊度解算结果统计(加利福尼亚)表3中展示的是对短于8 Km的基线，接收5颗或5颗以上卫星数、8颗或8颗以上卫星数，不同置信水平状况下，不同测试次数，在300秒内模糊度固定解所占的百分比。取单历元模糊度固定解的百分比，模糊度固定解出错所占的百分比，模糊度无固定解的百分比。表3中对5颗或5颗以上观测卫星的数字表示的结果，可以用图4到图6在置信度为95%、99%、99.9%的直方图来表达。 图4置信度95%的情况下模糊度固定解的时间(在加利福尼亚测试) 图5置信度99%的情况下模糊度固定解的时间(在加利福尼亚测试)图6置信度99.9%的情况下模糊度固定解的时间(在加利福尼亚测试)FGCS仪器制造集团的测试2000年12月4日至7日，美国联邦大地控制委员会对AshtechZX和Ashtech其它测量型GPS接收机及数据后处理软件进行了测试。测试是在美国联邦大地控制网中的华盛顿地区进行的。所有的观测和坐标解算的测试工作由美国联邦大地控制委员会的测量人员承担，测试包括静态、快速静态、后处理动态以及实时动态测量。测试采用不同基线反复进行，用以评价接收机硬件制造水平，基线长从100米到100公里不等Magellan Corporation，2000。测试采用Ashtech Geodetic IV天线（图7），Geodetic IV是一款坚固、轻便的双频天线，它既可以用于静态测量，也可用于动态测量。该天线有一个可以拆卸的抑径盘，在这次测试中没有采用抑径盘。天线相位中心的测定在Corbin，Virginia由联邦大地测量的专用设备完成的。 图7Ashtech Geodetic IV天线一同被测试的还有Ashtech SolutionsTM GPS 数据后处理软件包。Ashtech SolutionsTM 是Windows 平台支持下的易于操作的软件包，可以用作数据处理，结果输出和报表生成，还可以完成选星计划、静态、准动态、动态的数据处理、数据传输、网平差及不同数据格式的输出。图8展示了在测试点上观测期间的PDOP值的状况。 图8 FGCS测试时可见卫星及PDOP值图静态后处理结果 图9所示为从0至10公里之间所有静态向量的符合度。符合度是通过计算公共点之间所有向量的较差来分析的，此差值在图中是由N、E及U的分量形式表示的，所有24个复测向量都是测试中的静态采数部分。另外，对向量中各分量的较差，还绘有Ashtech Z-X接收机标称精度（平面0.005m+1ppm、垂直0.010m+1ppm）计算出的表示1、2容许误差范围的短线，符合度测试的分析结果表明，77%的向量分量较差小于等于一倍中误差，而且97%小于二倍中误差。 图9 对于0-10KM长的基线FGCS静态向量的符合度动态后处理结果 2000年12月6日，选择了14个距离基准站20到210 m的点进行动态测试，每一个点只观测一次，14个点中的9个点是从以前的NGS平差中取得其已知坐标，表4中的结果是这些点已知坐标与用Z-X接收机所采数据通过Ashtech SolutionsTM软件解算出来的动态测量结果的较差。 表4 动态后处理结果与已知坐标的对比通过表4就可发现已知坐标与动态测量的后处理结果非常接近。所有点位两套坐标的差异都小于平面0.010m+1ppm及垂直0.020m+2ppm的标称精度(标准差)。实时动态测量结果2000年12月7日，做了11个距离基准站50M到7.5KM点的实时动态测量(RTK)，每一个点连续观测3次，每次观测都重新做初始化。表5是这些点的已知坐标与Ashtech Z-X RTK测量点位结果的对比。 由表5可以看出，提供的定位计算结果在平面0.010m+1ppm及垂直0.020m+2ppm的标称精度(标准差)要求之内。结论 利用高性能的Ashtech快速-RTK系统，能够满足精度、可靠性及快速求得厘米级整周模糊度固定解的要求，大大提高了测量定位效率。在PDOP值小于5或6，或者能收到更多的L1和L2频率的卫星，基线长小于7KM，多路径现象影响小的情况下，快速-RTK在5秒内确定整周模糊度固定解的置信度能达到99.9%。在99.9%置信水平时，单历元数据解算模糊度的成功率至少能达到95%。在加利福尼亚及华盛顿地区所做的测试结果表明，代表Ashtech快速动态测量技术的Z-X接收机的技术性能在静态测量中优于平面0.005m+1ppm和垂直0.010m+1ppm的标准差；做动态测量时优于平面0.01m+1ppm和垂直0.020m+2ppm的标准差。 表5 实时动态测量结果与定位计算的对比致谢 作者十分感谢Rod Johnso 博士Pick Grefsrud 先生以及其他Z-Xtreme 研制小组的同志，是他们的努力使得Ashtech Z-Xtreme技术精益求精，得到不断发展。 （雷春昭译 曹以恒校）参考文献(REFERENCES)Gourevitch, S., 1994. Implications of Z Technology for Civilian Positioning. Proceedings ofthe ION-GPS-94 Meeting, September 1994, Salt Lake City, Utah, pp. 249-255.Han, S., 1997. Quality Control Issues Relating to Ambiguity Resolution for Real-Time GPSKinematic Positioning, Journal of Geodesy, 71(6), pp.351-361.Lorenz et al, US Patent Number 5,134,407Magellan Corporation, FGCS Test Report, January 2000.作者介绍（BIOGRAPHICAL NOTES）Dr. Mohamed Abousalem is Director of Marketing. He has a B.Sc. in civil engineering fromAlexandria University, Egypt; and M.Sc. and Ph.D. in surveying engineering from TheUniversity of Calgary, Canada. Dr. Abousalem has over 11 years of R&D experience in thefield of positioning and navigation with special focus on differential GPS positioning. He isthe recipient of several national and international research and teaching excellence awards.Dr. Shaowei Han is Principal Scientist. He holds B.Sc. and M.Sc. from Wuhan TechnicalUniversity of Surveying and Mapping, China, and Ph.D. from the University of New SouthWales (UNSW), Australia. Dr. Han is Chairman of the International Association of GeodesySpecial Study Group 1.179, and has authored over 120 journal and conference publications.Dr. Xinhua Qin is Director of Engineering. He has a B.Sc. from Beijing Institute ofTechnology, China, and a Ph.D. in Aeronautics and Astronautics from Stanford University.Over the years, Dr. Qin has played a primary role in the