广域GNSS网络的定位.doc

摘要：基于位置服务的全球导航卫星系统定位已经彻底改变了位置数据收集的方式。全球定位系统（GPS）是全球导航卫星系统（GNSS）的一个主要组成部分，它是基于卫星的无线电导航系统，可以为用户提供点的位置和时间信息。GPS的定位精度可以通过差分GPS的技术（DGPS）得到改善，众所周知，这种技术能够提供最准确的定位结果。差分校正可以应用在实时数据收集阶段或者在后续的数据处理阶段。DGPS技术通常在静态或者动态GPS测量中进行定位。在静态GPS测量中，一个接收机被放置在一个已知坐标上，而其其他的接受机则放在需要测量的未知点上。在动态测量中，一个接收机放置在一个已知点上（基站），其他接收机在项目区进行逐点测量。人们形容GPS动态测量点位坐标的速度像飞一样，并把它称为RTK技术。RTK测量在许多应用中提供需要的点位信息。基于广域GNSS网络定位技术是以DGPS和RTK技术为基础。在一定区域内，一定数量的GPS接收机所观测到的数据通过网络传输给中央服务器（网络服务器），并且经过处理后提供给网络用户，或者实时通过无线电、卫星、无线通讯等技术发送给用户。本文讲述了广域GNSS网络的概念和应用。关键词：广域GNSS网络虚拟参考站（VRS）1概述当GPS接收机能够同时接收到4颗卫星时，利用三角测量法可以估算出GPS接收机位置的三维坐标和时钟误差。三角测量法是一种用来确定一个点的位置的方法，它是具使用了基于距离测量的几何形状的球体几何方法。从广播星历可以获取每颗卫星的位置和速度矢量。从国际GPS服务（IGS）中可以获得许多精密星历。我们可以通过观测其他卫星或者观测同一个卫星的不同时段来对定位精度进行改善。从伪距和相位可以得到接收机到卫星的距离。伪距指的是接收机天线和卫星的距离，它是根据发射和接收的时间来确定的。距离可以由光速乘以总行程时间。总行程时间可以由伴随着码元的伪随机噪声来得到。另一方面，也可以用总的波数乘以载波的波长。相位观测值是接收波和内部接收机振荡器之间相位差的小数部分。从卫星天线确定的一定数量的载波的整数部分被称为整周模糊度，它仍是未知的，需要我们解决的。现在的关键问题是要在动态GPS测量中达到更高的精度。通常的接收机都能够利用码元和相位来进行测量。一个典型的单频GPS接收机（非大地级）可以估算的用户的位置误差在12米之内，这个精度在一些情况下达不到要求。实际上，GPS定位可以达到亚厘米级的精度。许多因素都会影响GPS定位的精度，例如轨道误差，卫星和接收机的钟差，型号传播的误差，测量噪声卫星几何的措施，对流层延迟，电离层延迟，多路径效应等。众所周知，差分GPS（DGPS）技术能够使GPS定位结果得到差分改正，因此，利用DGPS技术能够大大改善GPS的定位精度。差分校正可以应用在实时数据收集阶段或者在后续的数据处理阶段。差分GPS（DGPS）的简单设置涉及到两个接收机：一个被称为基地或参考站（其坐标已知，方差和协方差与相关合作），另一个称为流动站（静止或移动的同时，要确定其坐标）。当两个接收器相对于相同的一组卫星进行差分观测收集数据时，可以消除常见的误差，如时钟同步误差和大气延迟。DGPS提供的坐标是相对于由于差分参考站的，也就是说，坐标是由基准站接收机位置的相对位移矢量的3D坐标组成。此外，随着基准站和流动站的位置增加，同时跟踪的卫星的数量减少，在基线两端的大气条件开始相关联。其结果是，差分再也不能消除，因为它会在较短的基线的情况下尽可能多掺杂的大气误差。因此，接收机位置的精度取决于参考站的坐标和基线长度。在基站和要测量的点位之间的基线的长度会影响定位精度，其公式如下：DGPS定位精度=0.5厘米+1ppm的基线长度这表明，差分全球定位系统主要是依赖于基线的长度。这种限制可以解决使用短基线问题或建立一个所谓的虚拟参考站（VRS）。VRS的概念将在后文提及。DGPS虽然减少了大气误差，星历误差，卫星钟差，但是它不减少由于卫星几何测量，多路径，或接收机带来的误差。然而，全世界的政府和非政府组织以定位和导航目的建立基于DGPS技术的网点。这些DGPS网点不管是被用作定位还是导航，它们都被称为广域GNSS网络。通过接收机网络位置服务技术，一个具有GNSS网络功能的GPS接收机的位置可以被估算出来。这种技术被用来支持美国联邦通信委员会的增强型911公共安全位置服务的要求，也就是俗称为E911。DGPS定位的目的一般是用于通过静态或动态GPS测量。在静态GPS测量中，一个接收机被放置在一个已知坐标上，而其其他的接受机则放在需要测量的未知点上。在动态测量中，一个接收机放置在一个已知点上（基站），其他接收机在项目区进行逐点测量。人们形容GPS动态测量点位坐标的速度像飞一样，并把它称为RTK技术。与静态的GPS测量不同，RTK测量往往适用于精确的控制测量，通常为在许多工程应用提供实时的定位服务，如建立项目控制点，建筑布局，地形测绘，竣工测量等。RTK测量中需要同时获得参考站的信息和远程接收器（L1/L2）和双频率GPS观测值进行载波相位整周模糊度的测量。利用RTK进行工程测量师，一个固定的解决方案是必不可少的。通常在一个已知点上进行RTK测量，但是大多数GPS系统采用动态初始化技术，它采用的是L2频率。在这种情况下，流动站可以不需要静态初始化就可以完成初始化并且解决整周计数问题。OTF能力的优势是，如果接收机锁定了一个信号不好的卫星，在流动站中，初始化不会找过30秒。这就是通讯链路需要两个接收机以获得流动站实时坐标的原因。这种通讯链路可以通过无线电、移动电话或者卫星来正常建立。作为一个典型的DGPS方法，RTK测量常见的问题是大气误差随着基线长度的增加而增加。这是一个大问题，因为在传统的RTK网络的密集网络参考站中须维持一个较短的基线长度。然而在现在，这个问题在广域GNSS网络中已经不复存在，因为网络GPS数据被发送到服务器，服务器对数据进行处理，计算误差，然后将误差发送给流动站，这样就能提供更完善的网络服务。2.广域GNSS网络概念 广域GNSS网络定位是基于DGPS和RTK概念的。在一定区域内，从GPS接收机获得的观测数据被发送到一个中央服务器（网络服务器）上，经过处理后通过无线电、卫星或者无线网络发送给已经付费的用户。如果用户能够实时接收GPS修正值，那么它所在的广域网络也将被用户在实时网络中发现。中央服务器计算GPS网络中的轨道、时钟和大气误差，并将改正数实时或者稍后发送给用户。在主站和网络接收机之间的无线通讯需要清晰的视线和较短的基线长度，然而并不是每个GPS测量都能保证这种条件。无线通讯的这个问题激发了无线通讯的新方法。在实时测量中，根据基线的长度，在广域网络内目标点的水平精度在510厘米之间，垂直精度在1520厘米之间。一个RTN的只要目的是在满足用户精度要求的前提下，连续提供定位或者导航服务。在RTN中，用户的位置精度是一个和众多变量有关的量，与其相关的变量包括站间距（基线长度）、网络服务器的配置、错误模型、流动站和基站之间的通讯冗余、广播格式（RTCM1.0,2.3,3.1，CMR+等）和网络设施（软件、硬件、电源、备份能力等）。本节将要说明广域GNSS网络的概念，并且将举一些广域网络的例子。目前，世界各地都有广域GNSS网络，仅在美国就有上百个，世界各地从公开到私人开发经营的网络不计其数。这些网络有些是GNSS网络，而有些则是GPS网络。国家大地测量局（NGS）连续运行参考站就是一个DGPS（非实时）广域网络。这边文章中将要讲到私有实时GNSS网络的概念和并列举一些典型例子，并且还要讲到虚拟参考站的概念，它主要就是存在于私有GNSS网络。这边文章将不提及用于导航目的的广域网络。这样的网络系统的实施例是美国联邦航空管理局（FAA）的广域增强系统（WAAS）。2.1连续运行参考站（CORS）一些政府、私营部门和学术组织已经部署了许多CORS参考站，从最普通的工程项目到需要精确定位的科研项目，这些CORS参考站都能够提供精确的定位和导航服务。为了便于说明，本节中将以覆盖了美国的国家大地测量局（NGS）的CORS网络为例进行一些说明。由国家大地测量局、美国海岸警备队、美国联邦航空管理局、美国陆军工程师兵团共同管理的CORS网络是一个公益性的GNSS网络，它免费向公众提供DGPS服务。CORS发展的目的是为了满足勘测、测绘以及相关领域的精度要求。在CORS网络中，共有两套站：（1）网络站，部署在网络中的已知点，能够连续收集GPS数据；（2）用户站，这是固定或者移动的位置点。在网络站收集的数据被用来计算网络区域内用户站的GPS改正数。用户接收这些改正后发送GPS数据文件给NGS。一个典型的CORS网络主要是用来收集、存储数据，并进行GPS数据的处理，并将结果发送给网络内的流动站。CORS站根据已经收集的数据估算出位置点的GPS三维坐标，然后相对位移的概念计算出该点的准确坐标。根据参考站的位置和其他相关特点，在CORS网络内除了被用作相对定位的参考站，其他的参考站可能被NGS和其他的美国政府机构用来进行研究钟差、精密星历、地壳运动监测和大气以及地球的自转。NGS的CORS站以1983北美基准和2000国际参考框架为基准提供坐标，这两个基准和知名的WGS84坐标系共用一个参考椭球。一段时间的一个完整观察的天的GPS数据将被CORS站传送到主站。主站一旦接受到从CORS站传送过来的GPS数据，它将对数据进行处理，并且生成相同的文件格式返回给用户，用户再对它进行进一步的处理。NGS也能够为GPS用户群提供精密星历数据，因为它是在6个GPS主站的轨道数据的基础上计算出精确轨道的。每隔0.25个小时记录一次卫星时钟偏差，每个轨道包含24小时的数据。目前的CORS数据是不提供实时数据流模式的，但是在不久的将来，NGS计划发送一些CORS站的数据。NGS目前支持被称为IGS服务的数据流，IGS服务就是国际全球导航卫星系统。CORS站的选点具有许多要求，包括：位置，基本公共设施如电源盒备份、稳定的网络连接、便于安装GPS接收机和外围设备、CORS天线能够具有充足的天空能见度、可用的电缆或者电话线、适宜的气温、安全性和易于访问等。在广域网中，GPS接收机的类型，型号，软件，数据采集率等是定位或导航过程中的骨干力量。一个理想的CORS接收机应能有效地收集的伪距和载波相位的P-和CA码。CORS网络的主要优点是在CORS网络内的GPS用户无需进行相对定位就能够获得他/她的未知位置。在CORS站，NGS提供基于L1相位以及天线的参考点（ARP）为中心的GPS坐标。基于ARP的坐标是根据安装在底部的GPS天线的相位中心偏移量计算出来的。使用CORS网络的精确定位，处理后的GPS轨道数据可通过互联网或无线连接NGS获得。基于CORS定位的一个主要问题是在利用CORS站的背景下如何控制精度。这些问题主要和多路径误差、接收机误差、循环滑移误差、GPS天线所在位置的稳定性等有关。虽然对GPS天线位置的稳定进行监测可以对站间的基线进行重复计算，但是这种做法对用户却相当的不利。所有这些问题都必须站在本地GPS用户的立场上得到解决，否则，估算出的GPS坐标的精度将会很低。2.2局部广域实时GNSS网络为了满足测量、工程、测绘以及其他相关行业对GPS数据精度的要求，GPS数据的精度要求越来越高，尤其是在房产行业中，GPS已经成为其主要的测量手段。在传统行业上，给予无线电的RTK能够提供最准确的定位。无线电通讯仍存在许多问题，主要就是如何清除基站和流动站位置之间的基线和如何处理短基线的精度等。最新的无线通讯技术利用的是超高频”UHF”无线电、卫星或蜂窝电话调制解调器技术。本节介绍的是基于无线网络的局部广域GNSS网络的概念和应用2.2.1局部广域GNSS网络的工作原理固定参考站的GPS观测数据连续被发送到一个中央服务器。网络处理器对所有GPS观测值进行完整性检查，并进行数据质量检查和纠正周跳。在检查GPS数据完整性后，网络处理器基于双差分的概念就可以计算大气校正，并解算网络误差。2.2.2基于无线的局部广域实时GNSS网络基于无线的GNSS网络是集成GPS定位系统、全球定位系统的硬件、软件和无线通讯网络的广域实时网络。通讯链路如超高频无线电、卫星或移动电话是利用网络来提供覆盖区的网络服务器和参考站误差模型之间的通信的。举个该模型的使用例子，在靠近用户的地方创建虚拟参考站（VRS），然后提供一个本地化的标准格式校正流动站的信息。流动站通过一个蜂窝调制解调器向中央服务器发送它的大致位置。中央服务器处理双差分数据时会产生错误，创建一个虚拟参考站，并且为流动站提供内插方法。如果中央服务器通过通讯链路将数据从VRS传送到接收机，那么中央服务器就能够改正这些数据。这种类型的广域网络已经可以用软件进行管理，例如天宝的GPSBASE、GPSNET、RTKNET等。GPSBASE在RTK活着DGPS改正的局域网内提供连续全自动的单个基站的连续运行条件。GPSNET是用来连接多个基站。RTKNET使用它所获得的实时数据生成精度高，实时更正整个网络的数据。RTKNET是提供虚拟参考站（VRS广播改正的软件。VRS是五个最古老的五个RTK全球导航卫星系统广域网络校正方法之一。从概念上讲，VRS和i-MAC方法没什么不同，但是i-MAC方法会需要一个真正的参考站，并不是虚拟的。与VRS和i-MAC方法不同，FKP方法在有限的区域内创建一个简单的参考站。此外，FKP方法不要求流动站发送其大致的位置，而是服务器发送GPS数据以及基于距离的误差模型到流动站。在这个方法中，服务器是基于距离模型来估计流动站误差的，但是它会导致位置精度降低。在MAC方法中，服务器发送GPS数据和网络信息到流动站，然后基于单或多基线改正来计算误差。这种方法的优点是流动站可以重新计算它的位置，但是缺点是误差必须在用户终端进行计算，这样用户端接收机的类型、品牌和质量成为了一个问题。网络参考系统（NRS）是最新的RTK方法，它使用一个子集的网络参考站，在有限区域内围绕流动站产生误差模型，并计算基线长度。VRS概念主要是消除已知和未知站之间远距离基线残留的双差分误差，并且从几个参考站中综合各方面因素选择一个最佳的GPS数据。因此，运用短距离基线数据处理的方法，可以用来确定以VRS为基础的流动站的位置。为了创建一个靠近接收机的虚拟参考站，必须首先解决多个工作站在网络中的大致位置。然后就能够产生载波相位测量值的残差，并且利用相应的修正值计算出流动站的近似位置。2.2.3局部广域实时GNSS的好处局部广域实时GNSS网络使得测定的坐标比传统方法更准确、更容易、更高效。这种实时高效的GPS数据采集和定位在许多行业中得到应用，例如测量、地理信息系统、测绘、环境监测、交通等。另一种测绘中使用的方法是，通过使用移动设备来连续运行GPS参考站以改善测量的精度。在交通工程的应用在中，安装一种基于GPS系统的装置在车辆