GPS网络RTK的现状及应用前景探讨

第5卷第3集 2( X )7年11月 现代空间定位技术研讨交流会论文集 Vol .5 , No . 3 Nv o . 2以y 7 GP S 网络 R T K 的现状及应用前景探讨 晏红波 , 黄腾 (河海大学土木工程学院 , 江苏省南京市2 1 以刃8 摘要 : 论述了 G玲网络RTK系统的基本原理及其组成部分;重点分析了当前网络RK T 几种主要的技 术 ; 归纳了三种主要的误差源一电离层延 迟误差 、 对流层延迟误差和卫星轨道误差的改正方法 ;总结了目前系 统改正数的生成算法 ;列举了当前国内外网络 R T K应用实例 ;针对系统的缺陷和不足对将来的发展方向进行 了展望 。 关扭词 : 网络 RK T ;基本原理;误差改正;算法 0 引言 GP S 测量技术在过去十多年中其作业模式从静态测量 , 快速静态测量 , 后处理高精度动态 测量 , 发展到动态初始化(OT F)厘米级实时R T K测量作业 , 取得了长足的进步 。 目前厘米级 实时 R T K技术以其高效 、 可靠和适用性强等诸多优点已经被用户所接受 , 并广泛应用于各种 测绘生产作业 。 RTK技术优势主要体现在以下几点 : 野外可实时获得最终坐标 , 生产效率高 , 室内工作量少 , 精度高( l 一 c Z m ) , 适合多种用途 , 如放样 , 公路施工 , 机械引导等 。 但 GS P R T K 测量应用最大的障碍就是参考站校正数据 的有效作用距离问题 。 由于 RK T 技术受到大气误 差 、 轨道误差等观测误差的空间相关性影响 , 限制了流动 站与参考 站的距离(有效距离 1 0km , 双频 3 0 km) 无法解算载波相位的整周模糊度 , 并且 导致最终的定位精度降低川 。 近年来随着各种用途的连续运行参考站系统(c os R)的相继建 成 , 出现的自由多基站构成的网络 R T K技术能够有效地克服这一问题 。 1 、 网络 R T K定位原理及系统组成 网络 RT K简单的说就是一个基于连续运营的GS P 参考站系统(CORS) 。 它由某一区域 内均匀(或非均匀)分布的 n 个( 一般为 3个或3 个以上)GPS参考站组成 , 通过有线或无线通 信方式与控制中心的控制软件连接 , 联合若干基准站数据解算或消除对流层 、 电离层影响以提 高 RT K定位可靠性及精度 。 经数据处理中心对原始观测数据综合处理后 , 建立相应的空间定 位信息数据库 , 利用现代计算机 、 数据通信和互联网(L A N/WAN) 技术组成的网络 向不同类 型 、 不同需求 、 不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的 GS P 观测值(载波相位 , 伪 第 3 集晏红波等 : G P S网络 PTK的现状及应用前景探讨 距) 、 各种改正数 、 状态信息 , 对该地区内的 GS P 用户提供高精度 、 高速度 、 实时动态的定位和 导航服务 , ,z 。 GS P 网络 R T K技术的优势就是克服了普通 R T K测量中测站 间距 的限制 , 它 的有效距离 可以达到几十甚至上百公里 , 覆盖面广阔 。 另外 , 系统用户可同时接收到多个基站的信息 , 用 户可以根据所处的位置对这些信息加权处理 , 避免因某个基站改正信息的错误而造成的定位 结果错误 , 因此比单站 R TK具有更高的精度和可靠性 。 CO R S系统多由卫星跟踪基准站 、 系统控制中心 、 用户数据 中心 、 用户应用 、 数据通信5个 子系统组成 , 各子系统由通信子系统互联 , 形成分布于整个地区的局域网 (城域网 ) 。 它已不 仅仅属于 GS P 的范畴 , 而是集 玩e tme t 技术 、 无线通讯技术 、 计算机网络管理和 GS P 定位技术 于一身的系统 。 图 1就简单表示了一个Gs P 网络 R T K系统 。 图 1 GS P 网络 RT K系统示意图 2 、 当前可用的网络 R T K 技术 目前 , 网络 R TK技术按照差分信息生成方式主要有 : 虚拟参考站技术(VRS) 、 F KP技术 、 徕卡主辅站概念( MAC) 和综合误差内插技术(CB I ) 。 2 . 1虚拟参考站系统(VS R )是由 H e奴r t 肠 n da u 博士提 出 , 并由 Se p c 加 一 e T t 公司推 向市场的模型 。 它通过与流动站相邻的各个参考站之间的基线计算估计各项误差 , 中心控制 现代空间定位技术研讨交流会论文集第 5 卷 站根据三角形插值方法建立一个对应于流动站点位的虚拟参考站( V RS ) , 将这个虚拟参考站 的改正数信息传输给流动站 , 然后流动站结合 自身的观测值实时解算出流动站的精确点位 。 服务区内每一个流动站对应着一个不同的VRS参考站 , 所以 , 存在许许多多个 VRS参考站 。 由于 V RS 参考站发送的是正常格式的 RTCM 信息 , 因而流动站并不需要知道参考站所用的参 数模型 。 因为参考站需要根据流动站点位建立相应的局部改正数模型 , 所以流动站必须通过 NM EA格式把它的点位信息发送给中央控制站 , 这就是说流动站需要配备类似 GSM移动电话 的双向数据通讯装置 。 总体而言 , VS R 相对于其它模式有很多优势 , 所以发展较快 , ir T mb l e 公 司的VS R已经进入商业运营阶段 。 2 . 2发送区域改正参数的FK P 模式网络 RT K小 , 是由 GEo + 公司wu e be 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 , 数据处理中心根据各参考站的实时 同步观测数据进行整个控制区域的非差分误差建模( 一般用多项式拟合曲面) , 产生一个称为 FKP的空间误差改正参数 , 然后将这种 FK P 参数通过扩展的 RC TM (R T CMMe s s a g e 介e p5 9) 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 。 此种方法由数据处理中心发送 区域改正参数给用户站 , 改正数在用户站生成 , 因此数据只需单向传输 , 但是流动站 系统必须 知道有关的数学模型 , 才能利用 F即参数生成相应的改正数 。 所以每一个流动站需要购买相 应的软件来支持这种模 式 。 FK P 模式发展也比较快 , 国内外关于这 种模式 的研究也很多 。 晚i c a 和e G 。+ + 都支持这种模式 。 2 . 3主辅站技术(MAx ) 】, 是由瑞士徕卡测量系统有限公司基于 “ 主辅站概念 MAC ” 推 出的新一代参考站网软件 , 主辅站技术的基本概念就是从参考站网以高度压缩的形式 , 将所有 相关的 , 代表整周未知数水平的观测数据 , 如弥散性的和非弥散性 的差分改正数 , 作为网络的 改正数据播发给流动站 。 它是 RC TM3 . 0 版网络 RT K信息的基础 。 主辅站技术的基本要求就是将参考站的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 , 整周未知数就被消除了 , 此时 , 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 一 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 。 为了降低参考站网系统网络中数据的播发 量 , 主辅站方法发送其中一个参考站作为主参考站的全部改正数及坐标信息 , 对于网络( 子网 络)中所有其它台站 , 即所谓辅参考站 , 播发的是相对于主参考站的差分改正数及坐标差 。 差 分改正信息可以被流动站简单地用于内插用户所在点位的误差 , 或重建网络(或子 网络)中所 第 3集 晏红波等 : CP S 网络 PTK的现状及应用前景探讨 有参考站的完整改正数信息 。 因此 , 主辅站概念完全支持单向的数据通信 , 而且不会影响流动 站的定位性能 。 主辅站方法为流动站用户提供了极大的灵活性 , 能够对网络改正数进行简单 的 、 有效的内插 , 或取决于它的处理能力 , 进行更严格的计算 。 对于用户来说 , 主参考站并不要求是最靠近的那个参考站 , 虽然那样会更好一些 。 因为它 仅仅被用来简单地实现数据传输的目的 , 而且在改正数的计算中没有任何特殊的作用 。 如果 由于某种原因 , 主站传来的数据不再具有有效性 , 或者根本无法获取主站的数据 , 那么 , 任何一 个辅站都可以作为主站 。 在任何时候 , R T CM 3 . 0版主辅站网络改正数都是相对于真正的参 考站的 , 因此也是完全可以追踪的 。 主辅站改正数包含主站的全部观测值 , 所以流动站即使无 法解读网络信息 , 它仍然可以利用这些改正数据计算单基 线解 。 主辅站技 术的基本概念如 图2 : 主辅站概念(MAc ) 一个主参考站+若千个铭站 一曰卜网络单元 图2主辅站概念 主辅站技术的参考站网 , 已经在国内香港(12) 、 澳门(2) 、 昆明(7) 、 江阴 (9) 、 成都(8) 、 山 东(7) 、 北京(6) 、 武汉大学(5) 、 南极 (2)等地成功安 装了 Spid e r /Spid e r N ET 软 件 并投人 运行I 。 2 . 4综合误差内插法 (c o m b in ed bia s in te 和la t io n , eBI) 9 , C BI 由武汉大学 e S P中心于 20 02年推出 , 该技术利用卫星定位误差的相关性计算基准站上的综合误差 , 并内插出用户站 现代空间定位技术研讨交流会论文集第 5卷 的综合误差 。 该方法对电离层 、 对流层误差不使用改正模型 , 由已知误差直接改正 , 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 CB I 技术较有优势 。 采用 CB I 技术 , 网络 R T K系统只需要单向数据传输链路 , 但用户需添置设备 。 3 、 主要误差的改正方法 在网络 R T K算法研究 中 , 核心问题是为了更好地计算或消除卫星定位中的各种误差 。 由 于各种误差源在特性上有明显差别 , 因此在研究和应用中应该分开处理 。 根据空间相关性可 以把网络RT K误差源分为空间相关误差和非空间相关误差 。 空间相关误差包括轨道误差 、 对 流层延迟误差和电离层延迟误差等 ; 而非空间相关误差则包括多路径效应 、 接收机噪声等 等 1 “】。 因为网络 RTK系统作用的有效范围与当地 电离层 、 对流层的活动状况有关 , 所以对 定位影响较大的是空间相关误差部分 。 目前 , 为减弱电离层 的影响 , 比较有效的措施主要有 : (l )电离层模型法 。 包括单层电离 层模型和多层电离层模型(幻o bu c ha r 模型)改正 【川 。 (2 )利用双频观测量组合进行削弱 【” 。 (3 )半和改正法改正电离层延迟 。 (4)两观测站同步观测量求差法削弱 ”1 1 ,。 对于情况相对比较复杂的对流层来说 , 目前采用的各种对流层模型(主要有霍普菲尔德 改正模型 、 勃兰克模型 ” ”】) , 即使使用实时测量资料 , 经过对流层延迟误差改正后 的残差 , 仍保持在对流层影响的 5%左右 , 减弱对流层延迟误差的主要措施有 : ( l )尽可能充分掌握观 测站周围地区的实时气象资料 ; (2 )在测站基线比较长或者是测站间的气象元素变化比较复 杂的情况下 , 适当地增大卫星截止高度角 ; (3 )完善对流层延迟数学模型 ; (4 )利用相对定位的 差分法来减弱对流层延迟的影响(对短基线较有效) ; (5 )利用水汽辐射计 , 准确地测定电磁波 传播路径上的水汽积累量 , 以便精确计算大气湿分量的改正项 , 但其设备昂贵 , 难以普遍采用 。 卫星轨道误差主要源于 G邢卫星轨道摄动的复杂性和不稳定性 。 目前可以利用 I GS精 密预报星历和拟合法改正轨道误差 。 常用拟合方法包括切比雪夫多项式和拉格朗日多项式进 行拟合 , 但在展开级数较高的情况下 , 拉格朗日多项式法容易产生振荡 , 切比雪夫多项式法拟 合出的结果比较稳定 。 对于卫星钟钟差 、 接收机钟差 、 相对论效应 、 地球旋转影响 、 天线相位中心偏差和地球固体 潮影响而言 , 可以通过模型计算获得或者在组差的过程中消除 , 在系统误差源分析中可以 忽略 。 多路径效应和接收机噪声等非空间相关误差具有个体特殊性 , 每个基准站和流动站产生 的非空间相关误差均没有相关性 , 不存在空间线性关 系 。 因此流动站的多路径效应和接收机 噪声等非空间相关误差 , 无法通过内插算法模拟 , 而基准站上的非线性误差若包括在综合误差 3 集晏红波等 :G SP网络 PKT 的现状及应用前景探讨 中对流动站误差进行内插时会成为内插噪声 , 反而对流动站定位精度有不 良影响 , 因此本文认 为可分别计算基准站间空间相关误差双差 , 来代替站间综合误差双差 , 以消除基准站非空间相 关误差对流动站定位的影响 。 4 、 改正数生成算法 网络 RTK技术的关键就是融合选定基准站 的数据 , 利用内插法计算出与流动站真实误差 较为相近的误差改正数 , 以消除或削弱基准站网中空间相关误差对导航定位的影响 。 为了建 模或内擂出基准站网中与距离相关的空间误差( 轨道误差 、 对流层延迟和电离层延迟等) , 到 目前为止 , 己经研究出了多种利用基准站网络数据生成误差改正数的方法 。 主要有偏导算法 、 基于距离的线性内插法 、 线性内插法 、 低次曲面模型法 、 线性组合法和最小二乘配置法 。 5 、 应 用分析 网络 RTK 系统目前 在许多发面都得到了应用 , 尤其是城市建立连续运行跟踪站 系统 (COS R)不仅可以为城市规划 、 国土管理 、 城乡建设 、 基础测绘提供空间信息服务 , 也可以为交 通管理 、 灾害监测 、 环境保护 、 科学研究等提供技术支持和相关数据服务 。 其动态应用领城如 表 l 所示 , ,“: 表 1 网络 RT K系统应用领域及要求 领域主要用途精度需求( m ) . 实时性需求 测绘工程测图 、 施工控制 土0 . 0 1 一 土0 . 1 准实时或事后 地理信息更新城市规划 、 管理 * 0 . 1 一 土0 . 5 准实时 工程施工施工 、 放样 、 管理 土 0 . 0 1 一 土 0 . 1 准实时 线路施工及测绘通信 、 电力 、 石油 、施 工及竣工测绘 , 0 . 1一 士 5 (取决于比例尺等)准实时 形变监测安全监测 土0 . 0 0 1一 土0 . 0 0 5 准实时或事后 地面交通监控车 、 船行程管理 、 自主导航 土 l 一 幻 0 . 延时s 3 空中交通 监控 飞机进场与着陆 士0 . 5 一土 6 延时1 5 公共安全特种车辆监控 、 事态应急 土 l 一土 1 0延时s 3 农业管理精细农业 、 土地平整 土0 . 1 一 土0 . 3 延时s 5 海空港管理船只 、 车辆 、 飞机进港后调度 士 05 一 士 l 延时s 3 气象城市区域可降水汽预报 土 0 . 0 05 一 士0 . 加8准实时 目前全球已有德国 、 美国 、 日本 、 新加坡 、 加拿大等二十多个国家和地区先后建立起了自己 现代空间定位技术研讨交流会论文集 第 5 卷 的 G PS CORS 系统 。 在国内 , 随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发 展 , 人们对空间位置信息变化的实时性需求越来越迫切 , 电子政务 、 电子商务 、 数字城市 、 数字 省区和数字地球的工程化和现实化 , 需要采集多种实时地理空间数据 。 因此 , 发展不同形式 、 不同功能的 COS R 系统的紧迫性和必要性越来越突出 。 近几年来 , 国内不同行业已经陆续建 立 了一些专业性的连续运行 GS P 跟踪网( CGS P ) , 其 中著名的有中国地震局牵头建设的中国 地壳运动监测网 , 交通部建设的沿海差分站系统 , 信息产业部建立的电离层监测网 , 国家测绘 局建立的连续运行参考框架网 , 部队建设的连续跟踪站网 , 上海地区 以监测气象参数为主的观 测网以及像深圳 、 东莞 、 北京 、 武汉 , 昆明 、 上海等城市建立的连续运行参考站网等等 , 正日益发 挥着重要作用 。 目前在国内 , 深圳 、 东莞 、 武汉 、 昆明 、 成都已建立起 GS P 参考站系统并投人正 式运行 , 天津 、 上海 、 苏州 、 北京等城市都在试验阶段 , 另外 , 国内许多城市如厦门 、 南宁等已经 将 C O RS系统建设纳人到近期的建设计划中 。 鉴于 C ORS网络 的巨大优越性 , 在今后几年的 发展过程中 , 必将掀起建设热潮 。 这些 GS P 连续运行运行系统将对我国经济建设和科学进步 起到重要的作用 。 6 、 结论与展望 目前对第一代网络R T K 系统的研究主要集中在误差分析及算法建模上 , 对于系统的完备 性 、 可靠性 、 精度等发面还有待于进一步深人的探讨和研究 。 在数据传输和交换方面还有很大 的发展空间 。 第二代网络 RTK系统正在研究建设 中 , 第二代网络 RT K系统将在运算法则和 改正信息播送标准上有所改进和创新 。 目前关于 网络 RT K的一系列研究主题有仁 5: . 分级网络设计 : 让整个区域乃 至全球性的实时网络也适用于小范围的网络R T K服务; . 网络 RT K改正信息的内容和格式 : 虚拟参考站概念(VS R)与广播网络 RT K概念; . 用国家空间信息取代 RT K观测值改正数(PP P 一 精密单点定位) ; . 改进大气改正模型的运算法则 ; . 降低在参考站与站点有关的系统误差( 主要是多路径效应误差 ) ; . 通过加强改正数的计算或者通过额外的监控点监控观测值以提高网络 RTK改正数的 监视质量 ; . 新的数据通讯系统(如 : 基于网络的或者数字声频播送 ) ; . 包含未来第三代 GS P 频率和将来的 Gi a lle o 系统 ; . 单独取 出并处理网络 RK T 的副产品 : 电离层和对流层延迟 、 局部地壳变形 ; 在未来几年内 , GS P 网络建设将高速发展 , 而这种GS P 网络R T K技术也将不断改进和完 善 , 并且将代表着 G巧 高精度实时定位的发展方向 。 第 3 集晏红波等 : G PS网络盯 K 的现状及应用前景探讨 参考文献 : 【 1 陈永刚 , 郭荣华 . 网络 RTK在工程测量中的应用【 J . 中国学术期刊 , 大坝与安全 , 2X (碎年 增刊 . 【 2 景维立 , 孙仁锋 , 王占龙等 . GS P 网络 RT K技术及其应用【 J . 四川测绘 , 20 05 . 2 8(4) : 18 4 一 187 【 3 唐文刚 , 王建辉 , 金元德 . 虚拟参考站 系统 的设计与建立【 J . 现代测绘 , 2以又 . 2 7( 2) : 1 3 一 15 【 4 王红平 , 李婷峰 . 卫星轨道误差对网络 RT K定位精度的影响分析及改进方法 . 全球定位系 统 . 2X ()4 . 3 2 一 3 5 【 5 李