（大地测量学与测量工程专业论文）gps网络差分定位关键技术与系统设计方案研究.pdf

摘要 摘要 基于连续运行卫星定位基准站网( c o r s ) 的g p s 网络差分定位技术，具有覆盖范围广、可靠 性高等优点，已成为目前代表最高精度水平的实时动态定位模式。它通过对多个连续运行的基准站 数据融合处理，楚体改进大气延迟、卫星轨道误差等空间相关误差，生成差分改正信息，并利用无 线通讯技术发布给用户，实现区域厘米级实时动态定位。本文以“十一五”国家科技支撑计划重点 项目为依托，对g p s 网络差分定位的关键技术进行了研究，论文完成的主要：r 作如下： 在对现有的网络差分技术进行深入分析的基础上，提出了一种新的网络筹分定位算法模型，包 括空问误差模型的建立、移动站误差改正信息内插以及虚拟观测值的推导计算。该模型应用于自主 开发的网络筹分定位软件s v p r o 并得到了很好的验证。 通过对基准站网形结构的分析，研究基于d e l a u n a y 三角网理论的g p s 网络若分定位系统基准站 网络构造方法，实现了基准站自动组网和动态更新，解决了移动站用户定位时最优基准站选择的问 题。在此基础上以自建d n c o r s 系统为实验平台，对影响网络差分定位精度的因素进行了分析，并 通过实地测试进行精度评定： 作，实现了厘米级实时定位。 结合某试点项目，对区域g p s 网络差分定位系统的设计方案进行研究，详细介绍了网络若分定 位软件s v p r o 的功能模块设计，对数据传输、通信方法做了深入分析，为项目的顺利实施奠定了基 础。 最后，针对现阶段国内网络差分系统系统建设中存在的问题，总结了国内外系统建设、运营与 管理的经验，尝试着提出了一套g p s 网络差分定位系统的管理模式，以期对系统的有效管理有所帮 助。 关键词：g p s ；网络差分；基准站网；测试分析；设计方案；管理模式 a b s t r a c t t h eg p sn e t w o r kd i f f e r e n t i a lt e c h n o l o g y , w h i c hb a s e do nc o r s ( c o n t i n u o u so p e r a t i o nr e f e r e n c e s t a t i o n s ) ，h a saw i d ec o v e r a g e ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dn o w , i th a sb e c o m et h er e p r e s e n t a t i v eo ft h em o s t h i g h p r e c i s i o nl e v e li nr e a l t i m ek i n e m a t i cp o s i t i o n i n g i td e c r e a s e sc o r r e l a t i v ee r r o r s ，s u c ha sa t m o s p h e r e d e l a y ，s a t e l l i t eo r b i te r r o r s ，t h r o u g hi n t e g r a t i n gd a t af r o mc o n t i n u o u so p e r a t i o ns t a t i o n s t h e ng e n e r a t e st h e r t c mc o r r e c t i o n ，a n db r o a d c a s t st h ei n f o r m a t i o nb yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h i sp a p e rh a s b e e ns u b s i d e db yt h ek e yp r 功e c t so fn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n s ，a n dt h ec o r ea r i t h m e t i co f g p sn e t w o r kd i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e d t h em a i nw o r k , w h i c ht h i st h e s i sh a s c o m p l e t e da r ea sf o l l o w s ： o nt h eb a s i so fi n - d e p t ha n a l y z i n gt h ee x i s t i n gm e t h o d so fn e t w o r kd i f f e r e n t i a lt e c h n o l o g i e s ，t h e n e t w o r kd i f f e r e n t i a lm o d e li sp u tf o r w a r db a s e do nt h ep r i n c i p l e so fv r s ，i n c l u d i n gt h ee s t a b l i s h m e n to f s p a c ee r r o rm o d e l ，m o b i l es t a t i o n se r r o ri n t e r p o l a t i n g , a sw e l la st h ec a l c u l a t i n ga n dd e d u c t i n go ft h ev i r t u a l o b s e r v a t i o n s b ya n a l y z i n gt h es t r u c t u r eo ff i d u c i a ls t a t i o nn e t w o r k s ，t h em e t h o do fc o n s t r u c t i n gg p sn e t w o r k si s s t u d i e d b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fd e l a u n a yt r i a n g u l a t i o n ，t h i sp a p e rr e a l i z e sa u t o m a t i cn e t w o r k i n g b e t w e e ns t a t i o n s ，a n dd y n a m i cu p d a t i n gs u c ha sp o i n ti n s e r t i n ga n dd e l e t i n g 1 1 h ep r o b l e mo fs e l e c t i n gt h e b e s tr e f e r e n c es t a t i o ni nm o b i l ep o s i t i o n i n gi sa l s os o l v e d t h e n ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ea c c u r a c yo f n e t w o r kd i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n ga r ea n a l y z e d ，t a k i n gt h ej s c o r sa n ds e l f - b u i l ds y s t e ma se x p e r i m e n t p l a t f o r m ，a c c u r a c ya s s e s s m e n ti sr e a l i z e dt h r o u g hf i e l dt e s t s t h ed e s i g ns c h e m eo fr e g i o n a lg p sn e t w o r kd i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi sr m c h e dc o m b i n a t i o n t h ec h a n g s h ap i l o tp r o g r a m i td e t a i l st h ef u n c t i o nm o d u l e so fs e l f - d e v e l o p e ds v p r os o f t w a r e , m a k e sa d e e pa n a l y s i so nt h em e t h o d so f d a t at r a n s m i s s i o na n dc o m m u n i c a t i o n t h e s er e s e a r c h e sl a yt h ef o u n d a t i o n f o rt h es m o o t hi m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o j e c t f i n a l l y , b ys u m m a r i z i n gt h ec o n s t r u c t i o n a l ，o p e r a t i o n a la n dm a n a g e m e n te x p e r i e n c ea th o m ea n d a b r o a d , i nt h el i g h to fp r o b l e m s ，w h i c ho c c u r e sa td o m e s t i c t h i sp a p e rt r i e st op u tf o r w a r das e to f m a n a g e m e n tm o d e l sf o rg p sn e t w o r kd i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，w i t ht h ee x p e c t a t i o no fb eh e l p f u lf o r t h ee f f e c t i v em a n a g e m e n to f t h e s y s t e m k e yw o r d s ：g p s ；n e t w o r kd i f f e r e n t i a l ；c o r s ；a c c u r a c ya n a l y s i s ；d e s i g ns c h e m e ；m a n a g e m e n tm o d e l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：生蕉日期：竺坚上尹 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 圭丝导师签名：& 丝一日 期：埠八， 第一章绪论 1 1g p s 定位技术的发展历程 第一章绪论 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 ，g p s ) 是目前世界上运行最成功、应用最为广泛的卫星 导航定位系统，同时也是唯一实现全运行的卫星导航定位系统。它由美国国防部于1 9 7 3 年开始研制，并 于1 9 9 3 年投入正常运行，可在全球范围内为粥户提供全天候、连续2 4 小时实时导航定位和授时服务。 g p s 的服务方式分为针对民用用户的标准定位服务( s t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v i c e ，s p s ) 和特许授权用户 的精密定位服务( p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e ，p p s ) ，s p s 服务对全世界的所有用户均是可用的，已成为 占主导地位的卫星导航服务。然而尽管美国已于2 0 0 0 年宣布停止实施s a 政策，但g p s 单点定位精度 也难于高过1 5 - 3 0 m ，对于大量高精度应用需求而言，s p s 定位服务远远不能满足要求。 为了消除和削弱g p s 卫星轨道误差、电离层延迟、对流层延迟等误差影响，大幅度提高实时定位精 度，出现了差分g p s 定位技术( d g p s ) ，其基本原理是相距较近的接收机之间的g p s 观测值存在空间 相关的系统误差，通过差分处理，不同观测值中的共有系统误差将会得到消除或减弱。早期的载波相位 差分是基于静态观测的相对定位，为了可靠地获取整周模糊度，需要进行长时间的观测，限制了其在实 时定位领域中的应用。随着数据处理和通信技术的发展，又出现了实时伪距差分( r t d ) 和载波相位差 分( r t k ) 技术，伪距差分由于码观测值本身的精度较低且受码伪距人观测噪声和多路径效应的影响， 因此精度较低，主要应用于导航领域；r t k 是基于载波相位的差分g p s 技术，具有比r t d 更高的精度 优势，并且模糊度实时在航解算( o nt h ef l y ，o t f ) 技术又很好的解决了动态模糊度解算的问题，从而 使得r t k 技术可以获得厘米级的实时动态高精度定位。r t k 技术的出现极人地拓展了g p s 的使用空间， 使g p s 定位技术广泛的应用于人地测颦以及与位置信息相关的其它行业，然而随着移动站与基准站间距 离的增加，空间误筹的相关性减弱，使得系统误著残差迅速增大，导致定位精度下降，并且用于发送差 分信息的通信电台本身覆盖范围就比较小。使得r t k 的作业范围受到很大限制i l 卜1 2 1 。 为克服常规r t k 技术存在的缺陷，同时伴随着无线通讯、网络技术的发展，以及连续运行基准站网 在全球范围内的广泛建立，使得g p s 中长距离高精度实时动态定位成为了可能，这样g p s 网络差分定 位技术便应运而生。其基本原理是通过对多个连续运行基准站的长时间观测，建立基准站问的电离层延 迟、对流层延迟以及轨道误差模璎，精确估计出移动站定位误差，并通过现代通信手段为移动站用户提 供实时改正信息，用户利用上述信息削弱空问相关误差，从而大大扩展了基准网络的有效服务范围，可 实现区域范围内厘米级、精度均匀、高可靠性、实时动态定位，解决了常规r t k 技术难以实现的中长距 离实时动态精密定位问题p j 。 在差分g p s 技术取得长足发展的同时，g p s 单点定位技术也取得了进步。随着国际g p s 服务组织 i g s 的成立以及开始向全球提供精密星历和精密钟差产品，人们开始探索采用原始相位观测值进行精密 单点定位( p r e c i s ep o i n tp o s i t i o n i n g ) ，美国喷气推进实验室( j p l ) 的研究人员取得了2 4 小时连续静态 定位精度达1 - 2 c m 、事后单历元动态定位精度达2 3 3 5 d m 的试验结果，用实测数据证明了利用非著相位 观测值进行精密单点定位是完全可行的。由于精密单点定位仅利用单台接收机即可在全球范围内进行静 态或动态定位，并且能直接锝剑高精度i t r f 框架坐标，因此，它在区域高精度坐标框架维持、高精度 导航与定位等方面都具有不可限蹙的应用前景1 4 】。 经过三十多年的发展，g p s 技术引导了空间定位技术的革命性变化，开创了以导航卫星为动态参考 点的空基无线电导航定位技术的新时代，用g p s 同时测定三维坐标的方法将定位技术从陆地和近海扩展 到整个海洋和外层空问，从静态扩展剑动态，从单点定位扩展到局部与，“域差分，从事后处理扩展到实 时( 准实时) 导航定位，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至毫米级，从而大大拓宽了应用领域。 目前，g p s 已在大地测量学、地球动力学、天体力学、气象学、军事、交通、高精度授时等学科领域得 东南人学硕士学位论文 到j 泛应用。根据刘经南院士对g p s 定位技术的分类5 1 ，本文认为g p s 发展历程可以用图1 1 来表示。 绝对定位技术相对定位技术 ( 伪距、相位)( 伪距、相位) 第一代伪距单点定位l 伪距差分定位ji 载波相位静态差f ( 1 9 8 0 - 1 9 9 0 ) f ( s p s ) ( r t d ) 分定位 ( 9 第9 0 二代- 1 9 9 1 9 9 0 - 1 9 9 5 )厂() 一一一一一一l 一一 第三代 精密单点定位 一! 皇一 ( 1 9 9 6 - 2 0 0 6 ) i ( p p p ) 第四代 l 广域芳分定位li 载波栩位实时差i l ( w a d g p s ) l1 分定位( r t k ) 1 ，j一 i 。 鳞r t k g i o b a lr t k ，f () 图1 - 1g p s 定位技术发展过程 目前g p s 系统正在逐步实现其“现代化”进程，即发射g p si ir 嘲、g p si if 、g p s 系列新型甲星、 增加l 2 c 以及第三频率l 5 ，除g p s 之外目前世界上还有俄罗斯的g l o n a s s 、欧盟的g a l i l e o 以及中国 的c o m p a s s 等主要全球导航卫星系统( g n s s ) 。随着卫星定位技术的不断发展，其领域界限止逐渐变 得模糊，伴随着理论的不断完善，各种定位方法相互融合，最终将会趋向统一，而覆盖全球的人规模连 续运行基准站网( c o r s ) 的建设则为之提供了基础条件。 1 2g p s 网络差分定位技术国内外研究现状 2 0 0 3 年国际大地测量协会分委会“新一代r t k 技术”组织( l a gs c 4 5 ) 成立，致力于“网络r t k 定位 领域相关技术研究、研究进展报告、技术交流”，同时关注“网络r t k 技术最新发展趋势及未来发展方向”。 网络r t k 研究会主席w a n n i n g e r 博士将网络r t k 数据处理技术总结为以下三个基本研究领域：整周模糊度固 定、空间相关误差建模以及差分改正信息生成，除此之外还涉及基准站网络构建、数据通讯以及系统设计、 建设与评估管理等问题。 g p s 载波相位观测值在固定模糊度之后才能应用于空间相关误差的精密建模，对于站间距在5 0 公里以 上的中长距离网络而言，如何实时正确的同定整周模糊度是网络r t k 技术成败的一个关键冈素。2 0 世纪9 0 年代初期国内外学者开始研究模糊度在航解算理论( o t f ) ，取得了丰硕成果。1 9 9 0 年f 他i 和b e u t l e r 提出整 周模糊度快速解算法( f a r a ) ，在此基础上，f a s f 及l a m b d a 等方法在搜索空间定义以及优化搜索速度 等方面均有更大的改善。武汉大学高星伟利用测站坐标己知、模糊度为整数和双频模糊度问的线性关系三 个限制条件来优化参考站双差整周模糊度搜索效率，并提出理想条件下参考站问基线单历元模糊度搜索方 法。t r i m b l e 公司v o l l a t h 博十提出采用独立相位及伪距观测值组合构造分步卡尔曼滤波器法，简化了各阶段 参数估计算法的计算量，非常适用于模糊度浮点解的估计，该算法已应用于g p s n e t 软件1 6 1 - r n 。 根据空间距离相关误差在移动站位置与基准站网络内存在的系统性或随机性关系建立精密误差估计 模型，从而计算移动站位置的误差改正信息。线性内插模型( l i m ) 最早由w 砷n i n g e r 是出，通过建立以基 准站水平坐标为参数的双线性曲面，根据基准站网络解算的电离层延迟结果内插移动站位置双差观测值上 的电离层延迟量。与l i m 相类似，f o t o p o u l o s 、v a m e r 等陆续提出低阶曲面模拟( l s m ) 及偏导算法模型 ( p d a ) ，上述模型中不仅考虑了空间相关误差，还能处理非空间误差影响( 如多路径效) 。g a o 在w a n n i n g e r 模型的基础上建立了以空间距离为参数的电离层延迟模型( d i m ) ，适用于小区域距离相关误差建模i s j 。 根据差分改正信息生成机制的不同，可以分为虚拟参考站技术( 峪) 、主辅站技术( m a c ) 以及区 域改正数技术( f k p ) 。这也是目前主要的三种网络差分模式。v r s 技术由德国的l a n d a o 博七主持开发，软 件系统的基准站间距最长为7 0 1 0 0 k m ，系统启动初始化时间约为1 5 分钟，主要用来解算基准站间的模糊度， 2 第一章绪论 建立该地区的电离层和对流层延迟改正模帮。基准站系统启动以后，流动站通 过n m e a 格式将其概略位置 发送给系统监控中心，系统监控中心便可根据流动站所处的基准站三角形的观测值推算该点处的电离层延 迟、对流层延迟以及虚拟观侧值等，然后以r t c m 格式将差分信息发送给用户，就像在流动站附近设立了 一个参考站，只不过是虚拟的，所以称为虚拟参考站( v i r t u a lr e f e r e n c es t a t i o n ) 。德国的g e h 公司也做 过与v r s 类似的研究，与v r s 软件不同的是他们采用所有基准站采集的同步观测值进行非差处理，整个网 络产生一纽称为f k p 的区域改正参数，f k p 能够通过扩展的r t c m 信息发送给流动站。对于流动站来说， 真实参考站的坐标是同定的且为流动站所已知，所以仅需单向数据传输，流动站的个数不受限制，但这种 方法势必增加流动站的负担。l e i c a 公司的m a c ( m a s t e r - a u x i l i a r yc o n c e p t ，主辅站概念) 是在f k p 基础上 设计的网络差分方案，提出了个性化主辅站技术，在网络中选取一个主参考站并1 1 ) b 个辅参考站，将差分改 正信息发送给移动站用户卅1 1 1 1 。 在数据通信方面，目前最常用的差分改正数信息编码格式是r t c m ( r a d i ot e c h n i c a lc o m m i s s i o nf o r m a r i t i m es e r v i c e s ) ，并且由于无线i n t e m e t 技术的发展，出现了基于i p 协议的r t c m 差分信息网络传输 协议n t r i p ( n e t w o r k e dt r a n s p o r to fr t c mv i ai n t e m e tp r o t o c 0 1 ) ，还有基准站原始观测数据的有线网络 通讯、基y - g p r s c d m a 等无线公网业务的移动站数据通讯等都是实现网络差分定位必须解决的问题， 刘文建对c o r s 系统的内部组网方案进行了探讨，刘全海结合常州连续运行卫星定位服务系统的具体情 况对各种通信技术进行了比较研究。 网络建设和性能评估作为网络差分技术研究的重要方面，国外很多学者进行了大量的研究和实验。 h ug r 分析了新加坡综合c o r sn r t k 的性能，g r e j n e r 分析了使用各种网络构形、不同参考站分布密度 和不同数据处理方式分别对c o r sn r t k 精度和可靠性的影响，r a q u e t 测试了挪威的一个c o r s 网络的 r t k 定位精度情况，b r o w nn 还进行了关于c o r sn r t k 质量控制和完整性监测的研究。黄丁发较早的 对连续运行参考站网的建设进行了研究，刘经南更加详细的规划了我国的连续运行参考站网络的发展模 式，西南交通大学周乐韬对连续运行参考站网络定位理论作了研究，对基准站网络构造及算法进行了分 析，唐卫明对连续运行参考站系统定位精度检测方法进行了研究，具有一定的借鉴意义l 眩】【1 4 l 。 表1 1 为目前国际上支持网络差分定位功能的软件，其中g p s n e t 和s p i d e r n e t 为t r i m b l e 和l e i c a 公司开发的，商业化程度较高，全球市场占有率约为9 5 和5 ，w a s o f t v i r t u e l l 以及m u l t i r e f 均为科研 性软件系统，v i r t u e l l 主要应用于德国s a p o s 网络部分区域，而m u i t i r e f 则在新加坡、巴西以及加拿大 部分基准站网络进行过实验性测试。国内武汉大学的g p s 研究中心臼成立以来就开始研究和开发网络 r t k 软件，并于近年推出了以综合误差内插法为基础的p o w e r n c t 软件l l 卯，两南交通人学的黄丁发等也 研究和开发了自己的软件系统，但都没有应用的实例，笔者所在的东南大学研究小组经过两年多的努力 开发出具有自主知识产权的，全面支持g p s 多基准站网络差分定位的软件平台s v p r o ，并即将在国土资 源部试点项目中投入应用。 表1 - 1 网络差分定位软件 经过近十年的发展，目前全球范围内已建立了多个g p s 网络差分定位系统，包括北美地区的美国、 加拿大，欧洲全境以及亚洲的日本、印度等。国内测绘、国土等部门在全国2 个省( 江苏省、广东省) ， 1 8 个大中城市：北京、上海、天津、重庆、南京、杭州、广州、深圳、武汉、昆明、济南、青岛、苏州、 常州、合肥、东莞、淄博、郑州等均已建成具有网络差分功能的连续运行基准站网，除此之外还有国家 地震、气象部门建立的专用基准站系统，全国累积已建连续运行基准站点3 8 8 个，还有浙江、河北、山 3 东南人学硕士学位论文 东等省准备建省级网。国内外具有代表性的系统主要有i 3 j ： ( 1 ) 美国连续运行基准站系统c o i l s ( 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 y s t e m ) 美国c o r s 系统始建于上世纪九十年代初，采用联合建站方式，目前参与合作的单位接近2 0 0 家， 形成了三种类型：一种是国家c o r s 系统。主要由美国大地测帚局n g s 支持运行，共有9 8 8 个基准站， 参与者主要来自美国海洋和大气管理局n o a a 、美国海岸警备队、联邦高速公路管理局、联邦铁路管理 局、联邦飞行管理局、预报系统实验室、国家地球物理数据中心、美国国家宇航局、美国地质调查局、 美国工程兵、美国空军以及美国海军观测所等政府部fh 另一种是合作式c o r s 系统，由不同组织如政 府、院校、商业以及私人机构等建立，其中部分站纳入到国家c o r s 系统；还有一种是当地部门建立的 区域c o r s 系统。截止到2 0 0 7 年9 月，美国国家c o r s 站已经达到1 1 5 4 个，用户用一台g p s 接收机 在美国任意位置观测然后通过因特网一f 载c o r s 若干基准站数据，即可进行事后精密定位，同时向全球 用户提供基准站坐标和g p s 原始观测站数据。 ( 2 ) 日本g e o n e t 系统 日本国家地理院( g s i ) 从上世纪9 0 年代初开始着手布设地壳应变监测网( c o s m o s ) ，并逐步发 展成日本g p s 连续运行观测站网g e o n e t ，该网由1 2 0 0 个基准站组成，站间平均距离2 0 k m 。g e o n e t 系 统是日本重要的国家基础设施，其主要功能是进行地震监测和预报，构成高精度的动态国家大地控制网， 满足数据采集和更新的需要等。 ( 3 ) 深圳g p s 综合应用网( s z c o r s ) s z c o r s 系统是由深圳市国土规划局主持建设的我国第一个实时型的连续运行基准站系统。于2 0 0 1 年9 月建成并投入试运行。系统采h j 美国t r i m b l e 的v r s 技术，利用5 个连续运行g p s 基准站覆盖深圳 全市，站间距离平均为2 5 k m ，可全天候地向深圳地区用户提供厘米级实时和快速定位、毫米级事后精 密定位等服务。 ( 4 ) 江苏省连续运行卫星定位综合服务系统( j s c o r s ) 江苏省连续运行卫星定位综合服务系统( j s c o r s ) 是由江苏省测绘局主持建设的全国首个省级g p s 基准站网络系统，系统采用l c i c a 的m a c 技术于2 0 0 6 年1 2 月建成，共有6 2 个基准站，站间平均距离 约5 0 k m 。j s c o r s 系统实现了在江苏省域内建立一个高精度、高时空分辨率、高效率、高覆盖率的全球 导航卫星系统综合信息服务网，把g p s 这一高新技术综合应用于大地测量、工程测量、气象预报、地震 监测、以及城市地理信息系统等领域，同时兼顾社会公共定位服务，以满足日益增长的城市综合管理与 城市化建设的需求。 1 3 本文主要研究内容 本文以“十一五”国家科技支撑计划重点项目“农村土地实时监测技术与系统研制”子课题一网络 化数字调奄技术开发( 2 0 0 8 b a t l l b 0 5 ) 为支撑，结合当前g p s 网络差分定位技术的发展以及课题需要， 将围绕下列问题展开讨论与研究： ( 1 ) 全面理解g p s 网络差分定位系统的工作原理、组成以及三类主要网络差分定位模型。在此基 础上对基准站网空间相关误著模型、移动站误差内插模型以及虚拟观测值计算模型进行深入的研究。 ( 2 ) 通过对二维平面离散数据点网络结构的分析，研究基于d e l a u n a y 三角网理论的g p s 基准站网 络构造方法。实现基准站的自动组网和动态更新，解决移动站定位时基准站选择的问题。在此基础上以 j s c o r s 系统为实验平台，对影响网络差分定位精度的因素以及精度检测方法进行研究与探索，并通过 实地测试实现对系统各项性能指标的评定。 ( 3 ) 结合试点项目，研究区域g p s 网络差分定位系统的设计方案，包括各子系统的设计与实现， 着重介绍自主开发的网络差分定位软件总体结构、各功能模块及数据传输、通信系统。 ( 4 ) 深入分析现阶段国内系统建设中存在的问题，总结国内外系统建设、运营与管理的经验，尝试 着建立一套有效的g p s 网络差分定位系统管理模式。 4 第二章g p s 网络差分定位的模型 第二章g p s 网络差分定位的模型 g p s 网络差分定位技术是集现代网络通讯、计算机软件和g p s 定位技术于一体的新兴g p s 定 位应用技术，是近年来g p s 应用领域的研究热点，与常规r t k 技术相比，网络差分定位具有精度 高，覆盖面广，可靠性强，实时性更好的特点。本章将首先介绍网络差分技术的定位原理以及系统 组成，通过对现有定位模型的分析，重点研究空间相关误差模型、移动站误著内插模型的建立以及 虚拟观测值的生成，在此基础上提出了一种新的网络差分定位算法模型，并应用于自主开发的网络 差分定位软件s v p r o 中。 2 1 网络差分定位系统的组成与原理 2 1 1 网络差分定位系统的组成 g p s 网络差分定位系统由基准站子系统( r e f e r e n c es t a t i o ns y s t e m ) 、控制中心子系统( s y s t e m m a n a g e m e n tc e n t e r ) 、数据通讯子系统( d a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 以及用户应用子系统( u s e r a p p l i c a t i o ns y s t e m ) 等四个部分组成。各子系统的构成与功能如表2 - 1 所示。 表2 1 各子系统构成与功能 2 1 2 网络差分定位的原理 在一定区域内建立一定数量( 一般为三个以上) 的g p s 连续运行基准站，利用现代数据通讯技 术将它们连接在一起，构成基准站网，形成对该地区的网状覆盖，充分利用各基准站观测信息进行 数据融合，整体改进大气延迟和卫星轨道误差，计算生成差分改正信息，利用无线通讯技术进行播 发，同时具有网络差分功能的移动站用户可随时接入系统接收差分改正信息，稳定、快速地获得高 质量的定位数据，这样的一种定位方式就称为g p s 网络差分定位。 以下对目前存在的三种网络著分技术进行简要介绍，其中关于v r s 的定位模型将在下节作详细 讨论。 1 区域改正数( f k p ) 技术 f k p 是德文区域改正数( f l a c h e nk o r r e k t u rp a r a m e t e r ) 的缩写，它是g + + 公司为基准站网络 5 东南人学硕： ：学位论文 差分数据播发而设计的模型，相应的开发了g n s m a r t 网络差分软件。f k p 模型对各个基准站上的 非差参数进行估计，通过基准站非筹参数的空间相关误差模犁计算移动站的改正数，将距离相关误 差定义为区域内平行于w g s 8 4 椭球的线性多项式平面，其基准为基准站的高程。f k p 方法的实现 流程可以表述为1 1 6 1 - 1 1 7 1 ： ( 1 ) 控制中心接收各基准站的实时同步观测数据： ( 2 ) 数据处理中心采用卡尔曼滤波估计基准站网内所有非差状态参数； ( 3 ) 对所估非差状态参数中的电离层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差以及地球潮汐影响进行 空间相关误差建模，并据此估计移动站上的非差空间相关误差，计算生成f k p 区域改止参数； ( 4 ) 把移动站上的非差空间相关误差描述成南北方向和东西方向的区域参数并以广播的方式按 照r t c m t y p e 5 9 格式发送； ( 5 ) 移动站用户采用专用的软硬件设备接收区域改正参数，并根据这些参数和自身位置计算误 差改正数从而实现实时定位。 f k p 技术所使片j 的模型如表2 2 所示： 表2 2f k p 技术使用的函数模裂和随机模琅 当采用卡尔曼滤波对上述各非差参数进行估计后，可得到如一卜参数估值： x = 【，；耳o ：n ：8 t i 万t 1m ：r ：g ；d t 7 ( 2 1 然而由此也可以看出，由于f k p 技术待估参数较多，而又很难分别建立各参数准确的幽数模型和随 机模型，因此影响了移动站改正数的计算精度。 2 主辅站( m a c ) 技术 主辅站技术是l e i c a 公司基于“主辅站概念”( m a s t e r a u x i l i a r yc o n c e p t ) ，为解决f k p 技术由 于采用非标准数据格式而在虑用推j “方面存在不足而设计的网络差分方案，并推出了s p i d e r n e t 网 络差分软件。m a c 的基本原理就是从基准站网以高度压缩的形式，将所有相关的代表整周模糊度 的观测数据( 如色散性的和非色散性的大气误差改正数) ，作为网络的改正数播发给移动站，图2 1 为主辅站概念的示意图。其定位流程可以表述为1 1 7 1 - 1 1 9 1 ： ( 1 ) 首先由各基准站传输原始观测数据至系统控制中心并对基准站间的双差模糊度进行估计； ( 2 ) 由数据处理中心根据接收来自移动站的n m e a 格式的点位信息，在网内选定一个主参考 站和多个辅助参考站； ( 3 ) 计算主参考站和辅助参考站间的单差空间相关误差，再将单差空间相关误差分解为色散误 差和非色散误差项，并按不同的发送率传输到移动站； ( 4 ) 移动站接收m a c 改正数，并按自定义的空间相关误差区域内插模型计算本站与各参考站 的空间相关误差； ( 5 ) 使用计算的空间相关误差改正移动站的相位观测值，从而实现精密定位。 实现m a c 定位的关键之一在于将基准站相位距离归算剑一个公共的整周未知数数水平，如果 相对于某一卫星与接收机“对”而言，相位距离的整周未知数已经被消去，或被平差过，当组成双 6 第二章g p s 网络差分定位的模型 著时辂周未知数就被消除了，此时就可以说两个基准站具有一个公共的整周朱知数水平。 a 的非差模糊度与辅站b 的非差模糊度之间的关系为： n ：= n + a n l 。, = n + 厶n 薯+ a v n 墨j 主参考站 ( 2 2 ) 式中，n 表示整周模糊度，r e f 为参考卫星编号，小，焉为对参考卫星的单差模糊度，哪 就称为夔周模糊度水平。 图2 1 主辅站概念示意图 在网络平差或者组成双著计算模型时，只有基准站整周模糊度水平信息被保留，因此基准站网 络内所有相关的、代表整周模糊度水平的观测数据都可改化为相应的网络改止数据播发给移动站用 户。m a c 误差改正的数学公式为： 毋o ；= p 么( f ) 一矗( t ) + c d t a + ( 篇+ a v n 男, j ) ，2，2 施妒= 南勋j b z i 一南抛j 矗厶 ( 2 3 ) j2 j 、 j2 j i ，2 ，2 锄铲却2 研 i - 勋缸一万锄么如，2，1，2- ，l 式中，户为站星几何距离，j ( f ) 为主参考站观测值，6 m j 为对应主参考站的改正数值，旃 为接收机钟差，勋0 为色散误差，主要是电离层延迟误差，勋0 尹一饿甲为非色散误差，主要包括 对流层延迟、卫星轨道误差等影响。 m a c 技术克服了f k p 方法的缺陷。支持单向和双向通讯，对用户数量没有限制，为移动站用 户提供了极人的灵活性，并且主辅站网络改正数都是相对于真正的基准站的，不是虚拟的。但同时 m a c 技术依然是在主参考站和移动站的基线上进行差分解算，虽然辅站信息改善了电离层、对流 层的精度，可基线长并没有改变，和常规r t k 一样面临着随着移动站剑主参考站距离的增人，解算 的速度和精度逐渐降低的问题：另一方面，m a c 技术将主站原始数据和辅站相对信息都发给移动 站，数据量大，并需要移动站有专门算法以适应增加的辅站信息，这无疑增加了移动站解算负担。 3 虚拟参考站( v r s ) 技术 虚拟参考站( v i m n lr e f e r e n c es t a t i o n ) 技术是由t r i m b l e 公司提出的并体现在其核心网络差分 软件g p s n e t w o r k 中，v r s 的基本原理就是综合利用各基准站的观测数据，通过建立精确的误差模 型来修正空间距离相关误差，在用户移动站附近产生一个物理上不存在的虚拟参考站，这样就可以 在用户站与v r s 之间按照常规差分解算的模式来进行定位。其定位流程可以表述为网2 j ： 7 东南大学硕上学位论文 ( 1 ) 控制中心接收各基准站实时的观测数据并对基准站网内各基线的模糊度进行在线解算； ( 2 ) 数据处理中心利用基准站网载波相位观测值计算每条基线上的综合误差，并据此建立电离 层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差等距离相关误差的空间参数模型： ( 3 ) 移动站用户将通过单点定位得到的n m e a 格式的概略坐标通过无线移动数据链路发送给 控制中心，控制中心软件经过处理即在该位置创建一个虚拟参考站； ( 4 ) 选取距离虚拟参考站最近的基准站为主参考站，并根据主参考站、用户及g p s 卫星的相 对几何关系，通过模型内插得到移动站与主参考站间的空间相关误差，再结合主参考站的观测值进 而生成虚拟观测值； ( 5 ) 数据中心把虚拟观测值或改正数按照r t c m 标准差分电文格式在n t r i p 协议的基础上发 送给移动站用户； ( 6 ) 用户移动站与v r s 构成短基线，通过差分解算确定用户位置。图2 3 为v r s 系统的示意 图。 基准站 图2 2 v i r s 系统示意图 相比较以上两种定位模型，v r s 具有比较明显的优势。v r s 根据移动站用户上传的概略坐标在 移动站附近虚拟基准站，从而构成数十米的短基线，基本消除了长基线定位的概念，因此作业半径 得到了很人的扩展，定位精度亦比较均匀；另外由于采用标准的差分数据格式及传输协议，对用户 终端设备配置也没有更高的要求，这使得v r s 技术成为目前国内外应用最广、展成功的一种网络差 分定位技术。 2 2 网络差分定位算法模型 由以上阐述的v r s 的定位流程中，可以看出实现v r s 定位的关键技术有：基准站间整周模糊 度的实时在线解算，空间距离相关误筹模型的建立以及虚拟观测值的生成，本节将对这几点问题进 行详细的研究讨论，并提出了一种v r s 虚拟观测值生成算法。 2 2 i 整周模糊度的在线同定 整周模糊度的正确求解是实现高精度g p s 载波相位定位的先决条件，众多学者都对其进行了广 泛而深入的研究，也取得了很多成果。1 9 9 3 年，d e l f t 大学的t e u n i s s e n 教授提出了著名的最小二乘 模糊度降相关平差法( l e a s t s q u a r e a m b i g u i t yd e c o r r e l a t i o na d j u s t m e n t ，l a m b d a ) ，该方法可缩小 整周模糊度搜索范用，加快搜索速度，是目前公认的一种较好的模糊度搜索算法，可用丁快速静态 定位和动态定位。然而在v r s 网络差分系统中，随着基线长度的增加，电离层、对流层等