（大地测量学与测量工程专业论文）虚拟参考站（vrs）技术的质量控制和完备性监测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 根据当前精密导航、变形监测和实时空间信息服务等领域的科学研究和 工程应用对于实时动态高精度高可靠性定位的需要，近年来，我们g p s 项目 研发小组系统研究了基于w 曲的增强虚拟参考站( v r s ) 技术及其完备性监 测，并自主开发出一套增强的v r s 网络解决方案v e n u s 系统 ( v r s e n h a n c e dn e t w o r ku t i l i t ys o l u t i o n ) 。本文报告的内容，是我们研究工作 的部分贡献，主要涉及基于v e n u s 系统的实时数据质量控制和完备性监测 研究方面。 本文主要包括两个方面的内容： 一、研究背景的一般性描述和网络实时动态定位综合技术的系统总结和 介绍。主要涉及到：参考站网络实时数据质量控制以及完备性监测研究的重 要性和意义，多参考站网络差分技术的优势，以及v r s 技术的原理和影响 v r s 技术实施的主要误差来源。 二、具体研究工作的系统报告，主要集中在以下方面： ( 1 ) 实时数据的质量控制研究。本文针对v r s 技术中实时数据质量控 制的需要，对实时数据同步、钟跳探测与修复、码伪距观测值的相位平滑、 卫星星历监测进行了探讨与分析，并针对参考站网络周跳探测的特点开发出 一种参考站网络实时探测周跳的新算法一种基于( 9 ，一7 ) 组合和卡尔曼 滤波的参考站网络实时周跳探测新算法，阐述了该算法的原理与数学模型， 并通过长基线数据实验验证了其正确性和可靠性。 ( 2 ) 基于四川g p s 观测网络( s i g n ) 的v e n u s 系统的完备性监测研 究。首先考察了s i g n 网络中双差电离层延迟和对流层延迟的时空特性，然 后采用加权低阶趋势面内插算法来估计流动端的空间相关误差，并对其内插 精度进行了考察。在此基础上，计算了双差电离层延迟完备性监测指标：电 离层残差完备性监测 r i m 和电离层残差内插不确定性承i u ；提出了双差对 流层延迟完备性监测指标：对流层残差完备性监测t r i m 和对流层残差内插 不确定性t r l u ，并以s i g n 网络为数据平台对上述指标的正确性和效能进行 了测试。实验结果表明，上述指标能较好地反映出电离层和对流层对流动端 用户定位的实际影响，可用于v e n u s 系统中的电离层和对流层完备性监测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 同时提出了对参考站间m w 组合双差多路径效应的恒星日滤波残差进行监测 的方法。基于上述分拆，本文对v e n u s 系统完备性监测内容和结构进行了 详细的设诗。 关键词全球定位系统；连续运行参考站；质量控制；完备性监测；卡尔曼滤 波 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 a b s t r a c t r e c e n t l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fs o m ei m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t s a n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt e r m so f r e a l - t i m ep o s i t i o n i n gw i t hh i g h - - p r e c i s i o na n d r e l i a b i l i t yi nt h ef i e l d so f p r e c i s en a v i g a t i o n ，d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ga n dr e a l t i m e s p a t i a li n f o r m a t i o ns e r v i c e ，w eg p sg r o u ps t u d i e dt h ew e b b a s e de n h a n c e dv r s t e c h n i q u ea sw e l la s i t s q u a l i t yc o n t r o la n di n t e g r i t ym o n i t o r i n gs y s t e m a t i c a l l y ， a n da l s ob r o u g h to u tas e l f - d e v e l o p e ds y s t e m ，n a m e l yv e n u s ( v r s e n h a n c e d n e t w o r ku t i l i t ys o l u t i o n ) ，w h i c hi sb a s e do ne n h a n c e dv r st e c h n i q u e a st h e p a r t so f t h em a i nc o n t r i b u t i o n s ，t h er e s e a r c hp r o j e c t sf o c u sp r i m a r i l yo nt h eq u a l i t y c o n t r o la n di n t e g r i t ym o n i t o r i n go f t h ev e n u s s y s t e m t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sc o n s i s to f t w o p a r t s ： f i r s t p a r t - - - t h e o u t l i n eo ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h es y s t e m a t i c i n t r o d u c t i o na n ds u m m a r i z a t i o no f t h ep r e v i o u sr e s e a r c ho f t h i sw o r k s e c o n dp a r t - - - t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n dr e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ra r e f o c u s e do na sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yo nr e a l t i m eq u a l i t yc o n t r o l f o rt h eo b s e r v a t i o n s g i v e nt h e r e q u i r e m e n t st ot h eq u a l i t yc o n t r o lf o rv r st e c h n i q u e ，t h ed a t as y n c h r o n i z a t i o n , c l o c k j u m p ，p s e u d o r a n g ep h a s e - s m o o t h i n g a n d e p h e m e r i sm o h i t o r i n g a r e d i s c u s s e da n da n a l y z e d ，a n dt h e nan e wa l g o r i t h mf o rc y c l es l i po n - l i n ed e t e c t i o n i nr e f e r e n c es t a t i o nn e t w o r kb a s e do n ( 9 , - 7 ) l i n e a rc o m b i n a t i o na n dk a l m a nf i l t e r i s p r o p o s e d ，t h e n a n e x p e r i m e n ti s c o n d u c t e dt o p r o v ei t s c o r r e c t n e s sa n d e f f e c t i v e n c s s ( 2 ) s t u d yo ni n t e g r i t ym o n i t o r i n gf o rv e n u ss y s t e mo nt h eb a s i so fs i g n d a t ap l a t f o r m a no v e r v i e wo ft h ed o u b l e d i f f e r e n c e di o n o s p h e r i cd e l a ya sw e l la s t r o p o s p h e r i cd e l a yi nt e r m so fs p a t i a la n dt e m p o m ld e p e n d e n c ea r ei l l u s t r a t e d f i r s t l y ，t h e naw e i 蛋e dl o w o r d e rs u r f a c em o d e li ss e l e c t e dt op r e d i c tt h es p a t i a l l y c o r r e l a t e de r r o r si nt h em o b i l eu s e r b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，t w oi n d i c a t o r s f o rt h ei n t e g r i t ym o n i t o r i n gi nd o u b l e d i f f e r e n c e di o n o s p h e r i cd e l a ya r ec o m p u t e d ， i n c l u d i n gi o n o s p h e r i cr e s i d u a li n t e g r i t ym o n i t o r i n g ( m x m ) a n di o n o s p h e r i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 r e s i d u a li n t e r p o l a t i o nu n c e r t a i n t y ( 1 r r u ) ；a n dt w oi n d i c a t o r sf o rt h ei n t e g r i t y m o n i t o r i n gi nd o u b l e d i f f e r e n c e dt r o p o s p h e r i cd e l a y ，c a l l e dt r o p o s p h e r i cr e s i d u a l i n t e g r i t ym o n i t o r i n g ( t r i m ) a n dt r o p o s p h e r i cr e s i d u a li n t e r p o l a t i o nu n c e r t a i n t y ( t g w ) ，a r cp r o p o s e dt op r e d i c tt h e 订o p o s p h e r i cl i n e a r i t y ，w h e r e a f t e r a n e x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u t t ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo f t h ea b o v ei n d i c a t o r sw i t ht h e d a t ai ds i g n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ei n d i c t o r sc a l lp e r f e c t l yr e p r e s e n tt h ee r r o r s “s e e n ”b yt h er o v e rt h u st l l e ya r et h eu s e f u lt o o l st op r e d i c tt h er o v e rp e r f o r m a n c e i nv e n u ss y s t e m s i m u l t a n e o u s l y ，a n a p p r o a c hh a sb e e np u t f o r w a r df o r m o n i t o r i n gt h em u l t i p a t hr e s i d u a l so fm w l i n e a rc o m b i n a t i o nw h i c he x p e r i e n c e s i d e r e r a lf i l i t e r i n g t a k e nt h ea b o v ei n v e s t i g a t i o ni n t oa c c o u n t ，t h ea r c h i t e c t u r ef o r t h ei n t e g r i t ym o n i t o r i n gi nv e n u ss y s t e mh a sb e e nd e s i g n e di nd e t a i l k e y w o r d sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ；c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n gr e f e r e n c es y s t e m ； i n t e g r i t ym o n i t o r i n g ；q u a l i t yc o n t r o l ；k a l m a nf i l t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1g p s 定位技术的发展历程 全球卫星导航定位系统( g p s ) 是美国“授时与测距导航系统全球定位系 统”的简称( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m - n a v s t a r g p s ) 它能向用户提供全天候、全球性连续覆盖、实时、 高精度的三维位置、三维速度和时阿信息，有着非常广泛的应用( 周忠谟等， 1 9 9 2 ) 。目前，g p s 已在大地测量学、地球动力学、天体力学、载人航空学及 全球气象学等各学科领域得到广泛应用，且有着巨大的市场和广阔的发展前 景。 然而，全球定位系统g p s 的服务方式分为针对普通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 ) 和特许用户的精密定位服务( p r e c i s e p o s i t i o n i n gs e r v i c e ，p p s ) ，且由于受美国的a s 和s a 政策影响，s p s 的 实时单点定位精度，将为约1 0 0 m ( 水平) 和1 5 0 m ( 垂直) 左右。尽管美国 已于2 0 0 0 年宣布停止实施s a 政策，然而g p s 单点定位精度也难于高过 士( 1 5 3 0 ) m 。对于大量高精度应用的需求而言，g p s 系统的s p s 定位服务在 精度( g p s 系统测量的实时位置与真实位置的差距) 、完备性( 系统有能力 在系统发生故障无法支持正确导航定位服务的时刻及时向用户停供警告或者 提醒信息) 和可用性( 系统在空间和时间上可为用户提供连续导航定位服务 的能力) 三个方面存在明显的不足。为了减弱g p s 星历误差、大气误差以及 s a 影响，提高民用g p s 定位精度，差分g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ) 定位技术的 开发和应用得到普遍重视和迅速发展。 差分技术大大提高了g p s 定位的精度，其基本原理是由于相距较近的接 收机之间的g p s 观测值中存在与距离或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，这样就可以得到比绝对 定位更高的精度。早期的载波相位差分定位是基于静态观测的相对定位，即 通过两个g p s 接收机静态连续同步观测，获取多余载波相位观测值，以解算 并提高定位精度。然而，为了可靠地确定载波相位的整周模糊度，必须进行 长时间的静止连续观测，因而限制了其在精密导航、变形监测、实时空间信 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 息服务等需要准实时或实时定位领域的应用。 虽然静态差分g p s 技术的出现和快速发展在一定程度上大大拓展了g p s 的应用领域，满足了人们对高精度定位的需要，然而却无法满足人们对高精 度实时动态定位服务的需要。随着数据通信技术和数据处理技术的发展，实 时伪距差分的d g p s 技术( c o d e - b a s e dd i f f e r e n t i a lg p s ) 以及相位差分的r t k 技术( r e a l t i m ek i n e m a t i c ) 应运而生。实时差分g p s 系统由参考站、数据 传输通讯链路以及用户接收机设备组成。该技术通过采用使用一台g p s 参考 站接收机和一台用户接收机，利用参考站发送的实时差分信息来削弱g p s 同 步观测值中的星历误差、大气误差影响、时钟误差、仪器信号延迟、s a 干扰 等多种相关性公共误差源的影响，以实现实时动态高精度定位。由于d g p s 和r t k 采用单一参考站差分定位工作模式，因此一般通称为常规实时差分技 术。 d g p s 伪距差分g p s 技术由于码观测值本身的精度较低且受码伪距大观 测噪声和高多路径效应的影响，因此通过差分得到的精度较低，主要应用在 运动目标的导航、监测与管理方面以及地球物理勘探和海洋采矿等领域。r t k 技术是基于载波相位的差分g p s 技术，具有比d g p s 精度更高的优势，然而 该技术是以动态解算模糊度为前提的。模糊度实时在线解算( o nt h ef l y ， o ，r f ) 技术的出现很好地解决了这一难题，使得实时动态高精度定位( 厘米 级) 成为可能。常规差分技术虽然满足了从米级到厘米级动态定位服务用户 在定位精度方面的需求，但在实际应用中在精度、可靠性以及可用性等方面 分别存在无法克服的缺陷： 精度和可靠性低。常规实时差分技术受残余空间相关误差的影响，其 定位精度随着基线长度的增加而显著降低，因此流动端定位精度受到 观测条件和作用距离的限制。如d g p s 限制在1 5 0 k i n 左右，r t k 的 有效作用距离一般在1 0 1 5 k m ，且随着基线长度的增加，空间相关 误差的残差显著增大，这在一定程度上将严重影响流动端模糊度求解 的可靠性甚至导致模糊度的错误固定，从而大大降低了r t k 解算的 可靠性与正确性。另外，由于只能采用惟一参考站发送的差分信息而 没有冗余参考站的差分信息，使常规差分技术在可靠性方砸存在很大 不足。 可用性低。当发生大的电离层扰动、长时间数据缺失( 如信号遮挡) 、 高多路径效应影响时，差分定位将无法进行。另外，d g p s r t k 系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 大多采用超高频( u i ) 、甚高频( ) 信号、调频( f m ) 电台、 无线电信标台等通讯链路进行差分信号播发和接收，这些小功率的电 台难以向远距离的流动站发送差分信息，导致该技术具有覆盖范围 小、可用性差等缺点，这在一定程度上也限制了其使用范围。 无线通讯、因特网技术的蓬勃发展，以及连续运行参考站网络 ( c o n t i n u o u s l yo p e r a t i n gr e f e r e n c es t a t i o n ，c o r s ) 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可能。多参考站差分技术 ( m u l t i p l er e f e r e n c es t a t i o n ，m r s ) 即是实现该目的的一种有效手段。它通 过对多个连续运行参考站的长时间观测，可以精确估计参考站间的对流层延 迟、电离层延迟以及轨道误差等信息，并通过现代通信手段为流动站用户实 时提供改正信息，用户可以利用上述信息削弱空间相关误差，从而大大扩展 了参考站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 密差分定位。 1 2 多参考站网络( m r s ) 差分定位技术简介 m r s 技术一般是在一定区域内均匀布设多个( 三个或三个以上) 永久性 连续运行参考站( c o r s ) ，对该地区构成网状覆盖，利用互联网作为通信链 路，把参考站实时观测值发送到主控站( 计算中心) ，然后解算参考站间的 长基线的模糊度( 参考站精确坐标已知) ，在精确可靠的模糊度固定的前提 下，可对网络范围内的电离层、对流层、轨道误差等误差进行建模，并实时 生成流动站位置的改正项信息。将此改正信息按r t c m 差分电文进行编码， 通过无线通讯链路( g s m ，g p r s c d m a 等) 向用户实时连续发布，用户接收 到主控站发送的差分改正信息即可削弱其空间相关误差，从而在用户端实现 高精度实时差分定位。和常规r t k 技术( s t a n d a r dr t k ，s r t k ) 相比，多 参考站网络r t k 技术( m r s ) 的优势主要体现在： 更高的可靠性和更好的可用性( h i l g r ，2 0 0 3 ) 。如果该参考站网中 有个或两个参考站同时发生故障，m r s 仍然可以用剩余的参考站 估计空间相关误差继续为流动端用户提供实时改正信息服务，因此， 可以将发生故障的参考站对r t k 用户定位的影响完全消除。同时， m r s 可根据c o r s 的冗余观测值有效的探测某个参考站的观测粗差， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 大大提高了r t k 的可靠性和易用性，从而从根本上解决了s r t k 可 靠性和可用性差的问题。 更大的服务范围和更加均匀的精度分布。m r s 技术可对区域内的电 离层、对流层以及轨道等误差进行精确建模，这些距离或空间误差的 削弱可以提高流动端整周模糊度的求解精度，从而实现精度更高、精 度分布更加均匀的r t k 定位。以建立一个覆盖6 0 0 0 平方公里左右面 积，提供厘米级实时定位服务的区域参考站网络为例，采用m r s 技 术，设参考站间距离7 0 k i n ，最少仅需建立3 个参考站即可满足要求， 且网内精度分布均匀( 图1 - 1 ) ，而采用常规r t k 技术，设参考站间 距离2 0 k i n ，采用1 6 个参考站仍只能覆盖全区约7 9 的区域( 图1 - 2 ) 。 图1 1m r s 作用范围和精度分布图1 - 2s r t k 作用范围和精度分布 与s r t k 技术相比，m r s 技术的主要优点是覆盖面广、定位精度高、可 靠性强，可提供厘米级精度分布均匀实时定位，有着非常广阔的应用前景。 因此，世界上很多大规模的c o p s 网络相继建立了起来以提供厘米级网络 r t k 定位服务，具有代表性的主要有( 表1 - 1 ) ： 表1 - 1 全球c o r s 网络发展状况 网络名称国家地区参考站数量平均闻距 卫星定位与导航服务计划( s a p o s )德国 2 5 04 0 g p s 地球观测网( g e o n e t )日本 1 0 0 03 0 国家大地测量连续运行参考站网( n g s )美国 1 0 01 0 0 新加坡参考站网( s i m p r s n )新加坡 4 2 0 维多利亚g p s n e t澳大利亚 1 54 0 国际m r s 技术的发展推动了国内g p s 产业化以及g p s 连续运行参考站 服务网络建立和推广的进程。为了满足城市空间信息服务的需要，我国也建 立了多个区域级的c o p s 网络，包括深圳连续运行参考站网络s z c o r s ( 目 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 前有5 个参考站，平均站间距2 0 k i n ) 、四川g p s 观测网络s i g n ( 匿前有1 2 个参考站，有效基线平均长度8 8 5 k m ) 以及香港、上海、北京、昆明等地区 的c o r s 网络，可提供基于实时的差分定位服务和文件下载服务。 1 3m r s 完备性监测的概念、必要性和意义 1 3 1 完备性监测的概念 完备性是指当系统发生故障时，系统的差分g p s 信号不能用于用户定位 或者导航时，服务系统能向用户及时提供报警的能力，它是用户获得某种服务 可靠性的置信水平。简而言之，完备性就是系统出现失误时，系统报警响应的 时间和空间特性。一般用报警限值、示警耗时、示警能力和失误几率四个参数 来进行衡量和评估。完备性监测的目的是遥过向用户提供g p s 差分的完备性、 正确性信息以保证用户使用的安全性。 1 3 2m r s 系统完备性监测的必要性和意义 m r s 技术的原理是首先在一定区域内布设三个或三个以上数量的c o i l s ， 对该区域构成网状覆盖，通过对c o p s 进行长时间连续观测，可对参考站网 络内的电离层、对流层以及轨道等空间相关误差进行估计，建立空间误差区 域模型并生成改正数信息，然后对生成的改正数信息进行r t c m 编码并通过 现代通讯手段发送给流动站用户，流动站用户可以利用上述信息显著削弱空 间相关误差，通过求解短基线的模糊度从而实现中长距离实时精密定位。 从m r s 技术的原理可以看出，虽然流动站用户端的空间相关误差( 电离 层延迟、对流层延迟、轨道等误差) 通过建立空间误差模型可以最大程度的 消除并使残差白噪声化，但是在存在中等尺度电离层行扰( w a n n i n g e r ，1 9 9 9 ) 、 对流层在恶劣天气中变化剧烈以及伪距具有较大多路径效应的情况下，残余 误差仍然必须进行考虑，它会对短基线用户端的模糊度求解和坐标估计造成 较大的影响。 研究表明，移动用户的定位精度和可靠性不仅与参考站网络的数据处理 算法有关( 如参考站长基线模糊度的解算策略、空间区域内插模型的构建方 法、虚拟参考站以及虚拟观测值的生成算法等) ，在很大程度上还和参考站 网络的时间和空间可用性有关。完备性监测即是为了实时动态监测g p s 卫星 和整个系统的工作状况与健康状况，并及时向用户播发差分改正信息的完备 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性信息，从而能在最大程度上保证移动用户定位精度和可靠性的必要步骤。 因此，实时的完备性监测对于m r s 软件在c o i l s 网络的成功运行至关重要。 m r s 完备性监测一般包括实时网络数据的质量控制( 数据同步、钟跳修复、 伪距相位平滑以及周跳的探测与消除) 、电离层完备性监测、对流层完备性 监测、多路径效应监测、卫星星历监测以及c o i l s 网络参考站稳定性监测。 由此可以看出，对m r s 系统的要求，不仅仅包括对移动端用户定位精 度的要求，而且还包括对系统的完备性的要求。一般而言，如果在给定的精 度指标下的置信度很差，那么这样的系统尽管能给出保证精度的服务，实际 上是没有多大用途的。用户要求在获得一定精度的同时，系统的可靠性也得 到保证。完备性与系统的置信度有关，该置信度依赖于系统提供的信息的正 确性，包括当系统或导航定位数据不能用于数据服务业务时，系统向用户及 时提供警告信息的能力。 1 4 相关问题的国内外研究现状 1 4 1 实时数据质量控制 1 、钟跳 由于大部分接收机钟采用石英晶振，其精度和稳定度均远低于原子钟， 因此为了保持与g p s 时同步，必须对时间跳变( 称之为钟跳) 进行处理，一 般来说，不同的接收机处理钟跳的方法是不同的( s f u l l e r ，2 0 0 4 ) 些接 收机通过对钟跳进行持续性地修正来与g p s 时同步，另外一些接收机则允许 其钟差漂移，然后通过定期加入l m s 的修正值以使其尽量和g p s 时保持一致。 如t r i m b l e 5 7 0 0 接收机在钟差绝对值大于o 5 m s 时，加入l m s 的钟跳，将接 收机的钟差保持在l m s 之内，所以也叫毫秒跳变。毫秒跳变会对码伪距和相 位观测值均会造成系统偏差，且影响项无法通过差分完全消除ma n d l a n g l e y , 2 0 0 1 ) ，其最大可对观测值造成o 9 m 的误差，从质量控制的角度来讲， 必须对其进行正确的估计和消除，否则将使得周跳探测与修复更加困难，且 无法建立准确的随机模型，并会对后续的质量控制造成影响( s f u l l e r ，2 0 0 4 ) 。 2 、伪距观测值相位平滑 在m r s 技术中，伪距观测值主要是用来辅助求解整周模糊度，这有利于 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在存在较大电离层延迟和多路径效应影响时，高效正确地固定模糊度。因此， 在钟跳和周跳修复以后，可以对伪距进行相位平滑，这样可减小观测噪声， 提高整周模糊度的求解效率和正确性。刘经南在对广域差分系统研究的基础 上提出了单频相位平滑伪距方法、消除电离层影响的伪距平滑方法以及双频 相位平滑伪距方法( 刘经南，1 9 9 9 a ) 。 3 、周跳的探测与消除 h o f m a n n - w e l l e n h o f 认为周跳是由以下三种情况产生的：1 卫星信号的遮 挡引起相位锁相环的失锁从而引起周跳，这是最常见的情况；2 太低的信噪比 引起周跳，这通常是由于严重的电离层抖动、多路径效应、接收机处于高动 态状况以及太低的卫星高度角所致；3 接收机软件对信号的错误处理所致 ( 1 9 9 3 ) 。 h a n s w 分析了各种组合探测周跳的优劣，得出了使用仍，和纯，。是具有 较好效果的周跳探测组合，并提出使用精码和特殊的相位组合结合卡尔曼滤 波来实时动态探测和修复周跳( 1 9 9 7 ) 。黄丁发提出了利用小波变换的多尺 度分析能力检测和修复周跳( 1 9 9 7 ) 。m c r t i k a s 设计了失效检测( f a i h e d e t e c t i o n ) 方法实时探测粗差和周跳，并考察了累积和( c u m u l a t i v e - s u mt e s t ) 假设检验方法在探测粗差和周跳方面的效果( 1 9 9 7 ) b i s n a t h 针对目前的周 跳探测算法需要人工干预的缺点，提出了一种自动周跳探测与修复技术，该 技术在一定的观测条件下能取得较好的效果( 2 0 0 0 ) k i ma n dl a n g l e y 提出 了单历元周跳探测与修复技术( 2 0 0 1 ) 。该技术采用载波相位联合伪距和多普勒 观测值构造三差观测量，通过产生周跳候选值、筛选候选值以及验证最优概 率解等质量控制措施来确保周跳探测的正确性，并实现实时单历元周跳修复。 y u k i h i r ok u b o 提出了一种双频载波实时动态定位中异常值探测算法( 2 0 0 5 ) 。 该算法是基于对卡尔曼滤波的更新过程进行统计检验以实时探测与修复动态 定位中的周跳，从而确保实时载波导航定位的正确性。 上述方法分别是基于双频、实时、事后、静态和动态周跳探测与修复， 且在周跳探测的质量控制方面均存在不完善的地方。在m r s 周跳探测修复问 题上，由于可以进行静态连续高采样率采样，同时c o i l s 参考站坐标是精确 已知的，因此，可以较容易将周跳从其它参数的变化量中分离出来。但是， 为了确保用户定位的实时性和正确性，m r s 的周跳探测修复需要极高的置信 度和实时性。基于m r s 周跳探测修复的特殊性，周乐韬提出一种用于卡尔曼 滤波的实时m r s 网络的周跳探测算法( 2 0 0 7 c ) ，该算法在大多数情况下能 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在较少的历元内实现周跳的正确探测与修复，但是周跳的质量控制方面也存 在不完善的地方。考虑到m r s 网络周跳探测具有实时高可靠性的特点，周东 卫提出了使用双差宽巷和( 9 ，7 ) 消电离层线性组合作为观测量，采用卡尔 曼滤波来估计电离层参数，并构造基于z 2 分布的整体和局部统计量在给定的 显著水平下来同时探测多颗卫星的周跳：采用产生周跳候选值、筛选和验证 周跳候选值的方法对周跳进行修复，具有很高的实时性和可靠性( 2 0 0 7 ) 。 1 4 2 多参考站网络( m r s ) 完备性监测 w a n n i n g e r 于1 9 9 9 年分析了中纬度欧洲地区的电离层状况，考察了在存 在较大的中等电离层行扰( m e d i u m s c a l et r a v e l i n gi o n o s p h e r i cd i s t u r b a n c e s ， m s t i d s ) 和电离层风暴等灾害性天气的情况下，v r s 系统提供实时定位的性 能，提出了衡量电离层活动剧烈的指标一电离层厶。指数，并认为在电离层活 动剧烈时，区域误差模型修正后的二阶或二阶以上的电离层残差仍然不能忽 略，否则会造成流动站短基线模糊度的固定错误甚至坐标参数估计的不准确 ( w a n n i n g e r , 1 9 9 9 ) 。 w uc h e n 针对香港地区处于低纬度具有更为复杂和剧烈的电离层抖动和 闪烁，以及较大的湿度导致对流层变化剧烈的特点，分析了香港c o r s 网络 m r s 实时定位服务系统需要解决的关键问题，包括较为活跃的大气延迟对模 糊度解算的影响以及系统和用户的完备性监测( 2 0 0 2 ) 。n e i lb r o w n 设计了 v i c t o r i a n 连续运行参考站网络的质量控制和完备性监测方案，认为连续一致 的原始观测数据的质量和参考站的稳定性是m r s 网络最为重要的监测内容 ( 2 0 0 2 ) 。 针对m r s 的电离层改正一阶项已经在数据处理中心扣除的特点，c h e n x 分析了厶。指数在m r s 技术中应用的局限性，认为m r s 需要新的方法去衡量 流动站端电离层残余误差，以保证用户定位的完备性，并提出了两个非差电 离层线性指标：电离层残差完备性监测( i o n o s p h e r i cr e s i d u a li n t e g r i t y m o n i t o r i n g , i r i m ) 和电离层残差内插不确定性( i o n o s p h e r i cr e s i d u a l i n t e r p o l a t i o nu n c e r t a i n t y , i r i u ) 指标，通过实验验证了其一致性和有效性 ( c h e n x ，2 0 0 3 ) 。 w a n n i n g e r 对近7 年欧洲电离层k 指数进行了计算，分析了电离层抖动 的情况和k 指数的一致性，并提出了适用于网络r t k 技术的电离层k ：指数 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( w a n n i n g e r , 2 0 0 4 ) f u l l e r 分析了已有的典型质量控制的方法，并将其应用于m r s 网络对数 据的质量进行评价；并提出了实时质量控制系统的概念模型( f u l l e r , 2 0 0 4 ) 。 s i m o nc a f i n i g 针对瑞士定位服务网络( s w i s s p o s i t i o n i n gs e r v i c e ，s w i p o s ) 设计了基于v r s 系统的完备性监测系统- - v r s - m o n i t o r 软件，并用于对 s w i p o s 网络参考站点的稳定性、大气延迟以及模型误差的完备性进行监测 ( 2 0 0 6 ) 。 上述完备性监测的方法，都只是侧重于完备性监测中的某些方面的，整 体的完备性监测方案还有待研究。另外，由于v r s 技术的数学模型是基于双 差的，双差的完备性监测指标的研究还不充分，这是本文研究的重点。 1 5 本文的研究内容 本文主要的研究内容如下： 1 、首先介绍了g p s 定位技术的发展历程，以及多参考站网络差分m r s 技术和传统r t k 技术相比的主要优势，然后基于m r s 技术提出了m r s 完备 性监测的概念、必要性和意义，并对国内外相关研究现状进行了阐述。同时， 也对参考站网络中实时数据质量控制的必要性和相关问题的国内外研究现状 作了介绍。 2 、基于多参考站网络的v r s 技术。首先对区域改正数技术( f k p ) 和 主辅站技术( m a c ) 的技术特点和定位步骤予以简要介绍，然后重点阐述了 虚拟参考站v r s 技术的概念、系统构成与工作流程，分析了v r s 的关键技 术，在此基础上推导了v r s 虚拟观测值的计算模型，并对影响m r s 技术中 的较大误差源电离层延迟、对流层延迟、卫星轨道误差和多路径效应进行了 剖析，分析了其影响规律。 3 、实时数据质量控制。对实时数据进行预处理是获得干净的数据集建立 准确的观测方程的前提，本文针对m r s 技术中实时数据质量控制的需要，对 实时数据同步、钟跳探测与修复、码伪距观测值的相位平滑、星历监测( 包 括广播星历和精密星历) 进行了探讨与分析，并针对参考站网络周跳探测的 特点开发出一种参考站网络实时探测周跳的新算法一一种基于( 9 ，7 ) 组 合和卡尔曼滤波的参考站网络实时周跳探测新算法，阐述了该算法的原理与 数学模型，并通过长基线数据实验验证了其正确性和可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 4 、设计了基于四7j lg p s 观测网络( s i g n ) 的v e n u s 系统完备性监测 方案。首先简要介绍了四川g p s 观测网络s i g n 的情况，以及基于s i g n 数据平台的增强v r s 技术v e n u s 系统的数据处理方式和核心模块组成： 并设计了v e n u s 系统完备性监测总体结构，认为完整的完备性监测应该包 括参考站网络观测数据完整性监测、参考站相关完备性监测、通讯链路完备 性监测和系统总体有效性监测4 个方面的内容。其次，鉴于电离层延迟、对 流层延迟和多路径效应等误差是影响v e n u s 系统成功运行的主要误差源， 采用s i g n 数据分别对上述几种误差进行了定量分析，建立了电离层延迟和 对流层延迟空间误差内插模型，并通过数据实验分析了该模型的内插精度和 可靠性。基于上述分析，本文计算了基于双差电离层延迟完备性监测的指标： 电离层残差完备性监测指标( i o n o s p h e r i cr e s i d u a li n t e g r i t ym o n i t o r i n g ，i r i m ) 和电离层残差内插不确定性指标( i o n o s p h e r i cr e s i d u a li n t e r p o l a t i o n u n c e r t a i n t y ，i r i u ) ；并提出了对流层残差完备性监测( t r o p o s p h e r i cr e s i d u a l i n t e g r i t ym o n i t o r i n g ，t r i m ) 和对流层残差内插不确定性( t r o p o s p h e r i c r e s i d u a li n t e r p o l a t i o nu n c e r t a i n t y ，t r i u ) 指标。采用s i g n 数据对上述指标 进行了数据实验，验证了其性能和正确性，并探讨了其在v e n u s 系统中的 应用。最后，针对v e n u s 系统模糊度求解的特性，对m w 组合双差多路径 效应及其残差( 恒星日滤波后) 进行了分析，认为对其残差进行监测也是必 要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章多参考站网络v r s 技术 常规r t k 存在着如下的局限性：误差随着基线长度的增加而增大：可靠 性和可行性随基线长度增加而降低；数据的传输方式受到了限制；用户需自 己建立基站，增加了成本。所有这些都使肼【技术的推广受到了限制。如何 克服上述r t k 技术的缺陷，使用户在较大的空间范围内获得连续的高精度的 定位结果成为近年来g p s 研究领域的热点问题。和常规r t k 相比，由于多 参考站网络m r s 技术具有可以实现更大的服务范围、需要更少的参考站、具 有更高的可靠性以及定位精度更高更加均匀的特点而受到了国内外许多专家 学者的青睐。基于多参考站m r s 技术主要有虚拟参考站技术( v i r t u a l r e f e r e n c es t a t i o n ，v r s ) 、区域改正数技术( 德语f l l i c h e n - k o r r e k t u r - p a r a m e t e r , f k p ) 以及主辅站技术( m a s t e ra u x i l i a r yc o n c e p t ，m a c ) 本章将先对f k p 和m a c 技术进行简要介绍，然后重点对v r s 技术进行深入阐述。 2 1 非v r s 网络r t k 技术简介 2 1 1 区域改正数( f k p ) 技术 f k p 技术最早由w l l b b e n a 提出，并成功应用于g e o + +