GPS／VRS卫星定位服务网络建设与精度评定

1、gpsvrs卫星定位服务网络建设与精度评定第30卷第3期2005年6月测绘科学scienceofsurveyingandmappingvo1.30no.3jungps/vrs卫星定位服务网络建设与精度评定吴耀强,吕弋培,廖华,陈维锋,彭nji,黄丁发(四川省地震局,成都610014;西南交通大学空间信息工程中心,成都610031)【摘要】虚拟参考站技术是近几年发展起来的,集internet,无线通讯,计算机网络和gps于一体的卫星定位技术.成都虚拟参考站卫星定位服务系统的建设,在设计上可满足全天候地向大成都地区用户提供厘米级实时动态定位服务.为了对该系统的实际定位精度进行客观的评价,从2004

2、年7月开展,历时两个月,全面完成了成都虚拟参考站卫星定位服务系统的精度评定工作,结果表明:在网内,水平方向上的精度可达2.5cm,垂直方向上的精度为4.5cm,精度分布均匀;在网外,未模型化的距离相关误差的残余逐步增大,特别是距离网络中心大于120km以上时,定位精度开始衰减,为分米级.【关键词1全球定位系统;虚拟参考站;实时动态定位;精度评定【中图分类号】p228【文献标识码】a【文章编号】10092307(2005)030075031引言当前卫星定位技术正向着实时,高精度,高可靠性的方向发展,随着卫星定位,无线通信,计算机网络等高新技术的交叉发展和融合,人类社会对网络化,集中式的空间信息服

3、务的需求越来越迫切.为了实现上述目标.国内外相关政府部门和商业机构相继开始建立区域乃至全球规模的多功能gps综合服务网络.它的服务对象极其广泛,如:地壳形变监测,区域dgps服务,地基gps气象,动态测量控制网建网以及地球动力学,电离层参数研究等.我国正处于经济高速发展的黄金时期,gps技术产业化以及空间信息基础设施的建设进程方兴未艾,建立区域多功能gps连续参考站服务网络,是发展的必然趋势.基于此,四川省地震局在2002年底启动了四川gps观测网络工程项目,该项目以成都市为中心,建立了成都虚拟参考站卫星定位服务系统(cdvrs),该项目是四川数字地震观测系统十五工程项目中的一个子项目,以全球

4、定位系统(gps)技术为主的地壳运动观测网络,以监测四川省地壳运动,服务于地震预测预报为主要目标,同时兼顾大成都地区国民生产以及科学研究的需要.该系统在设计上可全天候地向大成都地区用户提供厘米级实时动态定位服务.虚拟参考站技术(vrs:virtualreferencestation)是近几年发展起来的,通过融合连续运行参考站网络(cors)的观测数据,借助internet,无线通讯,计算机网络管理技术来进行数据交换,实现区域厘米级实时动态定位(rtk)的系统,代表了继常规实时动态定位之后的新一代定位技术的发展方向.它通过在一个较大的区域内均匀布设参考站,在参考站坐标精确已知的情况下,利用有线或

5、无线通信链路,把参考站(网)的实时观测数据传送到一个数据处理中心,在处理中心对电离层,对流层,轨道误差等距离相关误差的影响进行建模,并生成rtcm差分改正数,通过无线通讯链路实时向用户发送.这样,流动用户就可以在一定的参考站网络覆盖范围之内,实现厘米级实时定位且精度分布均匀,在覆盖区之外,随着流动站的远离有效覆盖区,定位精度逐步降为分米级.参考站间距离依据rtk要达到的精度和当地的电离层活动状况而定,通常在50100km,在电离层活动频繁的区域,譬如在一些低纬度地区,如:新加坡的参考站网slmrsn,站间距离小于40km;而在电离层稳定的区域,站间距离可以超过100km.成都虚拟参考站卫星定位

6、服务系统第一期建设和调试业已完成,为了全面掌握本系统的工作性能,本文对该系统的定位精度进行了全面而客观的评定.2gps/,rs卫星定位服务系统建设成都虚拟参考站卫星定位服务系统,利用地面布设的4个参考站组成gps连续运行参考站网络,综合利用各个参考站的观测信息,通过建立精确的误差模型来修正距离相关误差,在用户站附近产生一个物理上不存在的虚拟参考站(vrs),由于vrs一般通过流动站用户接收机的单点定位(spp)或dgps解来确定,故vrs与用户站构成的基线通常只有几米至十几米,只要能够生成vrs的观测值/或rtcm差分改正数,就可以在vrs和用户站间实现常规差分解算.vrs系统包括4个组成部分

7、:连续运行参考站,数据处理与控制中心,数据传输与网络服务,流动用户.该技术是集internet技术,无线通讯技术,计算机网络管理技术和gps定位技术于一体的定位系统.本次建成的成都虚拟参考站卫星定位服务系统,包括四个基准站,分布在成都,仁寿,郫县,中江等地的地震观测台站上,构成了覆盖大成都地区的vrs基准网.其中,最长边达99km.数据处理中心建立在四川省地震局内,基准站与数据处理中心采用ddn专线连接,并在中心构成局域网,有效地确保了数传的信号质量与控制时延.如图1为数据处理与控制中心的网络结构.3gps/,rs数据处理方法由于连续运行参考站采用双频接收机,因此,可作如下双差线性组合:一v一

8、收稿日期:20041216基金项目:四川省十五重点科学工程项目四川数字地震观测网络建设工程,国家自然科学基金(no:40271091)器76测绘科学第30卷其中:v=鲁v.,差一2v2,72nk12=lvnl+2vn2,2=v+4精度评定与结果分析a1ak1l+k22v2p.v,vt,vn分别为卫地距,电离层延迟,对流层延迟以及整周模糊度参数等的双差.诽!_rs232:!成图i成都虚拟参考站卫星定位服务系统网络结构当kl:1,k2=一1时v+n得到双差宽巷组合lw72f9+vtv,l2(2)其中:=1一l,v=v1i,vn,=vnil;当k,=77,k,=一60时:有双差电离层无关组合lc:一

9、22一v:vn:(3)a其中:f=7760,v(pc=v7760,vn=vn7760;依(2)式,由于测站坐标精确已知,双差宽巷模糊度参数易于确定,在双差宽巷模糊度确定之后,再利用电离层无关组合(3),顾及n=vn一,得到如下方程:v+60avn一vp=v丁一17av.n1(4)式(4)中,l1上的双差模糊度与对流层延迟可采用滤波算法一并解算,不同高度角的卫星的对流层延迟均通过投影函数与测站上一个天顶延迟参数联系,具体参见文献4.在正确确定站间双差模糊度后,就可以计算每个历元的大气传播延迟vt和v,.设虚拟参考站v落在由参考站a,b,c构成的三角形内,假定a为主参考站,b,c为辅参考站,则在虚

10、拟参考站上的双差大气传播延迟可通过下式计算得到:f(atm)0001一balbcs()一lacos(ba)v仙1bc一lcoo(bc)一lao.s(ba)vaimac1bvbalveos(bv)一lncos(ia)vatnav1(5)由于虚拟参考站的精确坐标值就是流动站的单点定位结果.因此,虚拟相位观测值可以按下式获得,72av:(6)且认为虚拟参考站与流动站间的误差影响具有强相关性,因此可按短基线的解算方法解算lq.如图2,为vrs/rtk实时定位结果的重复性精度,采样间隔为1s.整周模糊度确定后,平面坐标波幅在3cm内,高程波幅在5cm.此次精度评定工作紧紧围绕vrs/rtk系统开展,为能

11、全面,客观地对网内外精度进行评定,我们在网内均匀布设了52个观测点;网外选取23个已知点作为测试l二-二一=:璺点,测试点按东北,南,西图2vrs/rtk实时定位南三个方向向网外线性辐射,结果的重复性精度最远达500余km.网内外检测点的布设如图3,4所示.图3网内检测点分布图图4网外测试点分布图参考站坐标为通过全球igs站的数据融合,使用gamit/globk解得的在itrf2000框架下的结果.全部检测点均经过4个小时连续静态观测,获得了精确的三维坐标.这些测试点均为中国地壳运动观测网络中的gps观测点,为已知点.vrs/rtk定位试验从2004年7月17日2004年7月26日,共进行了十

12、天,采样间隔为1秒在网络覆盖区内,将vrs/rtk结果分别与已知结果进行比较,在每一点上按观测历元来研究其离散度,从而统计出其精度结果和精度分布情况.以52个gps+水准点的4个小时连续静态观测结果作为最或然值进行统计分析,这样就可以获得偶然误差的估值=一,(7)可知:偶然误差的绝对值不会超过一定的限度;绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的几率大;绝对值相等的正误差与负误差出现的机会相等;其算术平均值趋近于零.从图57中可以看出:在北,东和竖直方向上,误差呈明显的正态分布.jl愠rm图5精度统计(北向)按白塞尔公式计算vrs/rtk的精度,可以得到vrs/rtk定位的外符合精度为:网内可达到水

13、平方向上2.5cm,竖直方向上4.5cm.为进一步验证vrs/rtk网内定位精度,用两台rtkl图6精度统计(东向)jl】兰兰35霉3兰2喜2u塞i5一ilino,ll,oo050o.5图7精度统计f垂直向)设备在成都郫县基线场一条7kin的基线边上进行了观测.用rtk测得的坐标计算出的斜距与该已知基线边长比较.熏第3期吴耀强等gps/vrs卫星定位服务网络建设与精度评定77仅相差8mm.在网外.随着流动站的远离基站覆盖区,距离相关误差的相关性逐步减弱,定位精度也随之下降.但vrs/rtk定位在网络覆盖范围之外的一定范围仍然是可以实现厘米级定位服务的,为了给出一个定量的距离相关分析,现在以检测

14、点到整个网络重心的距离作一距离相关和精度衰减分析.结果如图810所示,可以看出对于成都虚拟参考站卫星定位服务系统而言,在网络覆盖区域外约20km仍然可以实现厘米级实时动态定位,随着距离的进一步增长,距离相关误差的残余进一步增大,整周模糊度参数无法固定,精度降为分米级.图8定位精度随着距离的增长而衰减(北向)o455结论o4003o30通过以上分析可知:成都o25虚拟参考站卫星定位服务系统(cdvrs)在网内可达到水平方向上2.5cm,竖直方向上234图9定位精度随着距5离的增长而衰减(东向)4?5cm的外符合精度,精度分图10定位精度随着距离布比较均匀,计算方法准确有的增长而衰减(垂直向)效.

15、在网络范围以外,距离相关误差影响的相关性逐步减弱,特别是距离网络中心大于120km以上时,精度开始衰减,并随着距离的增长而衰减速度越来越快,定位精度为分米级.参考文献grhu.vhskhoo.pcgob,cllaw.internetbasedgpsvrsrtkpositioningwithamultiplereferencestationnetworkj.journalofglobalpositioningsystems,2002.1(2):l13120.glachapelleandpaiyes.multiplereferencestationapproach:overviewandcurre

16、ntresearchljj.journalofglobalpositioningsystems,2002,1(2):133136.hugr,khoohs,gohpc,andlawcl.testingofsingaporeintegratedmultiplereferencestationnetwork(simrsn)forprecisefaststaticpositioningm.proceedingsoftheeuropeannavigationconferencegnss2002,2730may,copenhagen,denmark,cdr0m.huangdingfa,zhouletao,liaohua,eta1.webandmobilecomputationbasedvrs/rtkpositioningandtheservicesystemdevelopmentljj.actageodaeticaetcartographicasinica(inchineseandinpress).neilbrown,allisonkealy,jamesmi