高精度快速定位技術(shù)與算法

1、高精度快速定位技術(shù)與算法RTK （Real Time Kinematic） 技術(shù)是GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它將 GPS與數(shù)傳技術(shù)相結(jié)合，實(shí)時(shí) 解算并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在 12s的時(shí)間里得到高精度的位置信息。常規(guī)RTK技術(shù)是一種對(duì)動(dòng)態(tài)用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位的技術(shù)，該技術(shù)也可用于快速靜態(tài)定位。進(jìn) 行常規(guī)RTK工作時(shí)，基準(zhǔn)站需將自己所獲得的載波相位觀測(cè)值（最好加上測(cè)碼偽距觀測(cè)值）及站坐標(biāo),通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)播發(fā)給在其周圍工作的動(dòng)態(tài)用戶。于是這些動(dòng)態(tài)用戶就能依據(jù)自己獲得的相同 歷元的載波相位觀測(cè)值（最好加上測(cè)碼偽距觀測(cè)值）和廣播星歷進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位，并進(jìn)而根據(jù)基準(zhǔn) 站的站坐標(biāo)求得自己的瞬時(shí)位置。為消除衛(wèi)星鐘

2、和接收機(jī)鐘的鐘差，削弱衛(wèi)星星歷誤差、電離層延 遲誤差和對(duì)流層延遲誤差的影響，在RTK中通常都采用雙差觀測(cè)值。R.TK工作原理RTK技術(shù)是建立在流動(dòng)站與基準(zhǔn)站誤差強(qiáng)相關(guān)這一假設(shè)的基礎(chǔ)上的。當(dāng)流動(dòng)站離基準(zhǔn)站較近（例如不超過1 01 5km）時(shí)，上述假設(shè)一般均能較好地成立，此時(shí)利用一個(gè)或數(shù)個(gè)歷元的觀測(cè)資料即 可獲得厘米級(jí)精度的定位結(jié)果。然而隨著流動(dòng)站和基準(zhǔn)站間間距的增加，誤差相關(guān)性將變得越來越 差。軌道偏差，電離層延遲的殘余誤差和對(duì)流層延遲的殘余誤差項(xiàng)都將迅速增加。從而導(dǎo)致難以正 確確定整周模糊度，無(wú)法獲得固定解。這項(xiàng)技術(shù)始于2 0世紀(jì)90年代初，極大地拓展了 GPS的使用空間，代表著高精度 GPS

3、勺最高水 平。但是RTK技術(shù)有著一定局限性，當(dāng)流動(dòng)站和基準(zhǔn)站間的距離大于50 km時(shí)，常規(guī)RTK的單歷元解一般只能達(dá)到分米級(jí)的精度，使其在應(yīng)用中受到限制：1. 用戶需要架設(shè)本地的參考站2. 誤差隨距離增長(zhǎng)3. 誤差增長(zhǎng)使流動(dòng)站和參考站距離受到限制4. 可靠性和可行性隨距離降低。在這種情況下為了獲得高精度的定位結(jié)果就必須采取一些特殊的方法和措施，于是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生了。VRS（Virtual Reference Station）是虛擬參考站，代表 GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。它的出現(xiàn)使一個(gè)地區(qū)的所有測(cè)繪工作成為一個(gè)有機(jī)的整體，擴(kuò)展了RTK的作業(yè)范圍，使 GPS的應(yīng)用更廣泛，精度和可靠性也進(jìn)一步

4、提高。VRS的出現(xiàn)，得益于現(xiàn)代高科技的發(fā)展。它已不僅僅屬于GPS勺范疇，而是集Internet 技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理和GPS定位技術(shù)于一身的系統(tǒng)。是近年來在常規(guī)RTK和差分GPS的基礎(chǔ)上建立起來的一種新技術(shù)，目前尚處于試驗(yàn)、發(fā)展階段。如果在一個(gè)較大的區(qū)域內(nèi)能稀疏地、較均勻地布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)，那么我們就能借鑒廣域差分GPS和具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局域差分 GPS中的基本原理和方法來設(shè)法消除或削弱各 種系統(tǒng)誤差的影響，獲得高精度的定位結(jié)果，這就是網(wǎng)絡(luò)RTK的基本原理。-峠刖也舁屮笄VRS工作原理網(wǎng)絡(luò)RTK是由基準(zhǔn)站網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理中心和數(shù)據(jù)通信線路組成的?；鶞?zhǔn)站上應(yīng)配備雙頻全波

5、長(zhǎng) GPS接收機(jī)，該接收機(jī)最好能同時(shí)提供精確的雙頻偽距觀測(cè)值。基準(zhǔn)站的站坐標(biāo)應(yīng)精確已知，其坐標(biāo)可 采用長(zhǎng)時(shí)間GPS靜態(tài)相對(duì)定位等方法來確定。此外，這些站還應(yīng)配備數(shù)據(jù)通信設(shè)備及氣象儀器?；?準(zhǔn)站應(yīng)按規(guī)定的采樣率進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)將觀測(cè)資料傳送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù) 據(jù)處理中心根據(jù)流動(dòng)站送來的近似坐標(biāo)（可據(jù)偽距法單點(diǎn)定位求得）判斷岀該站位于由哪三個(gè)基準(zhǔn)站所組成的三角形內(nèi)。然后根據(jù)這三個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)資料求岀流動(dòng)站處所受到的系統(tǒng)誤差，并播發(fā) 給流動(dòng)用戶來進(jìn)行修正以獲得精確的結(jié)果，有必要時(shí)可將上述過程迭代一次?；鶞?zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)通信可采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DON或無(wú)線通信等方法進(jìn)行。流動(dòng)站

6、和數(shù)據(jù)處理中心間的雙向數(shù)據(jù)通信則可通過移動(dòng)電活GSM等方式進(jìn)行。1. VRS 系統(tǒng)組成VRS 系統(tǒng)包括 3 個(gè)部分：控制中心，固定站和用戶部分（1）控制中心控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心，即是通訊控制中心，也是數(shù)據(jù)處理中心。它通過通訊線（光纜，ISDN 和電話線 ） 與所有的固定參考站通訊，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（GSM, CDMA,GPRS） 與移動(dòng)用戶通訊。由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，所以控制中心的軟件GPS- NET即是數(shù)據(jù)處理軟件，也是系統(tǒng)管理軟件。（2）固定站固定參考站是固定的 GPS接收系統(tǒng)，分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)VRS網(wǎng)絡(luò)可包括無(wú)數(shù)個(gè)站，但最少要3個(gè)站，站與站之間的距離可達(dá) 70 km

7、（傳統(tǒng)高精度GPS網(wǎng)絡(luò)的站間距離不過 1 02 0 km）。 固定站與控制中心之間有通訊線相連，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳送到控制中心。（3）用戶部分即用戶的接收機(jī)， 加上無(wú)線通訊的調(diào)制解調(diào)器。 根據(jù)自己的不同需求， 放置在不同的載體上， 如： 汽車，飛機(jī)，農(nóng)業(yè)機(jī)器，挖掘機(jī)等等。當(dāng)然測(cè)量用戶也可以把它背在肩上。接收機(jī)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將自 己初始位置發(fā)給控制中心，并接收中心的差分信號(hào)，生成厘米級(jí)的位置信息。2. VRS 工作原理與常規(guī)RTK不同，VRS網(wǎng)絡(luò)中，各固定參考站不直接向移動(dòng)用戶發(fā)送任何改正信息，而是將所有 的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊線發(fā)給控制中心。同時(shí)，移動(dòng)用戶在工作前，先通過GSM勺短信息功能向控制中心發(fā)

8、送一個(gè)概略坐標(biāo)，控制中心收到這個(gè)位置信息后，根據(jù)用戶位置，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)選擇最佳的 一組固定基準(zhǔn)站，根據(jù)這些站發(fā)來的信息，整體的改正GPS的軌道誤差，電離層，對(duì)流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號(hào)發(fā)給移動(dòng)站。這個(gè)差分信號(hào)的效果相當(dāng)于在移動(dòng)站旁邊，生成一 個(gè)虛擬的參考基站，從而解決了RTK作業(yè)距離上的限制問題，并保證了用戶的精度。VRS 系統(tǒng)實(shí)際上是一種多基站技術(shù)，它在處理上利用了多個(gè)參考站的聯(lián)合數(shù)據(jù)。3. VRS 的優(yōu)勢(shì)（1）VRS覆蓋范圍VRS網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)站，但最少需要3個(gè)。按邊長(zhǎng)70 km計(jì)算，一個(gè)三角形可覆蓋面積為 2 1 00多km2。以北京市為例：市區(qū)面積 90 0多km2，

9、那么一個(gè)三角形（3個(gè)站）就可以控制整個(gè)北京市 區(qū)。北京全市面積1.68萬(wàn)km2，1 0個(gè)站就可以完全控制北京全市。與傳統(tǒng)的GPS網(wǎng)絡(luò)相比，VRS節(jié)約成本近70 %。實(shí)際應(yīng)用中，VRS系統(tǒng)可提供2種不同精度的差分信號(hào)：厘米級(jí)和亞米級(jí)。我們 所論述的是12 cm的高精度，若采用低精度，這個(gè)距離（70 km）可以拓展到幾百公里。（ 2）主要優(yōu)勢(shì)1）費(fèi)用將大幅度降低：70 km的邊長(zhǎng)使建GPS網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用大大降低，用戶不必再架設(shè)自己的基準(zhǔn) 站。2）相對(duì)傳統(tǒng)RTK，提高了精度：在 VRS網(wǎng)絡(luò)控制范圍內(nèi)，精度始終在土 1 - 2 cm。3）可靠性也隨之提高：采用了多個(gè)參考站的聯(lián)合數(shù)據(jù)，大大提高可靠性。4）更廣

10、泛的應(yīng)用領(lǐng)域：城市規(guī)劃，市政建設(shè)，交通管理，機(jī)械控制，氣象，環(huán)保，農(nóng)業(yè)以及所 有在室外進(jìn)行的勘測(cè)工作。4. VRS 精度評(píng)估檢驗(yàn)VRS網(wǎng)絡(luò)參考站4個(gè)，邊長(zhǎng)為70 km左右，移動(dòng)站距最近的參考站 3 2 km。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中我們對(duì) VRS 的性能進(jìn)行測(cè)試。(1) VRS 初試化性能測(cè)試測(cè)試方法為移動(dòng)站 ( 距最近的參考站 3 2 km) 做初始化，每次初始化后連續(xù)輸出位置 3 0 s ，然 后重新啟動(dòng)接收機(jī)重新初試化，所有輸出的位置存儲(chǔ)在外接的計(jì)算機(jī)中，用以數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)。測(cè)試 結(jié)果：平均初試化時(shí)間 57s， 50 % 的初試化時(shí)間小于 50 s ，90 %的初試化時(shí)間小于 80 s 。(2) V

11、RS 精度測(cè)試在該網(wǎng)絡(luò)中，一段時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)站 (3 2 km ) 采集 2 2 0 個(gè)初試化位置。測(cè)試結(jié)果為 2 2 0 個(gè)位 置的平面標(biāo)準(zhǔn)差為 1.8cm 。其中 90 %的點(diǎn)位誤差小于 9mm, 99%的點(diǎn)位誤差小于 2 1 mm 。實(shí)驗(yàn)結(jié)論 為 VRS RTK 3 2 km 基線初試化平均時(shí)間小于 1 min ，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為 1.8cm ，具有常規(guī) RTK 所無(wú)法比 擬的優(yōu)越性，其多基站算法是 GPS 技術(shù)的突破。5. 控制中心軟件GPS-NETWORK軟件運(yùn)行于 WINDOWS N和 WINDOWS 200系統(tǒng)中。操作員可以通過該軟件從一臺(tái)計(jì) 算機(jī)對(duì)大型參考站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)

12、管理。GPS 參考站軟件是完全可升級(jí)的，因此，可以有三種不同的配置方式：配置1:基本的GPS-NETWORK能。包括以差分方式對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的碼和載波數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行處理和 QA/QC生成器可以工作于調(diào)制解調(diào)器，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)訪問服務(wù)器。系統(tǒng)自動(dòng)從最接近流動(dòng)站的參考站向呼 叫的流動(dòng)站發(fā)送完整性的 RTCM檢測(cè)數(shù)據(jù)。配置2： GPS-NETWORK以運(yùn)行在差分 GPS改正模式，包括配置 1中的所有特點(diǎn)，以及從網(wǎng)絡(luò)中 對(duì)給定用戶位置給出大氣和軌道改正值的能力。系統(tǒng)工作于相距100-300KM的雙頻接收機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。這是針對(duì)那些不用固定整周模糊度而對(duì) "分米級(jí) "精度感興趣的用戶。配置3:此種GP

13、S-NETWORK配置可以讓用戶在站間距達(dá)到50-70KM的參考站網(wǎng)絡(luò)中，通過整個(gè)網(wǎng)絡(luò)立功厘米級(jí)精度的位置，使RTK測(cè)量和建筑機(jī)械定位達(dá)到最終精度。WEB服務(wù)器：GPS-NETWORK Internet Web服務(wù)器備選件，可以非常方便地管理和發(fā)布所有 已存檔的RINEX觀測(cè)值.導(dǎo)航信息氣象信息.和年歷文件。6. 算法目前網(wǎng)絡(luò)RTK大體可采用內(nèi)插法、線性組合法及虛擬站等方法進(jìn)行。(1) 內(nèi)插法1) 各基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將接收到的觀測(cè)資料通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)送往數(shù)據(jù)處理中心。這些資料包括衛(wèi) 星導(dǎo)航電文、載波相位觀測(cè)值、測(cè)碼偽距觀測(cè)值及氣象資料等。2) 流動(dòng)站根據(jù)接收到的導(dǎo)航電文和測(cè)碼偽距觀測(cè)值進(jìn)行單點(diǎn)定位

14、， 實(shí)時(shí)求得自己的近似位置 (X u, Y u, Z u) 并將它們傳送至數(shù)據(jù)處理中心。3) 數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)動(dòng)態(tài)用戶的近似坐標(biāo)判斷出該點(diǎn)究竟位于由哪三個(gè)基準(zhǔn)站組成的三角形內(nèi)，并求出從流動(dòng)站至這三個(gè)基準(zhǔn)站的距離。若流動(dòng)站至某一基準(zhǔn)站的間距小于規(guī)定值( 例如 1 0km),則可按常規(guī)RTK技術(shù)處理，否則轉(zhuǎn)入下一步進(jìn)行內(nèi)插。4) 設(shè)流動(dòng)站位于三角形 ABC內(nèi)，流動(dòng)站離基準(zhǔn)站 A最近，則取A點(diǎn)作為計(jì)算中的參考點(diǎn)?；鶞?zhǔn) 站B和C分別與A點(diǎn)組成雙差觀測(cè)值。5) 將基準(zhǔn)站 A 作為參考點(diǎn)，求得上述各系數(shù)后，將流動(dòng)站近似的平面坐標(biāo) (Xu, Yu) 代入后， 即可得到該站內(nèi)插值。6) 數(shù)據(jù)處理中心將各內(nèi)插值

15、實(shí)時(shí)播發(fā)給動(dòng)態(tài)用戶，動(dòng)態(tài)用戶就能對(duì)雙差觀測(cè)值進(jìn)行改正。(2) 線性組合法1) 各基準(zhǔn)站將當(dāng)前歷元時(shí)的觀測(cè)資料通過數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)傳送給數(shù)據(jù)處理中心。2) 流動(dòng)站先利用偽距觀測(cè)值和衛(wèi)星星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位，求得自己的概略坐標(biāo)并將其轉(zhuǎn)換為高斯 平面坐標(biāo) (xu, yu) ，然后再將該時(shí)刻的載波相位觀測(cè)值和 (xu, yu) 值實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)處理中心。3) 數(shù)據(jù)處理中心首先據(jù)流動(dòng)站的近似坐標(biāo)判斷該站位于哪個(gè)三角形內(nèi)，然后計(jì)算線性組合的系 數(shù)。4) 數(shù)據(jù)處理中心利用基準(zhǔn)站 A, B, C的資料解算基線向量 AB和AC,然后求出殘差 VAB和VAC, 再計(jì)算常數(shù)項(xiàng) L 。5) 數(shù)據(jù)處理中心利用流動(dòng)站 u和基準(zhǔn)

16、站A上的載波相位觀測(cè)值及求得的常數(shù)項(xiàng) L組成雙差觀 測(cè)方程進(jìn)行解算, 并通過數(shù)據(jù)通信鏈將解算出來的流動(dòng)站坐標(biāo)播發(fā)給動(dòng)態(tài)用戶。 當(dāng)然解算雙差觀測(cè)方 程的工作也可由動(dòng)態(tài)用戶來完成。(3) 虛擬基準(zhǔn)站法 從前面的討論可知,當(dāng)流動(dòng)站離基準(zhǔn)站較遠(yuǎn)時(shí),由于兩站間的誤差相關(guān)性減小,殘余的衛(wèi)星星歷 誤差，電離層延遲，對(duì)流層延遲等偏差對(duì)相對(duì)定位的影響增加，從而使常規(guī)RTK的定位精度降低。為解決這一問題, 就必須增設(shè)一些基準(zhǔn)站, 以便用戶能利用這些基準(zhǔn)站所提供的信息采用一定的算法來 消除或大幅削弱這些偏差項(xiàng)所造成的影響。虛擬基準(zhǔn)站是網(wǎng)絡(luò) RTK 中一種很有發(fā)展前途的較好的方法。它設(shè)法在流動(dòng)站附近建立一個(gè)虛擬 的基

17、準(zhǔn)站, 并根據(jù)周圍各基準(zhǔn)站上的實(shí)際觀測(cè)值算出該虛擬基準(zhǔn)站上的虛擬觀測(cè)值。由于虛擬站離流動(dòng)站很近，一般僅相距數(shù)米至數(shù)十米。故動(dòng)態(tài)用戶只需采用常規(guī)RTK技術(shù)就能與虛擬基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位，獲得較準(zhǔn)確的定位結(jié)果。如果網(wǎng)絡(luò)RTK的數(shù)據(jù)處理中心能按照常規(guī) RTK中所用的數(shù)據(jù)格式來播發(fā)虛擬基準(zhǔn)站的觀測(cè)值及站坐標(biāo)，那么網(wǎng)絡(luò)RTK中的動(dòng)態(tài)用戶就可用原有的常規(guī) RTK軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這是虛擬基準(zhǔn)站法的另一優(yōu)點(diǎn)。在虛擬基準(zhǔn)站法中， 動(dòng)態(tài)用戶也需根據(jù)偽距觀測(cè)值和廣播星歷進(jìn)行單點(diǎn)定位， 求得測(cè)站的粗略位 置并實(shí)時(shí)將它們傳送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心通常就將虛擬基準(zhǔn)站P 設(shè)在該點(diǎn)上。此時(shí)虛擬站P離真正的流動(dòng)站u位置可能相距2 040 m左右。有的軟件還要利用基準(zhǔn)站上的偽距觀測(cè)值對(duì) 單點(diǎn)