鄒 璇,唐衛(wèi)明,葛茂榮,劉經(jīng)南

1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北武漢430079;2.德國地學(xué)研究中心,A1714473 Potsdam,德國

基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位方法及其在連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)中的應(yīng)用

鄒 璇1,唐衛(wèi)明1,葛茂榮2,劉經(jīng)南1

1.武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心,湖北武漢430079;2.德國地學(xué)研究中心,A1714473 Potsdam,德國

基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位(RTK)方法通過提供每顆衛(wèi)星的誤差改正量,使網(wǎng)內(nèi)用戶獲得與網(wǎng)絡(luò)RTK方法等價(jià)的快速精密單點(diǎn)定位服務(wù)。當(dāng)用戶跨越連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(CORS)網(wǎng)內(nèi)由不同參考站組成的子網(wǎng)(參考子網(wǎng))甚至跨越不同CORS網(wǎng)時(shí),都能有效避免因所選取的主參考站變化而引起的模糊度重新初始化,從而保持觀測時(shí)段內(nèi)用戶定位結(jié)果的連續(xù)可靠和跨CORS網(wǎng)服務(wù)時(shí)算法上的無縫銜接。通過對海上實(shí)測動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分析,驗(yàn)證該方法的定位精度、初始化時(shí)間與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)RTK方法在量級上的一致性,以及跨不同參考子網(wǎng)和CORS網(wǎng)時(shí)實(shí)現(xiàn)無縫銜接的有效性。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng);非差改正數(shù);網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位;無縫銜接

1 引 言

網(wǎng)絡(luò)RTK又稱多參考站RTK,是近年來在常規(guī)RTK、Internet、無線通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位新技術(shù)[1]。國內(nèi)外已有很多學(xué)者對網(wǎng)絡(luò)RTK定位方法進(jìn)行了大量的研究,并取得了一系列研究成果。目前的各種方法主要是基于CORS網(wǎng)提出,按照對網(wǎng)絡(luò)RTK方法研究的逐步深入,大致可以分為三個(gè)階段?；诓罘钟^測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法自20世紀(jì)90年代中期提出以來,經(jīng)過十多年的發(fā)展,目前應(yīng)用得最為廣泛。該方法基于各類誤差在測站間存在的較強(qiáng)線性相關(guān)性,利用雙差觀測值殘差對指定衛(wèi)星進(jìn)行建模,用戶在模型改正后采用相對定位模式與參考站數(shù)據(jù)聯(lián)合解算。HiRIM方法由 Christian Rocken于2000年提出,該方法雖然實(shí)現(xiàn)了對每顆衛(wèi)星的非差改正數(shù)分別建模,但用戶仍需采用相對定位模式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[2]。文獻(xiàn)[3]的基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法不但對每顆衛(wèi)星的非差改正數(shù)分別進(jìn)行建模,而且能夠?yàn)榫W(wǎng)內(nèi)用戶提供與以上相對定位模式網(wǎng)絡(luò)RTK方法等價(jià)并且精度一致的快速精密單點(diǎn)定位服務(wù)[3]。

2 基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò) RTK方法

基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法簡單介紹如下:首先利用現(xiàn)有的相對定位數(shù)據(jù)處理策略解算得到參考站間雙差模糊度及對應(yīng)的載波相位雙差觀測值殘差。由雙差模糊度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)非差模糊度的轉(zhuǎn)換矩陣是秩虧的,此時(shí)通過適當(dāng)指定某些具有整數(shù)特性的非差模糊度,可將雙差觀測值殘差轉(zhuǎn)化為各參考站與可視衛(wèi)星間非差觀測值殘差的形式,所指定的非差模糊度為任意整數(shù),不會(huì)影響模型構(gòu)建結(jié)果的有效性。與傳統(tǒng)單層模型和Klobuchar模型等對整個(gè)地球表面進(jìn)行建模相比,該方法是利用參考站實(shí)測數(shù)據(jù)對每顆可視衛(wèi)星在地面處分別建模,模型在構(gòu)建時(shí)類似于一個(gè)以衛(wèi)星為頂點(diǎn)、各參考站子網(wǎng)為底面的倒棱錐形,只是對衛(wèi)星方向的一小塊區(qū)域進(jìn)行建模,這一建模思想可以有效模型化局部范圍內(nèi)的電離層和對流層擾動(dòng)。由于對每顆衛(wèi)星方向的電離層、對流層以及與衛(wèi)星相關(guān)的硬件延遲、鐘差、軌道誤差都被精確構(gòu)建到誤差改正模型中,且模型在構(gòu)建時(shí)保留了模糊度的整數(shù)特性,因此網(wǎng)內(nèi)用戶可在接收到周邊參考站發(fā)播的誤差改正信息后,根據(jù)其測站近似坐標(biāo)計(jì)算得到每顆衛(wèi)星的誤差量并對其觀測值進(jìn)行改正。用戶接收機(jī)包含的硬件延遲無法通過模型改正的方式消除,但由于同一時(shí)刻不同衛(wèi)星的觀測值所受接收機(jī)硬件延遲是一致的,通過星間單差可消除該部分誤差的影響,此時(shí),模型改正后的用戶站觀測數(shù)據(jù)便可基于非差數(shù)據(jù)處理模式,采用星間單差模糊度固定的方法快速計(jì)算得到測站處的精密定位結(jié)果[1-2]。基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法模型構(gòu)建示意圖如圖1所示。

圖1 基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法模型構(gòu)建示意圖Fig.1 Method of network RTK based on undifferenced observation corrections

3 CORS跨網(wǎng)服務(wù)的無縫銜接

CORS跨網(wǎng)服務(wù)的無縫銜接包括所采用的數(shù)據(jù)處理算法、參考站坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一、網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信,以及CORS網(wǎng)間數(shù)據(jù)共享等問題,在此筆者僅從數(shù)據(jù)處理算法上對CORS跨網(wǎng)服務(wù)的無縫銜接問題進(jìn)行論證分析。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK方法需選擇一顆高度角較高的衛(wèi)星作為參考衛(wèi)星,并利用與參考衛(wèi)星相關(guān)各衛(wèi)星對的雙差觀測值殘差進(jìn)行建模。用戶在按照傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK方法進(jìn)行精密定位應(yīng)用時(shí)需同步觀測指定參考衛(wèi)星,因此存在參考衛(wèi)星的選取以及換星時(shí)誤差改正信息的轉(zhuǎn)換等問題。此外,由于用戶需采用相對定位模式與鄰近參考站或虛擬的參考站進(jìn)行聯(lián)測,當(dāng)用戶跨越由不同參考站組成的子網(wǎng)(參考子網(wǎng))甚至跨越不同CORS網(wǎng)時(shí),將不可避免地存在模糊度重新初始化的問題。

基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法可以有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK方法存在的以上技術(shù)缺陷。由于基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法是對每顆可視衛(wèi)星分別建模,且采用非差模式固定星間單差模糊度,因此用戶在進(jìn)行定位時(shí)無需指定參考衛(wèi)星和主參考站。當(dāng)用戶跨越不同CORS子網(wǎng)時(shí),該方法能有效避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK方法因所選取的主參考站變化而引起的模糊度重新初始化,從而保持觀測時(shí)段內(nèi)用戶定位結(jié)果的連續(xù)可靠和跨CORS網(wǎng)服務(wù)時(shí)算法上的無縫銜接。

4 算例分析

筆者在武漢大學(xué) GNSS工程技術(shù)研究中心自主研制的導(dǎo)航數(shù)據(jù)綜合處理軟件(position and navigation data analyst,PANDA)的基礎(chǔ)上[4],實(shí)現(xiàn)了基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法。以下通過對一組海上實(shí)測動(dòng)態(tài)算例處理結(jié)果的分析,驗(yàn)證該方法在初始化時(shí)間、定位精度與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)RTK方法在量級上的一致性,以及CORS跨網(wǎng)服務(wù)時(shí)實(shí)現(xiàn)算法上無縫銜接的有效性。

4.1 固定基線長度相對檢測方法

由于在本文算例CORS系統(tǒng)覆蓋的海域上,難以找到靜止不動(dòng)的靜態(tài)檢測點(diǎn)或距離較近的參考站進(jìn)行短基線相對定位,只能比較流動(dòng)站間的相對位置關(guān)系,因此采用固定基線長度相對檢測方法評判流動(dòng)站用戶的定位精度。

固定基線長度相對檢測方法是在一個(gè)運(yùn)動(dòng)載體上架設(shè)兩臺或兩臺以上用戶接收機(jī)來檢測用戶的定位精度,定位結(jié)果可被轉(zhuǎn)換為用戶接收機(jī)間的相對位置關(guān)系,通過將解算得到的相對關(guān)系與實(shí)際存在的相對關(guān)系進(jìn)行比較,可以在一定程度上反映用戶接收機(jī)的定位精度。在進(jìn)行固定基線長度相對檢測時(shí),兩臺接收機(jī)之間的相距位置一般都在幾米到幾十米,測量環(huán)境一致,而且所用的兩臺接收機(jī)為同一型號,儀器測量精度也一致。因此,可以認(rèn)為每臺接收機(jī)絕對定位精度一致,由用戶定位精度表示的基線長度的中誤差[3]為式中,σs為基線長度的中誤差;σ為用戶定位的點(diǎn)位中誤差。

4.2 算例說明

筆者選取了2010-08-31某CORS網(wǎng)從上午11:15開始共2 h 15 min、數(shù)據(jù)采樣率為1 s的一組海上實(shí)測動(dòng)態(tài)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試分析。該組數(shù)據(jù)由4個(gè)CORS參考站和2個(gè)用戶流動(dòng)站組成,4個(gè)參考站的平均站間距離為185 km,組成了相鄰的2個(gè)三角子網(wǎng)。海上動(dòng)態(tài)用戶精度測試時(shí),船尾左右分別架設(shè)1臺拓普康 GNSS雙頻接收機(jī),2臺接收機(jī)之間的基線長度為9.546 m。船只行進(jìn)過程中雖然受到海水、風(fēng)等的壓力可能產(chǎn)生變形,但是形變量最大僅為毫米級,因此認(rèn)為在船只行進(jìn)過程中流動(dòng)站間基線長度保持不變。測試時(shí),船只從參考站1附近出發(fā),沿著參考站1—2基線方向航行,跨越了2組CORS三角子網(wǎng),當(dāng)船只在△134內(nèi)時(shí)僅采用由參考站1、3、4獲得的誤差改正信息,當(dāng)船只在△123內(nèi)時(shí)僅采用由參考站1、2、3獲得的誤差改正信息,所采用的兩組誤差改正信息在參考站1、3的連線處進(jìn)行切換,船只航行總距離約為62 km。按照基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法同時(shí)對船尾2點(diǎn)進(jìn)行星間單差寬巷(LW)模糊度固定快速精密單點(diǎn)定位,通過同步的2點(diǎn)位置解算結(jié)果反算站間距離,與真值比較從而得到實(shí)際觀測的基線長度差值,然后根據(jù)式(1)得到 GNSS動(dòng)態(tài)用戶定位結(jié)果的中誤差。海上動(dòng)態(tài)測試設(shè)備艙面布設(shè)、CORS網(wǎng)位置分布以及流動(dòng)站軌跡如圖2所示。

本算例采用事后處理模式仿真實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位過程,以便對未來建立基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)時(shí)用戶實(shí)時(shí)定位精度,以及區(qū)域網(wǎng)絡(luò) RTK用戶在跨越由不同參考站組成的子網(wǎng)時(shí)在算法上無縫銜接的可行性進(jìn)行有效的模擬分析。對全部GNSS觀測數(shù)據(jù)均按照 TurboEdit算法進(jìn)行預(yù)處理[5],并結(jié)合殘差分析的方法探測、標(biāo)注可能的周跳和粗差觀測值。參考網(wǎng)采用后處理的方式計(jì)算得到全部雙差模糊度信息,按照基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法進(jìn)行實(shí)時(shí)模型構(gòu)建。

圖2 海上動(dòng)態(tài)測試設(shè)備艙面布置、CORS網(wǎng)位置分布、流動(dòng)站運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖Fig.2 Equipments layout of dynamic testing,distribution ofCORS network,and thetrajectory of rover

4.3 用戶定位結(jié)果分析

圖3表示在船只行進(jìn)過程中,采用基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法,由兩臺 GNSS接收機(jī)逐歷元定位結(jié)果反算所得基線長度與實(shí)際基線長度的差值序列。從圖中可以看到,經(jīng)過約9 min的初始化后,船尾兩臺接收機(jī)的寬巷模糊度均得到有效固定(其中船尾左側(cè)接收機(jī)耗時(shí)245 s,船尾右側(cè)接收機(jī)耗時(shí)475 s),此時(shí)利用2個(gè)流動(dòng)站同步觀測所得定位結(jié)果可以計(jì)算得到厘米級精度的基線長。如圖3所示,在總共2 h 15 min的觀測時(shí)段中,除了最初的模糊度初始化過程,船尾左側(cè)和右側(cè)接收機(jī)還分別出現(xiàn)了一次為期218 s和192 s的模糊度未固定觀測時(shí)段,這可能是由于本文采用的模糊度固定算法尚不完善所致。結(jié)合表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,所得基線長度的差值絕大部分優(yōu)于5 cm,RMS僅為4.13 cm。由基線長度中誤差與用戶定位結(jié)果中誤差的轉(zhuǎn)換公式(1)可以得到,一旦模糊度有效固定后,用戶動(dòng)態(tài)定位結(jié)果中誤差為±5.06 cm。由于以上數(shù)據(jù)處理過程中是對星間單差觀測值的寬巷模糊度進(jìn)行固定,如能以此為基礎(chǔ)進(jìn)一步固定L1模糊度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LC觀測值的星間單差模糊度固定,可以預(yù)期獲得用戶定位精度的進(jìn)一步提升。通過以上對用戶定位結(jié)果的測試分析,驗(yàn)證了如下結(jié)論:按照基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法,可以得到與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)RTK方法相一致的定位精度。

如圖2所示,對于本文選取的該組海上動(dòng)態(tài)觀測算例,船只在總共2 h 15 min的航行過程中跨越了2個(gè)CORS三角子網(wǎng)。在本次試驗(yàn)分析中,船只進(jìn)入新的CORS子網(wǎng)時(shí)將自動(dòng)切換所采用的模型改正信息,模型改正的切換點(diǎn)分別在圖2用圓點(diǎn)以及圖3用豎線條進(jìn)行了標(biāo)識,從圖3的基線長度差值計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),船尾左右兩側(cè)接收機(jī)的星間單差模糊度固定結(jié)果在進(jìn)行誤差改正信息自動(dòng)切換前后保持一致,并未出現(xiàn)常規(guī)網(wǎng)絡(luò)RTK方法在跨越不同CORS子網(wǎng)時(shí)因所選取主參考站變化而引起的模糊度重新初始化問題。這一測試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了按照基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法實(shí)現(xiàn)CORS跨網(wǎng)服務(wù)時(shí)算法上無縫銜接的可行性。

此外,基于該方法在非差模式下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的特點(diǎn),使區(qū)域網(wǎng)絡(luò)RTK與廣域精密定位技術(shù)的統(tǒng)一成為可能。

圖3 動(dòng)態(tài)測站間定位結(jié)果與基線長精密測定值的差值(采樣間隔:1 s)Fig.3 Baseline measurement results of dynamic position(observation interval:1 s)

表1 基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò)RTK方法定位基線長度差值精度統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistic of the accuracy of baseline length

5 結(jié)束語

在統(tǒng)一CORS網(wǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn),且暫不考慮網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信和共享等問題的前提下,按照基于非差觀測的網(wǎng)絡(luò) RTK方法,可將全國現(xiàn)有區(qū)域性CORS網(wǎng)有效地連接成一個(gè)整體,用戶的定位精度僅與所處的參考子網(wǎng)站間的距離相關(guān),當(dāng)用戶跨越CORS網(wǎng)內(nèi)由不同參考站組成的子網(wǎng)甚至跨越不同CORS網(wǎng)時(shí),該方法能有效避免因所選取的主參考站變化而引起的模糊度重新初始化,從而可以在算法上形成一套統(tǒng)一且無縫銜接的CORS網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)。此外,基于該方法在非差模式下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò) RTK技術(shù)的特點(diǎn),使區(qū)域網(wǎng)絡(luò)RTK與廣域精密定位技術(shù)的統(tǒng)一成為可能。

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(責(zé)任編輯:楊洪泉)

Method of Network RTK Based on Undifferenced Observation Corrections and Its Functional Realization in Cross-CORS Service

ZOU Xuan1,TANG Weiming1,GE Maorong2,LIU Jingnan1
1.GNSS Research Center,Wuhan University,129 Luoyu Road,Wuhan 430079,China;2.Helmholz Centre Potsdam,German Research Centre for Geosciences(GFZ),Telegrafenberg,14473 Potsdam,Germany

Method of Network RTK based on undifferenced observation corrections allows clients to gain rapid and precise positioning service in undifferenced processing mode equivalent to Network RTK by providing error corrections of each satellite.Compared with current Network RTK,the new method could efficiently solve problems of ambiguity re-initialization caused by selected main reference stations change under circumstances of cross reference sub-networks within the same CORS network,or even cross different CORS networks,thus providing continuous and reliable positioning results for clients during observing session,as well as seamless link of Cross-CORS service.In addition,based on the characteristics of realizing Network RTK technology under the undifferenced processing mode,this new method makes the unification of regional Network RTK and wide-area undifferenced precise positioning technology possible.Through serial analysis of a practical example,this paper testifies the consistency in positioning accuracy,and initializing time of this new method and the current Network RTK,together with the efficiency of this method to provide seamless link of different reference sub-network and Cross-CORS service.

GNSS;undifferenced observation corrections;network RTK;seamless link

ZOU Xuan(1982—),male,PhD,assistant reasearch fellow,majors in regional network RTK and wide area PPP.

P228

:A

國家自然科學(xué)基金(41004014;41004003);高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B07037);湖北省自然科學(xué)基金(2010CDA069)

1001-1595(2011)S-0001-05

2011-01-31

修回日期:2011-03-21

鄒璇(1982—),男,博士,助理研究員,主要從事區(qū)域網(wǎng)絡(luò)RTK和廣域精密定位技術(shù)的研究。

E-mail:supermanzx1982@sina.com