張 勇,朱麗強(qiáng)，嚴(yán) 津

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)格網(wǎng)信息科技有限公司，江蘇 蘇州 215027;2.江蘇CORS蘇州分中心，江蘇 蘇州 215027)

VRS參考站點(diǎn)形變對(duì)流動(dòng)站定位坐標(biāo)的影響分析

張 勇1,2,朱麗強(qiáng)1,2，嚴(yán) 津1,2

(1.蘇州工業(yè)園區(qū)格網(wǎng)信息科技有限公司，江蘇 蘇州 215027;2.江蘇CORS蘇州分中心，江蘇 蘇州 215027)

在國(guó)內(nèi)外，很多地方的網(wǎng)絡(luò)RTK都采用虛擬參考站(VRS)技術(shù)，有些地方建立的CORS網(wǎng)較早，某些基準(zhǔn)站會(huì)發(fā)生一定的形變，針對(duì)VRS參考站點(diǎn)形變影響流動(dòng)站定位坐標(biāo)的問題，通過理論分析與嚴(yán)密的公式推導(dǎo)，并對(duì)VRS系統(tǒng)GPSNET中參考站坐標(biāo)形變進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，用戶流動(dòng)站坐標(biāo)是通過虛擬參考站轉(zhuǎn)接到物理主參考站，即流動(dòng)站的參考站實(shí)際上是物理主參考站，用戶流動(dòng)站坐標(biāo)變化量與物理主參考站坐標(biāo)變化量基本一致，并對(duì)參考站形變后坐標(biāo)調(diào)整提出方案。

VRS參考站；站點(diǎn)形變；流動(dòng)站坐標(biāo)；物理主參考站；流動(dòng)站物理坐標(biāo)參考系

隨著面向厘米級(jí)高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位服務(wù)的多功能連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)相繼建立，并成為重要的地理空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施[1-2]。虛擬參考站技術(shù)在現(xiàn)代測(cè)繪應(yīng)用中有著重要的作用。目前國(guó)內(nèi)有多個(gè)省市建成的網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)采用VRS技術(shù)，如蘇州市，浙江省，四川省，湖北省等省市。有些站點(diǎn)建站較早，站點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)生了一定的變形，需要對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。參考站坐標(biāo)的調(diào)整會(huì)影響到用戶流動(dòng)站的坐標(biāo)，這會(huì)對(duì)測(cè)繪生產(chǎn)應(yīng)用帶來一定影響。

本文針對(duì)參考站坐標(biāo)調(diào)整對(duì)流動(dòng)站坐標(biāo)的影響，從VRS理論進(jìn)行詳細(xì)分析，再通過嚴(yán)密的公式推導(dǎo)，最后對(duì)實(shí)際VRS系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試來驗(yàn)證理論分析與公式推導(dǎo)的正確性，得到用戶流動(dòng)站坐標(biāo)變化量與物理主參考站坐標(biāo)變化量保持一致。

1 VRS 系統(tǒng)介紹及原理

VRS是Trimble公司提出的基于多參考站網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的GPS 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，通常把VRS技術(shù)歸為網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)的一種。VRS 系統(tǒng)包括: 連續(xù)運(yùn)行參考站、移動(dòng)站用戶接收機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理與控制中心4部分。

如圖1所示，虛擬參考站技術(shù)就是利用地面布設(shè)的多個(gè)參考站組成GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)(CORS)，綜合利用各個(gè)參考站的觀測(cè)信息，通過建立精確的誤差模型(如電離層、對(duì)流層、衛(wèi)星軌道等誤差模型)，在流動(dòng)站附近產(chǎn)生一個(gè)物理上并不存在的虛擬參考站(VRS)。由于VRS位置通過流動(dòng)站接收機(jī)的單點(diǎn)定位解來確定，故VRS與流動(dòng)站構(gòu)成的基線通常只有幾米到十幾米，在流動(dòng)站與虛擬參考站之間進(jìn)行載波相位差分改正，可實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定位。VRS技術(shù)的主要特點(diǎn)[3]如下：

1)流動(dòng)站需要將本站概略位置傳遞給主控中心。

2)主控中心實(shí)時(shí)生成并發(fā)送虛擬觀測(cè)值或差分改正數(shù)。

3)流動(dòng)站僅要求一般的支持RTCM18/19，20/21的RTK接收機(jī)，流動(dòng)接收機(jī)的基線解算與常規(guī)RTK無異，不需要另外的軟件支持，兼容性強(qiáng)。唯一不同的是，流動(dòng)站需要向主控中心傳遞本站的概略坐標(biāo)，即虛擬參考站的坐標(biāo)。

4)主控中心和流動(dòng)站間需要雙向數(shù)據(jù)傳輸，用戶數(shù)量不能無限制增加，而要取決于網(wǎng)絡(luò)帶寬和主控中心服務(wù)器的硬件條件等。總的來說，VRS相對(duì)于其它模式而言具有很多優(yōu)勢(shì)，所以發(fā)展很快。

圖1 虛擬參考站技術(shù)位置關(guān)系圖

2 VRS差分改正數(shù)生成與流動(dòng)站定位

虛擬參考站(VRS)技術(shù)利用地面布設(shè)的多個(gè)參考站組成CORS網(wǎng)絡(luò)，通過融合各參考站的觀測(cè)信息，建立精確的空間相關(guān)誤差修正模型，在流動(dòng)站附近產(chǎn)生一個(gè)物理上不存在的虛擬參考站[4-7]。在參考站之間的整周模糊度固定完成后，就可以結(jié)合載波相位觀測(cè)值和整周模糊度來計(jì)算參考站間的綜合殘差。雙差觀測(cè)方程為

λ(Δ▽?duì)?Δ▽N)-Δ▽?duì)?

Δ▽O+Δ▽I+Δ▽T+Δ▽M+Δ▽?duì)?

(1)

式中：Δ▽?duì)褳檎鎸?shí)雙差衛(wèi)地距，λ(Δ▽?duì)?Δ▽N)為載波相位觀測(cè)值的等效距離，方程式右端為綜合殘差。

令μ=Δ▽O+Δ▽I+Δ▽T+Δ▽M+Δ▽?duì)牛瑒t式(1)轉(zhuǎn)換為

μ=λ(Δ▽?duì)?Δ▽N)-Δ▽?duì)?

(2)

μ中包含有電離層延遲殘差Δ▽I、對(duì)流層延遲殘差Δ▽T、軌道誤差殘差Δ▽O、隨機(jī)噪聲Δ▽?duì)?、多路徑殘差Δ▽M，其中Δ▽M和Δ▽?duì)排c站間距無關(guān)，可以通過精心選址和選擇優(yōu)良的接收機(jī)來消除[3]，且可以通過恒星日濾波來消除多路徑影響[8]。則綜合殘差簡(jiǎn)化為

μ=Δ▽O+Δ▽I+Δ▽T.

(3)

當(dāng)流動(dòng)站與主參考站間的距離短時(shí)，可以忽略μ，直接使用常規(guī)RTK進(jìn)行計(jì)算，但是在中長(zhǎng)基線中，這三項(xiàng)對(duì)精度有著主導(dǎo)性的作用，不能被忽略。在網(wǎng)絡(luò)RTK中，由于參考站間距一般在40～60 km，所以當(dāng)流動(dòng)站離主參考站較遠(yuǎn)時(shí)就要進(jìn)行內(nèi)插改正。

設(shè)選取了n條參考基線(具有同一公共點(diǎn)A)，可以得到參考站間的雙差綜合誤差為

(4)

計(jì)算出參考站間的雙差延遲后，便可根據(jù)合適的模型來內(nèi)插VRS站的改正數(shù)。由于參考站一般采用的是雙頻接收機(jī)，那么可以根據(jù)色散效應(yīng)，在綜合殘差中提取出其中的電離層延遲殘差和對(duì)流層延遲殘差。

流動(dòng)端接收到通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的虛擬參考站數(shù)據(jù)后按照RTK定位模型進(jìn)行解算。虛擬站與流動(dòng)站之間建立的雙差方程為

(5)

恢復(fù)成虛擬站單差數(shù)據(jù)，并代入式(5)得

(6)

由于V和U距離非常近，它們之間的雙差觀測(cè)值基本可以消除對(duì)流層延遲和電離層延遲，則得到下式：

(7)

將式(6)代入式(7)得

(8)

式中，Δ▽NAV+Δ▽NVU可以合并為Δ▽NAU一起解算。從式(8)得之，只要固定了模糊度Δ▽NAU，便可解算出流動(dòng)站的位置信息。

同樣，如果式(8)中的觀測(cè)值換成偽距，則無需解算模糊度，這就是RTD定位的一種模式，如式(9)所示。

(9)

通過式(8)及式(9)便可計(jì)算流動(dòng)站的坐標(biāo)。

3 流動(dòng)站物理坐標(biāo)參考系推導(dǎo)

由式(8)、式(9)便可計(jì)算得到流動(dòng)端的坐標(biāo)，對(duì)式(8)中雙差觀測(cè)值與單差觀測(cè)值進(jìn)行分解重新組合得

λ(Δ▽NAV+Δ▽NVU)=▽?duì)裊-▽?duì)裋.

(10)

對(duì)式(10)中的雙差衛(wèi)地距與雙差模糊度進(jìn)行分解得

λ(▽NV-▽NA+▽NU-▽NV)=▽?duì)裊-▽?duì)裋.

(11)

對(duì)式(11)中的單差模糊度、單差衛(wèi)地距進(jìn)行重新組合得

(12)

由式(12)得，流動(dòng)站表面上與虛擬站差分進(jìn)行差分定位，其實(shí)流動(dòng)站解算依然是與主參考站進(jìn)行差分相對(duì)定位，虛擬參考站只是起到了中間傳遞數(shù)據(jù)的作用，為了保持以前RTK模式與現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)RTK模式一致[9-10]。

4 試驗(yàn)分析

假設(shè)有一個(gè)采用VRS技術(shù)的CORS系統(tǒng)，建站較早，經(jīng)過幾年的運(yùn)行，站點(diǎn)發(fā)生了形變，又沒有及時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)修正。這樣在沒有及時(shí)修正之前，實(shí)際站點(diǎn)位置和預(yù)設(shè)坐標(biāo)不一致，這樣就會(huì)對(duì)流動(dòng)站的定位得到的坐標(biāo)產(chǎn)生影響。

模擬假設(shè)一個(gè)采用VRS技術(shù)的GPSNET系統(tǒng)，系統(tǒng)選取p001、p002、p003、p004這4個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)成的網(wǎng)型如圖2所示，站點(diǎn)間距見表1。各站點(diǎn)間距離采用GAMIT軟件進(jìn)行解算，坐標(biāo)平差采用自主研發(fā)的Geone SAHAWin平差軟件，各點(diǎn)位相對(duì)中誤差均小于2 mm。

圖2 VRS系統(tǒng)網(wǎng)型

表1 參考站間距

現(xiàn)利用賬戶admin在p001站附近登入VRS系統(tǒng)進(jìn)行定位，選取在p001站附近是為了使物理參考站選擇為p001站，這樣便于調(diào)整p001站的坐標(biāo)來做測(cè)試。登入后GPSNET軟件顯示的流動(dòng)站位置，如圖3所示。流動(dòng)站NMEA坐標(biāo)，如表2所示。

圖3 admin用戶登入后位置顯示

表2 admin賬戶登入的NMEA坐標(biāo)信息

根據(jù)VRS技術(shù)原理，admin用戶的虛擬參考站即為它的NMEA坐標(biāo)處?？梢詮腉PSNET軟件中看到Ref-Station一欄顯示“113 p001, distance 5 725.469 7 m”，從而確定物理主參考站是p001站。

現(xiàn)設(shè)計(jì)4種方案測(cè)試，每種測(cè)試方案調(diào)整p001站的坐標(biāo)，如表3所示。

表3 各方案p001站坐標(biāo)調(diào)整量 cm

根據(jù)以上4種方案對(duì)兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量時(shí)測(cè)量次數(shù)不少于3次，取其平均坐標(biāo)。測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 各種方案測(cè)試結(jié)果對(duì)比 m

由表4可以看出，考慮到RTK的定位精度在2～3 cm級(jí)，各方案中2個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的變化值基本上與物理主參考站的坐標(biāo)調(diào)整量一致，虛擬參考站只是取到了中轉(zhuǎn)的作用。

5 結(jié)論與建議

本文通過理論分析與公式推導(dǎo)，對(duì)采用VRS技術(shù)的GPSNET軟件進(jìn)行測(cè)試，分析了參考站點(diǎn)發(fā)生形變后對(duì)流動(dòng)站定位坐標(biāo)的影響，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論與建議：

1)當(dāng)參考站點(diǎn)發(fā)生形變后，以此參考站為物理主參考站的流動(dòng)站的定位坐標(biāo)變化量與參考站坐標(biāo)形變量一致。

2)虛擬參考站只是起到了中間傳遞數(shù)據(jù)的作用，為了保持以前RTK模式與現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)RTK模式一致，流動(dòng)站物理坐標(biāo)參考系與參考站一致。

3)當(dāng)參考站點(diǎn)發(fā)生形變后會(huì)直接對(duì)流動(dòng)站定位坐標(biāo)發(fā)生變化，從而得到不準(zhǔn)確的測(cè)繪結(jié)果，故在參考站點(diǎn)日常的維護(hù)中要定期對(duì)站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，及時(shí)更新發(fā)生形變后的參考站坐標(biāo)來保證測(cè)繪結(jié)果的正確性。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

The influence of VRS reference station deformation on the roving station position

ZHANG Yong1，2，ZHU Li-qiang1，2，YAN Jin1，2

(1.Suzhou Industrial Park Geone Information Technology Co.,Ltd.,Suzhou 215027，China；2. Suzhou Branch of Jiangsu Province CORS, Suzhou 215027，China)

Many network RTKs are using virtual reference station (VRS) technology. For VRS reference site deformation problems affecting rover positioning coordinates, the theoretical analysis and strict formula are deduced, then the VRS system coordinates adjustment test.Results show that the user rover coordinates are converted from the virtual reference station to physical main reference station, which changes consistently with the physical main reference station coordinates variation. Suggestions are given for reference station coordinates adjustment.

VRS reference station; station deformation; rover coordinates; physical main reference station; rover physical coordinate reference frame

2014-01-14;補(bǔ)充更新日期：2014-10-10

張 勇(1988-)，男，碩士.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0039-04