基于VRS的虛擬觀測值生成與質(zhì)量評(píng)定＊

王 佩，楊 玲

（同濟(jì)大學(xué)測量與國土信息工程系，上海200092）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)差分定位技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種GPS地面定位增強(qiáng)技術(shù)［1］，該技術(shù)有效地克服了常規(guī)載波相位差分定位存在的缺陷，使用戶能夠便捷地在較大空間范圍內(nèi)獲得均勻、高精度和可靠的定位結(jié)果。在VRS的網(wǎng)絡(luò)差分系統(tǒng)中，移動(dòng)站用戶上傳一個(gè)概略坐標(biāo)，控制中心根據(jù)用戶位置自動(dòng)選擇一組最佳包圍用戶站的固定參考站，利用觀測數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電離層、對(duì)流層延遲進(jìn)行建模，在用戶站附近模擬出一個(gè)虛擬參考站并生成該虛擬參考站的差分改正信息，隨后控制中心通過網(wǎng)絡(luò)將虛擬參考站的差分改正信息播發(fā)給移動(dòng)站用戶。由此參考站與移動(dòng)站構(gòu)成了短基線解算，從而實(shí)現(xiàn)高精度快速差分定位［2－5］。

多參考站網(wǎng)絡(luò)差分定位可以概括為以下幾步:1）固定相對(duì)于主參考站的參考基線上的雙差模糊度；2）計(jì)算相對(duì)于主參考站的參考基線的軌道誤差、對(duì)流層延遲及電離層延遲；3）內(nèi)插用戶概略位置處（稱為虛擬參考站）的軌道誤差、對(duì)流層延遲及電離層延遲；4）構(gòu)建虛擬參考站觀測值并發(fā)送給用戶；5）進(jìn)行虛擬參考站相對(duì)于用戶站的常規(guī)RTK 定位［6］。

1 VRS虛擬偽距觀測值的生成

VRS網(wǎng)絡(luò)參考基線上采用雙頻GPS接收機(jī)，至少由三個(gè)參考站組成。三個(gè)參考站構(gòu)成一個(gè)三角形，虛擬參考站位于三角形內(nèi)。對(duì)每個(gè)參考站每顆衛(wèi)星，碼偽距觀測方程可表示為［6］

式中:Pim表示碼偽距觀測值；上標(biāo)i是衛(wèi)星標(biāo)識(shí)，下標(biāo)m為參考站標(biāo)識(shí)；ρim為參考站m與衛(wèi)星i間的距離，單位:m；cδtm為接收機(jī)鐘差；cδti為衛(wèi)星鐘差；Tim為對(duì)流層延遲；Iim為電離層延遲。

利用各參考站的觀測數(shù)據(jù)內(nèi)插計(jì)算空間相關(guān)誤差，根據(jù)參考站的星歷數(shù)據(jù)可算出虛擬參考站上的站星距，同時(shí)由解算單元內(nèi)各參考站的數(shù)據(jù)可推導(dǎo)出虛擬參考站處的天頂對(duì)流層延遲，并利用各參考站Ll、L2波段觀測值的無電離層組合求出測站鐘差項(xiàng)，反算出用戶站基線上的電離層延遲［7］。用虛擬參考站處的站星距、大氣誤差項(xiàng)（電離層，對(duì)流層）替換式（1）中的相應(yīng)項(xiàng)，可得到虛擬參考站處的原始偽距觀測值為

式中，衛(wèi)星鐘差改正數(shù)可由星歷數(shù)據(jù)獲得，對(duì)流層延遲項(xiàng)可由解算單元內(nèi)各參考站的數(shù)據(jù)推導(dǎo)出，電離層延遲項(xiàng)可根據(jù)參考站的電離層天頂延遲量和衛(wèi)星高度角求得。由于在動(dòng)態(tài)差分定位解算過程中，接收機(jī)鐘差是作為一項(xiàng)未知數(shù)來處理的，所以這里將其偏置為零。這時(shí)ˉPim，v為已知值，則虛擬參考站處的歷元偽距觀測值如下［8］

2 VRS虛擬相位觀測值的生成

虛擬站處的相位觀測方程可表示如下

式中:λφim為非差觀測值；Nim為載波相位觀測值模糊度，單位是周；εLim為載波相位觀測值測量誤差，其余同上。

實(shí)際應(yīng)用中，VRS網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)估計(jì)僅可獲取基線上的雙差模糊度與雙差距離相關(guān)誤差，無法獲得精確的非差距離相關(guān)誤差，因此，實(shí)際構(gòu)造虛擬觀測值時(shí)需要建立非差觀測值與雙差觀測值之間的等價(jià)關(guān)系。VRS網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，A為主參考站，根據(jù)用戶發(fā)送的概略坐標(biāo)生成的虛擬參考站在V處。由雙差觀測方程為

圖1 基準(zhǔn)站網(wǎng)形圖

可得基線AB與AC的空間綜合誤差改正項(xiàng)［4］

式中:Δ▽?duì)諡榛€雙差觀測值；Δ▽N為雙差模糊度；Δ▽?duì)褳殡p差距離值；U為空間綜合相關(guān)誤差。

利用衛(wèi)星坐標(biāo)和參考站坐標(biāo)可得Δ▽?duì)眩俑鶕?jù)VRS網(wǎng)絡(luò)解算出Δ▽N，從而確定UijAB和UijAC的值，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)插模型內(nèi)插出AV基線上的空間誤差改正項(xiàng)UijAV，利用該改正項(xiàng)改正測站A處的觀測值，并生成虛擬觀測值，再將該虛擬觀測值發(fā)送給流動(dòng)站用戶，從而使得流動(dòng)站用戶可以應(yīng)用已有的GPS單點(diǎn)定位算法進(jìn)行定位。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3．1 虛擬偽距觀測值質(zhì)量評(píng)定

本實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)基于“上海市GPS基準(zhǔn)站觀測網(wǎng)絡(luò)”，選取CMMZ，SHQP，SHJD，SHBS四個(gè)站，間距如表1所示，基線長度單位為km．?dāng)?shù)據(jù)采集時(shí)間為2010年4月1日上午8點(diǎn)，采樣間隔10s，選取2400個(gè)歷元。

表1 基準(zhǔn)站間距

為了評(píng)定虛擬偽距觀測值的質(zhì)量，利用單站A對(duì)U站的偽距觀測值進(jìn)行模擬并與U站處實(shí)際觀測值比較，兩者差值如圖2所示；其次利用A、B、C三站數(shù)據(jù)綜合模擬U站的偽距觀測值，該虛擬值與真值比較結(jié)果如圖3所示。

比較圖2和圖3可以看出，僅利用單站虛擬出的碼相位與實(shí)測值差異較大，峰值可達(dá)3m，并不能滿足高精度定位的要求；相較而言三個(gè)參考站綜合模擬出的U站偽距觀測值與其實(shí)際觀測值差異較小，絕大多數(shù)在±1．5m以內(nèi)，效果較為理想。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用三角網(wǎng)各站數(shù)據(jù)綜合模擬出的網(wǎng)內(nèi)某一點(diǎn)處的觀測值質(zhì)量明顯高于僅根據(jù)單站數(shù)據(jù)模擬的質(zhì)量，說明了多參考站模擬算法可有效提高模擬精度。

3．2 虛擬相位觀測值質(zhì)量評(píng)定

虛擬相位觀測值的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)同上，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)增至24h，選擇測站A作為主參考站，首先解算基線AB、AC上的雙差模糊度，計(jì)算兩條基線的空間相關(guān)誤差，并依據(jù)測站U的概略坐標(biāo)（精確到100m）線性內(nèi)插其虛擬參考站與主參考站A組成的基線上的空間相關(guān)誤差，構(gòu)建出虛擬觀測值，并進(jìn)行常規(guī)定位。由于測站U的精確坐標(biāo)已知，所以估計(jì)值與其真值的差異即可表明虛擬參考站的實(shí)際定位精度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 定位誤差

圖4 顯示，24小時(shí)的數(shù)據(jù)，定位誤差最大值小于8cm，且x，y方向定位精度明顯優(yōu)于z方向。

精確求得虛擬參考站處的對(duì)流層和電離層延遲后，即可求出虛擬參考站的載波相位觀測值，虛擬觀測值最終用于移動(dòng)站用戶定位解算，其實(shí)質(zhì)是解算該基線上的雙差整周模糊度［9］。通過計(jì)算基線模糊度來評(píng)定虛擬載波相位觀測值的質(zhì)量，如表2所示。

表2 虛擬載波相位觀測值分別固定基站、移動(dòng)站模糊度解算對(duì)比

移動(dòng)站模糊度未能全部解出的主要原因?yàn)椴捎猛ㄓ玫哪：确椒o法獲得高質(zhì)量的模糊度解算，一般移動(dòng)站動(dòng)態(tài)解算都要求采用專門的模糊度解算方法。以上實(shí)驗(yàn)說明所獲取的虛擬相位觀測值能夠有效地實(shí)現(xiàn)模糊度解算，證明了關(guān)于虛擬觀測值建模方法的可行性。

4 結(jié) 論

研究了如何生成虛擬觀測值，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析證實(shí):如何生成高精度的虛擬參考站的原始觀測值是網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)的關(guān)鍵，利用上海GPS基準(zhǔn)站觀測網(wǎng)絡(luò)的觀測數(shù)據(jù)，建立了偽距和載波相位虛擬觀測值的生成模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:模型有效減少了碼相位觀測噪聲和多路徑效應(yīng)對(duì)定位精度的影響，從而提高了模糊度解算的可靠性，這表明虛擬觀測值較好地模擬了其真值，驗(yàn)證了所述虛擬觀測值生成算法的可靠性。

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