VRS參考站點形變對流動站定位坐標的影響分析

張 勇,朱麗強，嚴 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參考站點形變對流動站定位坐標的影響分析

張 勇1,2,朱麗強1,2，嚴 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)

在國內(nèi)外，很多地方的網(wǎng)絡RTK都采用虛擬參考站(VRS)技術，有些地方建立的CORS網(wǎng)較早，某些基準站會發(fā)生一定的形變，針對VRS參考站點形變影響流動站定位坐標的問題，通過理論分析與嚴密的公式推導，并對VRS系統(tǒng)GPSNET中參考站坐標形變進行仿真試驗。結(jié)果表明，用戶流動站坐標是通過虛擬參考站轉(zhuǎn)接到物理主參考站，即流動站的參考站實際上是物理主參考站，用戶流動站坐標變化量與物理主參考站坐標變化量基本一致，并對參考站形變后坐標調(diào)整提出方案。

VRS參考站；站點形變；流動站坐標；物理主參考站；流動站物理坐標參考系

隨著面向厘米級高精度實時動態(tài)定位服務的多功能連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)相繼建立，并成為重要的地理空間數(shù)據(jù)基礎設施[1-2]。虛擬參考站技術在現(xiàn)代測繪應用中有著重要的作用。目前國內(nèi)有多個省市建成的網(wǎng)絡RTK系統(tǒng)采用VRS技術，如蘇州市，浙江省，四川省，湖北省等省市。有些站點建站較早，站點坐標發(fā)生了一定的變形，需要對其坐標進行調(diào)整。參考站坐標的調(diào)整會影響到用戶流動站的坐標，這會對測繪生產(chǎn)應用帶來一定影響。

本文針對參考站坐標調(diào)整對流動站坐標的影響，從VRS理論進行詳細分析，再通過嚴密的公式推導，最后對實際VRS系統(tǒng)進行測試來驗證理論分析與公式推導的正確性，得到用戶流動站坐標變化量與物理主參考站坐標變化量保持一致。

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)絡環(huán)境下的GPS 實時動態(tài)定位技術，通常把VRS技術歸為網(wǎng)絡RTK 技術的一種。VRS 系統(tǒng)包括: 連續(xù)運行參考站、移動站用戶接收機、通訊網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理與控制中心4部分。

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

1)流動站需要將本站概略位置傳遞給主控中心。

2)主控中心實時生成并發(fā)送虛擬觀測值或差分改正數(shù)。

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

4)主控中心和流動站間需要雙向數(shù)據(jù)傳輸，用戶數(shù)量不能無限制增加，而要取決于網(wǎng)絡帶寬和主控中心服務器的硬件條件等?？偟膩碚f，VRS相對于其它模式而言具有很多優(yōu)勢，所以發(fā)展很快。

圖1 虛擬參考站技術位置關系圖

2 VRS差分改正數(shù)生成與流動站定位

虛擬參考站(VRS)技術利用地面布設的多個參考站組成CORS網(wǎng)絡，通過融合各參考站的觀測信息，建立精確的空間相關誤差修正模型，在流動站附近產(chǎn)生一個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)合載波相位觀測值和整周模糊度來計算參考站間的綜合殘差。雙差觀測方程為

λ(Δ▽φ+Δ▽N)-Δ▽ρ=

Δ▽O+Δ▽I+Δ▽T+Δ▽M+Δ▽ε.

(1)

式中：Δ▽ρ為真實雙差衛(wèi)地距，λ(Δ▽φ+Δ▽N)為載波相位觀測值的等效距離，方程式右端為綜合殘差。

令μ=Δ▽O+Δ▽I+Δ▽T+Δ▽M+Δ▽ε，則式(1)轉(zhuǎn)換為

μ=λ(Δ▽φ+Δ▽N)-Δ▽ρ.

(2)

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

μ=Δ▽O+Δ▽I+Δ▽T.

(3)

當流動站與主參考站間的距離短時，可以忽略μ，直接使用常規(guī)RTK進行計算，但是在中長基線中，這三項對精度有著主導性的作用，不能被忽略。在網(wǎng)絡RTK中，由于參考站間距一般在40～60 km，所以當流動站離主參考站較遠時就要進行內(nèi)插改正。

設選取了n條參考基線(具有同一公共點A)，可以得到參考站間的雙差綜合誤差為

(4)

計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，那么可以根據(jù)色散效應，在綜合殘差中提取出其中的電離層延遲殘差和對流層延遲殘差。

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

(5)

恢復成虛擬站單差數(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值基本可以消除對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，便可解算出流動站的位置信息。

同樣，如果式(8)中的觀測值換成偽距，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)便可計算流動站的坐標。

3 流動站物理坐標參考系推導

由式(8)、式(9)便可計算得到流動端的坐標，對式(8)中雙差觀測值與單差觀測值進行分解重新組合得

λ(Δ▽NAV+Δ▽NVU)=▽ρU-▽ρV.

(10)

對式(10)中的雙差衛(wèi)地距與雙差模糊度進行分解得

λ(▽NV-▽NA+▽NU-▽NV)=▽ρU-▽ρV.

(11)

對式(11)中的單差模糊度、單差衛(wèi)地距進行重新組合得

(12)

由式(12)得，流動站表面上與虛擬站差分進行差分定位，其實流動站解算依然是與主參考站進行差分相對定位，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RTK模式一致[9-10]。

4 試驗分析

假設有一個采用VRS技術的CORS系統(tǒng)，建站較早，經(jīng)過幾年的運行，站點發(fā)生了形變，又沒有及時進行坐標修正。這樣在沒有及時修正之前，實際站點位置和預設坐標不一致，這樣就會對流動站的定位得到的坐標產(chǎn)生影響。

模擬假設一個采用VRS技術的GPSNET系統(tǒng)，系統(tǒng)選取p001、p002、p003、p004這4個站點數(shù)據(jù)，構(gòu)成的網(wǎng)型如圖2所示，站點間距見表1。各站點間距離采用GAMIT軟件進行解算，坐標平差采用自主研發(fā)的Geone SAHAWin平差軟件，各點位相對中誤差均小于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站的坐標來做測試。登入后GPSNET軟件顯示的流動站位置，如圖3所示。流動站NMEA坐標，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坐標信息

根據(jù)VRS技術原理，admin用戶的虛擬參考站即為它的NMEA坐標處?？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)設計4種方案測試，每種測試方案調(diào)整p001站的坐標，如表3所示。

表3 各方案p001站坐標調(diào)整量 cm

根據(jù)以上4種方案對兩個點進行測量，每次測量時測量次數(shù)不少于3次，取其平均坐標。測試結(jié)果如表4所示。

表4 各種方案測試結(jié)果對比 m

由表4可以看出，考慮到RTK的定位精度在2～3 cm級，各方案中2個點坐標的變化值基本上與物理主參考站的坐標調(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，對采用VRS技術的GPSNET軟件進行測試，分析了參考站點發(fā)生形變后對流動站定位坐標的影響，得到如下幾點結(jié)論與建議：

1)當參考站點發(fā)生形變后，以此參考站為物理主參考站的流動站的定位坐標變化量與參考站坐標形變量一致。

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RTK模式一致，流動站物理坐標參考系與參考站一致。

3)當參考站點發(fā)生形變后會直接對流動站定位坐標發(fā)生變化，從而得到不準確的測繪結(jié)果，故在參考站點日常的維護中要定期對站點坐標進行復測，及時更新發(fā)生形變后的參考站坐標來保證測繪結(jié)果的正確性。

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[責任編輯：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;補充更新日期：2014-10-10

張 勇(1988-)，男，碩士.

P228

：A

：1006-7949(2014)12-0039-04