低緯度、短基線大落差、高原山區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用*

孔祥豐，施　昆(.廣州南方測(cè)繪儀器有限公司昆明分公司，云南昆明　650034; .昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明　650093)

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低緯度、短基線大落差、高原山區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用*

孔祥豐1，施昆2
(1.廣州南方測(cè)繪儀器有限公司昆明分公司，云南昆明650034; 2.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明650093)

摘要:介紹了低緯度、短基線大落差、高原山區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)難點(diǎn)及處理方法，同時(shí)結(jié)合玉溪市CORS網(wǎng)絡(luò)介紹了NRS軟件在云南省的應(yīng)用。針對(duì)云南省CORS網(wǎng)存在的問(wèn)題，NRS軟件采用了“單站對(duì)流層估計(jì)”和“全網(wǎng)電離層建?！钡募夹g(shù)，有效地克服了山區(qū)和低緯度地區(qū)CORS網(wǎng)面臨的難題，提高了整網(wǎng)的可靠性和流動(dòng)站的定位精度，特別是高程方向的精度。

關(guān)鍵詞:NRS網(wǎng)絡(luò)RTK;低緯度;短基線大落差;高原山區(qū); YXCORS

0　引言

網(wǎng)絡(luò)RTK相比傳統(tǒng)單基站RTK的優(yōu)勢(shì)主要是流動(dòng)站離基準(zhǔn)站的距離可以更長(zhǎng)。單基站RTK之所以作用距離有限，是因?yàn)槭芘c距離有關(guān)誤差的影響，例如軌道誤差、大氣延遲等。這些誤差隨著距離的增加而增大。通過(guò)對(duì)這些誤差項(xiàng)的建模，網(wǎng)絡(luò)RTK有效地減少了這些誤差的影響，從而提高了RTK的作業(yè)距離。

對(duì)大氣延遲、軌道誤差建模，需要至少兩個(gè)重要的步驟，即模糊度固定和改正數(shù)建模。模糊度固定指的是固定基準(zhǔn)站之間基線的雙差模糊度;改正數(shù)建模是指根據(jù)解算出的模糊度和基準(zhǔn)站坐標(biāo)求出對(duì)流層延遲、電離層延遲及軌道誤差，并通過(guò)擬合的方法求出流動(dòng)站附近的對(duì)流層誤差、電離層誤差及軌道誤差。

網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)難點(diǎn)也就是上面提到的兩個(gè)步驟。

云南省地處低緯度、高原地區(qū)，基準(zhǔn)站間高程落差大，電離層活躍，增加了模糊度固定和改正數(shù)建模的難度。本文介紹了為克服這些難題NRS軟件所采用的技術(shù)。

1　低緯度、短基線大落差、高原山區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)難點(diǎn)及處理方法

NRS軟件的基本核心理論，來(lái)源于虛擬參考站(VRS)技術(shù)，它具備VRS技術(shù)的所有特點(diǎn)，同時(shí)吸收了部分FKP、主輔站技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并融入了南方測(cè)繪在網(wǎng)絡(luò)CORS建設(shè)中多年的技術(shù)沉淀，如“單站對(duì)流層估計(jì)”和“全網(wǎng)電離層建?！奔夹g(shù);利用Deep－NRS技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)CORS的可用性、用戶端作業(yè)模式自動(dòng)選擇等。同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)用戶需求研發(fā)的轉(zhuǎn)換參數(shù)在線加密播發(fā)等特色應(yīng)用技術(shù)，NRS技術(shù)是在VRS基礎(chǔ)之上的一種改進(jìn)與增強(qiáng)。

高原山區(qū)CORS網(wǎng)基準(zhǔn)站間落差大對(duì)流動(dòng)站定位精度影響的本質(zhì)是對(duì)流層影響不一致引起的誤差。“單站對(duì)流層估計(jì)”技術(shù)主要是利用單站對(duì)流層估計(jì)消除這一誤差，提高對(duì)流層估計(jì)的可靠性和流動(dòng)站的定位精度。

低緯度山區(qū)電離層活躍，導(dǎo)致流動(dòng)站定位精度降低?！叭W(wǎng)電離層建?！奔夹g(shù)主要是使用一個(gè)二次或者更高次的曲面來(lái)建立電離層改正模型，這種曲面模型具有更高的改正數(shù)內(nèi)插精度，從而提高流動(dòng)站的定位精度，特別是高程方向的精度。

1.1山區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)難點(diǎn)及處理方法

山區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK基準(zhǔn)站之間的高程落差大，增加了對(duì)流層模型的估計(jì)難度，從而增加了基線模糊度固定的難度。NRS軟件中，基線模糊度的固定采用Kalman濾波實(shí)時(shí)估計(jì)基線兩端對(duì)流層天頂濕延遲差以及基線模糊度。對(duì)流層干延遲使用模型值消除，這個(gè)精度在平原地區(qū)可以達(dá)到毫米級(jí)。如果基線兩端高程落差大，那么干延遲模型值的精度會(huì)受到影響，同時(shí)也會(huì)影響濕延遲參數(shù)和模糊度參數(shù)的精度。10 cm的誤差就有可能造成模糊度無(wú)法正確固定。

為了克服這個(gè)難題，干延遲也同時(shí)需要參與估計(jì)。

常用的方法是將基線一端的天頂對(duì)流層延遲固定(即不參與估計(jì))，估計(jì)另一端的天頂對(duì)流層延遲，以避免兩端對(duì)流層延遲設(shè)計(jì)參數(shù)過(guò)于接近而導(dǎo)致的互相關(guān)。也就是說(shuō)如果同時(shí)估計(jì)兩端的天頂對(duì)流層延遲，那么得到的結(jié)果會(huì)有很強(qiáng)的互相關(guān)性，因?yàn)樗鼈兊南禂?shù)矩陣(也就是對(duì)流層映射函數(shù))過(guò)于接近。一般CORS基準(zhǔn)站之間的距離小于100 km，對(duì)于距離小于100 km的兩個(gè)站，觀測(cè)到的同一衛(wèi)星相對(duì)它們的高度角是很接近的。而為了估計(jì)天頂對(duì)流層延遲，需要根據(jù)衛(wèi)星的高度角計(jì)算該衛(wèi)星的對(duì)流層映射函數(shù)。如果同一顆衛(wèi)星對(duì)基線兩端的高度角很接近，那么基線兩端的對(duì)流層天頂延遲對(duì)于這顆衛(wèi)星的對(duì)流層映射函數(shù)就很接近，使得對(duì)流層天頂延遲的設(shè)計(jì)參數(shù)近似相等。這樣得到的對(duì)流層參數(shù)就會(huì)有很強(qiáng)的相關(guān)性。

固定一端對(duì)流層天頂延遲參數(shù)的方法會(huì)使得不同基線之間的對(duì)流層天頂延遲不統(tǒng)一。因?yàn)樵谡W(wǎng)中，每條基線都是單獨(dú)解算的，這樣就不能保證每條基線固定端對(duì)流層天頂延遲值的統(tǒng)一性。要保證這種統(tǒng)一性，需要知道整網(wǎng)中每個(gè)基準(zhǔn)站天頂對(duì)流層延遲的相對(duì)值，而這正是所要求的，所以是事先未知的。

為了得到基線兩端真實(shí)的對(duì)流層天頂延遲，需要同時(shí)估計(jì)這兩個(gè)參數(shù)。NRS軟件所采用的做法是估計(jì)基線一端的對(duì)流層天頂延遲(含干延遲)，同時(shí)估計(jì)另一端相對(duì)于該對(duì)流層天頂延遲的差。這樣就避免了設(shè)計(jì)參數(shù)過(guò)于接近導(dǎo)致的參數(shù)相關(guān)性，從而得到了基線兩端獨(dú)立的天頂對(duì)流層延遲。這就是所謂的“單站對(duì)流層估計(jì)”。如果基線兩端的基準(zhǔn)站對(duì)同一衛(wèi)星的高度角接近，那么對(duì)于天頂對(duì)流層參數(shù)而言，它的設(shè)計(jì)參數(shù)就是該衛(wèi)星的對(duì)流層映射函數(shù);對(duì)于相對(duì)天頂對(duì)流層參數(shù)，它的設(shè)計(jì)參數(shù)就是該衛(wèi)星對(duì)基線兩端基準(zhǔn)站的對(duì)流層映射函數(shù)的差值。這兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)差別是比較大的。因此可以得到相互獨(dú)立的基線一端的天頂對(duì)流層延遲，和基線另一端的相對(duì)天頂對(duì)流層延遲。在得到相對(duì)天頂對(duì)流層延遲后，加上得到的參考天頂對(duì)流層延遲(即基線另一端的天頂對(duì)流層延遲)，就可以得到對(duì)應(yīng)的天頂對(duì)流層延遲。這樣就得到了基線兩端獨(dú)立的天頂對(duì)流層延遲估計(jì)，從而提高了對(duì)流層干延遲模型的精度。

同時(shí)，為了驗(yàn)證這種估計(jì)方法的正確性，NRS軟件還使用了PPP技術(shù)。每個(gè)基準(zhǔn)站都使用PPP實(shí)時(shí)估計(jì)該站的天頂對(duì)流層延遲，在PPP估計(jì)的天頂對(duì)流層延遲精度穩(wěn)定后，即可校驗(yàn)由“單站對(duì)流層估計(jì)”方法得到的對(duì)流層估計(jì)的可靠性。

1.2低緯度地區(qū)網(wǎng)絡(luò)RTK的技術(shù)難點(diǎn)及處理方法

低緯度地區(qū)電離層較高緯度地區(qū)活躍，而且在空間分布上也更加不一致，即隨著距離的增加，電離層延遲誤差變得不相關(guān)，增加了電離層延遲建模的難度。所謂電離層延遲建模，就是通過(guò)基線反算出來(lái)的電離層改正數(shù)，計(jì)算一個(gè)CORS網(wǎng)覆蓋區(qū)域的電離層改正數(shù)模型，利用這個(gè)模型，可以計(jì)算出CORS網(wǎng)覆蓋區(qū)域任何一空間點(diǎn)的電離層改正。

一般的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)(例如虛擬基準(zhǔn)站)，是將3個(gè)CORS基準(zhǔn)站組成一個(gè)空間平面，通過(guò)這3個(gè)基準(zhǔn)站之間的基線反算的電離層改正，建立一個(gè)雙線性模型(平面模型)。對(duì)于電離層不活躍的地區(qū)或時(shí)段，這種模型建立方法是可行的，因?yàn)樵谶@3個(gè)基準(zhǔn)站覆蓋的區(qū)域內(nèi)，電離層的變化是平緩和近似線性的，可以用一個(gè)空間平面來(lái)擬合。

但是對(duì)于電離層活躍區(qū)域或時(shí)段，這種簡(jiǎn)單的雙線性模型可能會(huì)不夠精確，與真實(shí)的電離層誤差存在較大差別，導(dǎo)致流動(dòng)站定位精度降低，特別是高程方向的精度。

NRS軟件采用了“全網(wǎng)電離層建模”技術(shù)來(lái)克服這一問(wèn)題。“全網(wǎng)電離層建?！本褪菍ORS網(wǎng)覆蓋的區(qū)域作為一個(gè)整體，統(tǒng)一對(duì)電離層改正數(shù)建模。與一般網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)不同，“全網(wǎng)電離層建?！笔褂靡粋€(gè)二次(或更高次的，取決于CORS網(wǎng)中基準(zhǔn)站的數(shù)量)曲面來(lái)建立電離層改正模型。這種曲面模型對(duì)比簡(jiǎn)單的平面模型，更能反映真實(shí)的電離層變化情況，因而具有更高的改正數(shù)內(nèi)插(或外推，在網(wǎng)外時(shí))精度，從而提高流動(dòng)站定位精度。

在計(jì)算模型系數(shù)及流動(dòng)站附近的電離層改正時(shí)，采用了最小二乘配置的方法，以盡可能地考慮改正數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性。最小二乘配置最早應(yīng)用于物理大地測(cè)量，例如重力測(cè)量。這種計(jì)算方法不僅能考慮非隨機(jī)部分的參數(shù)(即函數(shù)部分)，也能考慮隨機(jī)部分(即統(tǒng)計(jì)部分，基線反算改正數(shù)的方差協(xié)方差)。NRS軟件采用這種方法，以保證計(jì)算得到的流動(dòng)站電離層改正數(shù)是最優(yōu)的。

1.3“Deep－NRS”技術(shù)提高整網(wǎng)可用性

NRS軟件采用了“Deep－NRS”技術(shù)來(lái)提高整網(wǎng)的可用性。雖然在CORS網(wǎng)建網(wǎng)階段充分考慮了CORS基站的穩(wěn)定性，但是CORS基站由于斷電、斷網(wǎng)或其他技術(shù)問(wèn)題而變得暫時(shí)不可用是難以避免的。當(dāng)某個(gè)基站變得不可用時(shí)，會(huì)降低該基站周?chē)腃ORS服務(wù)的可用性。因?yàn)镃ORS網(wǎng)一般是按Delaunay三角形來(lái)構(gòu)網(wǎng)的。而每個(gè)三角形的三條邊形成的基線是計(jì)算改正數(shù)的基本單元，如果某個(gè)基站變得不可用，那么與此基站相關(guān)聯(lián)的基線也變的不可用，從而降低該站附近CORS網(wǎng)服務(wù)的可用性。

“Deep－NRS”技術(shù)是指，在構(gòu)網(wǎng)階段生成冗余的基線，與其他基線同時(shí)參與解算。冗余基線也是按Delaunay規(guī)則來(lái)生成的。首先，所有CORS基站通過(guò)Delaunay規(guī)則可以得到一組基線，然后排除某一個(gè)基站，用其余的基站也可以得到一組基線，去除與之前結(jié)果相同的基線，可以得到一組冗余基線。同理，逐個(gè)排除CORS網(wǎng)中的其他基站，也可以得到一系列的冗余基線。當(dāng)某個(gè)CORS基站變的不可用時(shí)，與此基站相關(guān)的冗余基線就會(huì)參與改正數(shù)的建模，從而提高該基站附近CORS網(wǎng)的可用性。

1.4VRS與FKP技術(shù)的結(jié)合

VRS只利用了流動(dòng)站周?chē)?個(gè)基準(zhǔn)站的改正數(shù)，在流動(dòng)站附近利用這3個(gè)基準(zhǔn)站的改正數(shù)生成一個(gè)虛擬基準(zhǔn)站，再利用與傳統(tǒng)RTK相似的方式將虛擬基準(zhǔn)站的觀測(cè)值發(fā)送給流動(dòng)站。雖然VRS可以兼容傳統(tǒng)RTK，但并沒(méi)有用到網(wǎng)中其它基準(zhǔn)站的改正信息。而FKP技術(shù)則利用了流動(dòng)站周?chē)幌盗?甚至整個(gè)網(wǎng)中的)基準(zhǔn)站的改正數(shù)，生成一個(gè)改正模型，將模型參數(shù)和主站的觀測(cè)值發(fā)送給流動(dòng)站。雖然FKP用到了更多的基準(zhǔn)站的改正數(shù)信息，但發(fā)送數(shù)據(jù)量大且無(wú)法兼容傳統(tǒng)RTK。

NRS軟件結(jié)合了這兩種技術(shù)的長(zhǎng)處，使用“全網(wǎng)電離層改正”模型來(lái)計(jì)算流動(dòng)站附近的電離層改正，使用附近幾個(gè)站的對(duì)流層改正參數(shù)來(lái)計(jì)算流動(dòng)站附近的對(duì)流層改正。通過(guò)這些改正數(shù)，在流動(dòng)站附近生成一個(gè)虛擬基準(zhǔn)站，然后將虛擬基準(zhǔn)站的觀測(cè)值通過(guò)與傳統(tǒng)RTK相同的方法發(fā)送給流動(dòng)站。這樣即保證了流動(dòng)站的兼容性，又提高了改正數(shù)的精度。

2　NRS軟件在云南省CORS網(wǎng)中的應(yīng)用

玉溪市衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)YXCORS)是NRS軟件在云南省的典型應(yīng)用案例。該系統(tǒng)包括18個(gè)GNSS基準(zhǔn)站。基準(zhǔn)站間最長(zhǎng)間距65 km，最短間距21 km，平均邊長(zhǎng)46 km;最高基準(zhǔn)站為富良棚基準(zhǔn)站，海拔1 940 m;最低基準(zhǔn)站為元江基準(zhǔn)站，海拔400 m);網(wǎng)內(nèi)覆蓋范圍約18 000 km2。YXCORS網(wǎng)基準(zhǔn)站點(diǎn)位分布，見(jiàn)圖1。

圖1　YXCORS網(wǎng)基準(zhǔn)站點(diǎn)位分布圖Fig.1　Point position distribution map of base stations for YXCORS

YXCORS項(xiàng)目建成后云南省測(cè)繪產(chǎn)品檢測(cè)站對(duì)該系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量外符合精度進(jìn)行了檢測(cè)，為全面反映系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)量中的定位精度，利用玉溪市城市區(qū)域似大地水準(zhǔn)面精化布設(shè)的46個(gè)高程異?？刂泣c(diǎn)作為檢測(cè)點(diǎn)，整網(wǎng)RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量誤差，見(jiàn)表1。

表1　RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位測(cè)量誤差Tab.1 RTK measurement errors

3　結(jié)論

云南省CORS網(wǎng)地處低緯度、高原山區(qū)，基準(zhǔn)站間基線短落差大，增加了基線模糊度固定和對(duì)流層和電離層改正數(shù)建模的難度。針對(duì)云南省CORS網(wǎng)的問(wèn)題，NRS軟件采用了“單站對(duì)流層估計(jì)”和“全網(wǎng)電離層建?！钡募夹g(shù)，有效克服了山區(qū)和低緯度地區(qū)CORS網(wǎng)面臨的難題，提高了整網(wǎng)的可靠性和流動(dòng)站的定位精度，特別是高程方向的精度。此外，NRS軟件還使用“Deep－NRS”技術(shù)來(lái)提高整網(wǎng)的可用性，以最大程度地減少CORS參考站因斷電、斷網(wǎng)或其他技術(shù)問(wèn)題引起的可用性降低的問(wèn)題。NRS軟件還結(jié)合了VRS和FKP的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，即保證了對(duì)傳統(tǒng)RTK流動(dòng)站的兼容，又有效提高了流動(dòng)站的定位精度。

[參考文獻(xiàn)]

[1]吳北平，李征航.GPS網(wǎng)絡(luò)RTK線性組合法與內(nèi)查法關(guān)系的討論[J].測(cè)繪信息與工程，2003，28(5):27－28.

[2]李征航，何良華，吳北平.全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的最新進(jìn)展第二講網(wǎng)絡(luò)RTK[J].測(cè)繪信息與工程，2002，27(2):22－25.

[3]王文忠，鄭國(guó)寧，鄭生春，等.GPS參考站網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19(3):171－173.

[4]楊小軍，周樂(lè)韜，黃丁發(fā)，等.利用多基站網(wǎng)絡(luò)生成VRS/RTK差分改正信息的方法研究[J].測(cè)繪工程，2005，14(1):5－7.

[5]王平，鄭勇.VRS－GPS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)[J].物探裝備，2001，11(4):239－243.

Implementation and Application of Network RTK Technology in Low Latitude，High Elevation，Short Baseline，and Plateau Mountainous Area

KONG Xiang-feng1，SHI Kun2
(1.Kunming Branch of Guangzhou South Surveying and Mapping Instrument Co.，LTD，Kunming Yunnan 650034，China; 2.College of Land and Resources，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650093，China)

Abstract:This paper introduces the technical difficulties and prevent methods of low latitude，high elevation，short baseline，and plateau mountainous area.The application of NRS software in Yunnan province is introduced in combination with YXCORS.Aiming at the problems of Yunnan Province CORS network，with the single station troposphere estimates and the whole network modeling ionospheric technology of NRS software，we effectively disposed of the problems of CORS network in mountain and low latitudes area，and improved the network reliability and positioning accuracy of moving station，especially the accuracy of elevation.

Key words:NRS Network RTK; low latitude; short baseline and high elevation; plateau moutainous area; YXCORS

作者簡(jiǎn)介:孔祥豐(1976～)，男，河南商丘人，工程師，現(xiàn)主要從事CORS的應(yīng)用及培訓(xùn)方面的工作。

*收稿日期:2015－03－04

文章編號(hào):1007－9394(2015)02－0012－03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):P228.4