雙基站GPS差分在試驗(yàn)場中的應(yīng)用

楊靖寶

(91404部隊(duì)92分隊(duì),河北 秦皇島)

0 引 言

近年來,隨著高精度電子武器的飛躍發(fā)展,對(duì)試驗(yàn)場位置測量設(shè)備的精度要求越來越高。以往試驗(yàn)場均采用單基準(zhǔn)站差分GPS作為真值測量設(shè)備,測量電子武器定位精度為分米級(jí),測量范圍為幾十公里;現(xiàn)代高精度電子武器定位精度已經(jīng)達(dá)到分米級(jí),真值測量設(shè)備要求精度應(yīng)達(dá)到厘米級(jí),測量范圍為近百公里,才能滿足試驗(yàn)場測量需求。單基站差分GPS測量已經(jīng)不能滿足試驗(yàn)場高精度測量要求,必須采用多基站GPS差分技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)場,特別是雙基站GPS差分技術(shù)在試驗(yàn)場中的應(yīng)用更符合實(shí)際的試驗(yàn)場。

1 單基站及多基站定位原理

1.1 單基準(zhǔn)站GPS差分基本原理[1-2]

在靶場測量中GPS單站差分定位技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。差分定位是根據(jù)GPS的相對(duì)定位概念,將一臺(tái)接收機(jī)安置于己知點(diǎn),即稱基準(zhǔn)站,另一臺(tái)或幾臺(tái)接收機(jī)放置在用戶移動(dòng)站,如目標(biāo)船、飛機(jī)等,同時(shí)采集幾顆衛(wèi)星的信號(hào),基準(zhǔn)站可以實(shí)時(shí)或事后將其載波觀測值和測站坐標(biāo)信息傳送給用戶移動(dòng)站。利用相對(duì)定位原理,將這些觀測值進(jìn)行差分,削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等的影響,使移動(dòng)站定位精度大大提高。與其它差分不同的是,基準(zhǔn)臺(tái)傳送的數(shù)據(jù)是偽距和相位的原始觀測值,用戶移動(dòng)接收機(jī)利用相對(duì)測量方法對(duì)基線求解、解算載波相位差分改正值,然后解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)。

單站差分定位的精度在良好條件下,即星數(shù)至少為5顆,PDOP值小,無多路徑效應(yīng),甚至用戶接收機(jī)處于靜態(tài)或準(zhǔn)動(dòng)態(tài)等條件下可以達(dá)到或接近厘米級(jí)。在實(shí)際情況中不可能有那么好的條件,何況海面是一個(gè)強(qiáng)反射面,多路徑效應(yīng)十分明顯,因此影響單站差分在水上定位準(zhǔn)確度和可靠性的因素很多。盡管單站差分定位技術(shù)是目前最為廣泛使用的測量技術(shù)之一,但它的應(yīng)用受到一些誤差源影響的限制,這些誤差源從性質(zhì)上一般可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差兩類。系統(tǒng)誤差包括:衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差、大氣延時(shí)誤差(包括電離層延時(shí)和對(duì)流層延時(shí))以及天線相位中心變化等。偶然誤差主要包括信號(hào)的多路徑效應(yīng)。但是這種方法的應(yīng)用受到大氣層影響的限制,往往使原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)系統(tǒng)誤差,定位成果的可靠性隨距離增大而下降。近年來GPS差分技術(shù)有了新的進(jìn)展,這就是建立在單基準(zhǔn)站差分GPS上的一種新技術(shù),即多基準(zhǔn)站GPS網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)。

1.2 多基準(zhǔn)站(虛擬基準(zhǔn)站法)[3-4]

虛擬基準(zhǔn)站是多基準(zhǔn)站中一種較好的方法。針對(duì)上述的單站差分定位測量中的誤差與可靠性的問題,在單站差分GPS的基礎(chǔ)上研究、開發(fā)而建立起來的一種新技術(shù)。目前應(yīng)用于多基站數(shù)據(jù)處理方法有:虛擬基準(zhǔn)站法(Virtual Reference Station-VRS)、偏導(dǎo)數(shù)法、線性內(nèi)插法和條件平差法,其中虛擬基準(zhǔn)站(VRS)技術(shù)是最有前途的方法。到目前為止,在歐洲瑞士與丹麥之間的海上工程中已使用了虛擬基準(zhǔn)站(Virtual Reference Station)技術(shù),在日本也開始開發(fā)VRS GPS技術(shù)。我國深圳市連續(xù)運(yùn)行GPS系統(tǒng)就采用了VRS技術(shù)。

1.2.1 多基準(zhǔn)站系統(tǒng)工作原理

在試驗(yàn)航區(qū)域內(nèi),均勻布設(shè)兩個(gè)以上連續(xù)運(yùn)行的GPS基準(zhǔn)站,構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng),借鑒廣域差分GPS和具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局域差分GPS中的基本原理和方法,經(jīng)過有效的組合,移動(dòng)站將其概略坐標(biāo)播發(fā)給控制中心;然后,控制中心搜集周圍基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)平差,算出移動(dòng)站的虛擬觀測值;又將這些觀測值播發(fā)給移動(dòng)站,從而,實(shí)時(shí)算出移動(dòng)站精密坐標(biāo)。這就是多基準(zhǔn)站系統(tǒng)工作原理。信息實(shí)時(shí)傳遞方式稱為網(wǎng)絡(luò)RTK,事后時(shí)間對(duì)其比對(duì)差分稱為事后多基站差分。

基準(zhǔn)站上應(yīng)配置雙頻全波長GPS接收機(jī),該接收機(jī)能同時(shí)提供精確的雙頻偽距觀測值。基準(zhǔn)站按規(guī)定的采樣率進(jìn)行連續(xù)觀測,并通過事后或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)鏈將觀測資料傳送給移動(dòng)站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,其通信方式可采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DON或其他方式。流動(dòng)站可以根據(jù)自身的概略位置及收到的各基準(zhǔn)站原始信息重新計(jì)算所有GPS觀測數(shù)據(jù),并內(nèi)插到與流動(dòng)站相匹配的位置。根據(jù)流動(dòng)站的近似坐標(biāo)來判斷該站位于哪兩(三)個(gè)基準(zhǔn)站所組成的區(qū)域內(nèi),然后,根據(jù)這兩(三)個(gè)基準(zhǔn)站的觀測資料求出該流動(dòng)站處所受到的系統(tǒng)誤差,流動(dòng)站結(jié)合自身GPS觀測值,組成雙差相位觀測值,快速確定整周模糊度參數(shù)和位置信息,完成實(shí)時(shí)定位。流動(dòng)站可以位于多基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)中任何一點(diǎn),這樣流動(dòng)站接收機(jī)的定位系統(tǒng)誤差就能減少或削弱,提高了定位的準(zhǔn)確度、可靠度。這是一種為一個(gè)虛擬的、沒有實(shí)際架設(shè)基準(zhǔn)站建立原始基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的技術(shù),故稱之“虛擬基準(zhǔn)站”(VRS)。

由此可知,虛擬基準(zhǔn)站法是設(shè)法在移動(dòng)站相距數(shù)米或數(shù)十米處建立虛擬的“基準(zhǔn)站”。并根據(jù)周圍各基準(zhǔn)站上的實(shí)際觀測值算出該虛擬“基準(zhǔn)站”上的虛擬觀測值,由于虛擬站離移動(dòng)站相當(dāng)近,故流動(dòng)站只需采用常規(guī)RTK技術(shù)就能利用虛擬基準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時(shí)相對(duì)定位,獲得較準(zhǔn)確的定位結(jié)果。據(jù)國外資料報(bào)道,當(dāng)站間距離為70 km時(shí),用VRS法進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位,可以使移動(dòng)站接收機(jī)的準(zhǔn)確度(Accuracy of a meauring RTK Receiver)達(dá)2～3 cm量級(jí)。

1.2.2 多基準(zhǔn)站差分的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與單站差分相比,多基準(zhǔn)站的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn):

1)擴(kuò)大了移動(dòng)站與基準(zhǔn)站的作業(yè)距離(可達(dá)到70 km),且完全保證定位精度;

2)常規(guī)RTK的測量準(zhǔn)確度1 cm+l ppm?D中的l ppm?D的概念取消了,在控制的測區(qū)范圍內(nèi)始終可以達(dá)到1～2 cm左右。

3)對(duì)于長基線GPS網(wǎng)絡(luò),用戶無需架設(shè)自己的基準(zhǔn)站,費(fèi)用大幅度降低;

4)改進(jìn)了OTF初始化時(shí)間,提高了作業(yè)效率;

5)提高了定位的可靠性,確保了定位質(zhì)量;

6)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,又可以進(jìn)行事后差分處理;

7)應(yīng)用范圍更廣泛,可以滿足各種控制測量、水運(yùn)工程測量、疏浚定位、施工放樣定位、變形觀測、工程監(jiān)控、船舶導(dǎo)航、生態(tài)環(huán)保以及城市測量與城市規(guī)劃等。

2 雙基站差分在試驗(yàn)場的應(yīng)用

在試驗(yàn)場,新型電子武器裝備對(duì)海上及空中的航路范圍要求由原來的幾十公里增加到近百公里,定位精度要求厘米級(jí)。單站載波相位差分保精度測量范圍為20 km,必須采用多站差分技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)場。

由于海上環(huán)境試驗(yàn)為新型電子武器重點(diǎn)考核項(xiàng)目之一,所以多數(shù)試驗(yàn)場位于海邊或湖邊?？紤]到試驗(yàn)航路(不同試驗(yàn)項(xiàng)目)范圍的不確定性,要求基準(zhǔn)站的布設(shè)可根據(jù)實(shí)際情況變化位置,所以基準(zhǔn)站布設(shè)不易過多。為了節(jié)省人力、物力、財(cái)力,試驗(yàn)場采用雙基準(zhǔn)站GPS差分技術(shù)完全能夠滿足位置精度測量要求。

利用雙基站GPS差分處理軟件進(jìn)行試驗(yàn)場動(dòng)態(tài)跑車測量數(shù)據(jù)如下:

將兩套同型號(hào)的GPS基準(zhǔn)站分別沿試驗(yàn)航路布設(shè)在適當(dāng)位置(已知點(diǎn)),兩套活動(dòng)站GPS安裝于雙排座汽車上,用測量尺測定雙排座汽車上兩活動(dòng)站GPS天線之間的幾何距離。四套GPS設(shè)備同時(shí)開機(jī),工作穩(wěn)定后,記錄數(shù)據(jù)。雙排座汽車以80～100 km/h的速度沿預(yù)定航路往返航行兩個(gè)航次。將數(shù)據(jù)下載處理,比對(duì)單站差分與雙站差分?jǐn)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性。利用網(wǎng)絡(luò)平差算法,兩活動(dòng)站之間的距離測量值與測好的活動(dòng)站之間幾何距離比較,得出精度誤差,驗(yàn)證雙站差分的結(jié)果是否達(dá)到指標(biāo)要求。測試結(jié)果如下:

表1 活動(dòng)目標(biāo)1經(jīng)雙站差分后部分?jǐn)?shù)據(jù):(15:34-15:37)

表2 活動(dòng)目標(biāo)2經(jīng)雙站差分后部分?jǐn)?shù)據(jù):(15:34-15:39)

兩活動(dòng)目標(biāo)間距離為固定值:1.695 m。兩活動(dòng)目標(biāo)利用雙基站差分軟件經(jīng)過事后差分后的數(shù)據(jù)進(jìn)行距離計(jì)算,結(jié)果與固定距離的一次差曲線如下:

圖1 距離一次差曲線

圖1中,大于0.02 m的六個(gè)點(diǎn)為衛(wèi)星受到環(huán)境遮擋時(shí)的定位數(shù)據(jù)誤差,可以不予考慮。動(dòng)態(tài)定位精度平均值為0.00555 m,中誤差為0.008367 m,符合試驗(yàn)場對(duì)高精度電子武器位置真值測量精度要求。

3 結(jié) 論

雙基站GPS差分在試驗(yàn)場高精度位置測量的實(shí)際需要。多基準(zhǔn)站差分技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用代表了GPS測量未來發(fā)展的方向。由于VRS技術(shù)的先進(jìn)性,它一經(jīng)問世便受到世界各國廣泛關(guān)注。德國等國家已建成或正在建設(shè),我國也已開始著手VRS技術(shù)的應(yīng)用。作為試驗(yàn)場工程科技人員和管理人員要充分認(rèn)識(shí)到采用VRS技術(shù)的必要性和緊迫性。如果能將試驗(yàn)場陸、海域連在一起,建立起VRS,環(huán)試驗(yàn)場網(wǎng)絡(luò)差分工程建設(shè)的成果將會(huì)對(duì)靶場真值測量工程產(chǎn)生極大的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] Parkinson B W,Spilker J J.GPS理論與應(yīng)用[M].吳曉進(jìn),謝洪華,劉乾富,譯,陜西:西安導(dǎo)航技術(shù)研究所,1996.

[2] 徐紹銓,張華海,楊志強(qiáng),王澤民.GPS原理及應(yīng)用[M].3版.湖北:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1998.

[3] 言 中,丁子民.衛(wèi)星無線電導(dǎo)航[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989.

[4] 吳俐民,丁仁學(xué),李鳳霞.GPS參考站原理與管理[M].陜西:西安交通大學(xué)出版社,2008.