基于虛擬觀測的CORS定位數(shù)據(jù)處理方法及應(yīng)用

邰賀

(沈陽市勘察測繪研究院,遼寧 沈陽 110004)

0 引 言

目前,城市連續(xù)運(yùn)行參考系統(tǒng)(CORS)已經(jīng)成為城市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)的重要組成部分[1],其提供的實(shí)時、高精度的定位服務(wù)成為智慧城市空間數(shù)據(jù)采集的重要手段[2].目前,城市級CORS基本以CORS+網(wǎng)絡(luò)實(shí)時動態(tài)(RTK)的服務(wù)模式對外進(jìn)行服務(wù).目前,市場上的主流CORS技術(shù)有VRS、i-max、FKP等[3].

在CORS+RTK的實(shí)際使用過程中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)流動站用戶在作業(yè)過程中由于受到復(fù)雜環(huán)境[4](如無信號、高樓遮擋等)的影響,經(jīng)常不能獲得RTK固定解,導(dǎo)致無法作業(yè)[5].一般情況下,只能利用常規(guī)靜態(tài)方法解決這種復(fù)雜環(huán)境下的控制點(diǎn)解算問題,但該方法耗時、耗力,造成項(xiàng)目的成本增加.因此,本文首先介紹了虛擬觀測數(shù)據(jù)的生成原理,并提出了虛擬觀測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo),最后通過實(shí)際案例分析虛擬觀測數(shù)據(jù)如何進(jìn)行指標(biāo)評價以及采用虛擬觀測數(shù)據(jù)之后對于工程解算精度的改善情況.

1 虛擬觀測數(shù)據(jù)的生成原理

圖1 虛擬觀測定位示意圖

如圖1所示,參考站A、B、C構(gòu)建起服務(wù)三角形,共視衛(wèi)星i及衛(wèi)星j;虛擬參考站V(VRS)、用戶流動站U(rover)以及主參考站A之間有一定的距離.由于相位觀測值表現(xiàn)為幾何距離以及多種誤差的和,在忽略軌道誤差和多路徑效應(yīng)的影響下,就可以建立主參考站A與虛擬參考站V之間的觀測方程(1)和(2):

λφAS=ρAS+c(ζtA-ζtS)-IAS+TAS-λNAS,

(1)

λφVS=ρVS+c(ζtV-ζtS)-IVS+TVS-λNVS.

(2)

分別將公式(1)和(2)在共視衛(wèi)星上對(i,j)求差,得到公式(3)和(4):

λφAij=ΔρAij-c·Δζtij-ΔIAij+

ΔTAij-λNAij,

(3)

λφVij=ΔρVij-c·Δζtij-ΔIVij+

ΔTVij-λNVij.

(4)

再通過求差形成雙差,得到公式(5):

ΔIAij)+(ΔTVij-ΔTAij)-

λ(NVij-NAij)

=Δ2ρAVij-Δ2IAVij+Δ2TAVij-

λΔ2NAVij,

(5)

由于唯一的未知量為虛擬參考站V上的單差觀測值,因此可以得到虛擬參考站觀測值的單差觀測值的計算公式(6):

Δ2TAVij)-Δ2NAVij.

(6)

由于載波相位和偽距的雙差觀測方程如下:

λΔ2φ+λΔ2N=Δ2ρ-Δ2I+Δ2T+Δ2O+

Δ2M+ε,

(7)

Δ2P=Δ2ρ+Δ2I+Δ2T+Δ2O+Δ2M+ε.

(8)

如公式(7)和(8)所示,流動站位置的誤差項(xiàng)中包含了大氣誤差、軌道誤差、多路徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲在內(nèi)的雙差殘差.就其對VRS觀測結(jié)果影響大小來看,雙差電離層延遲Δ2I、雙差對流層延遲Δ2T以及雙差軌道誤差Δ2O的精確求解具有重要意義.

在確定了具體算法之后,以CORS站的精確坐標(biāo)為基準(zhǔn),通過長時間的觀測得到關(guān)于雙差電離層延遲Δ2I、雙差對流層延遲Δ2T以及雙差軌道誤差Δ2O的精確模型,進(jìn)而根據(jù)該模型計算出單歷元的誤差值,并通過方程反推出虛擬參考站的單歷元觀測數(shù)據(jù),進(jìn)而形成虛擬觀測數(shù)據(jù).

2 虛擬觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)

虛擬觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響著定位解算的精度和可靠性.本文參考了《GB/T 28588-2012 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于基準(zhǔn)站站址環(huán)境的評價指標(biāo),認(rèn)為虛擬觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)應(yīng)包含衛(wèi)星數(shù)量、多路徑效應(yīng)、周跳比、信噪比等[1].

2.1 衛(wèi)星數(shù)量

衛(wèi)星數(shù)量是指觀測文件中記錄的衛(wèi)星總數(shù).其主要通過TEQC等質(zhì)量評估軟件給出的SV數(shù)值進(jìn)行體現(xiàn).虛擬觀測數(shù)據(jù)的可見衛(wèi)星數(shù)量應(yīng)與當(dāng)前虛擬觀測數(shù)據(jù)生成參與基站的共視衛(wèi)星數(shù)量一致.

2.2 多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)除直接收到衛(wèi)星發(fā)射的信號外,還同時包含測站附近的物體表面

一次或者多次的反射信號,這種不同路徑的信號與直接信號疊加,產(chǎn)生的時延效應(yīng)成為多路徑效應(yīng)[6].多路徑效應(yīng)指標(biāo)主要通過TEQC等質(zhì)量評估軟件給出MP1、MP2進(jìn)行體現(xiàn),理論上其不得小于0.5 m.

2.3 周跳比

周跳是接收機(jī)在連續(xù)工作的過程中由于信號干擾或者是信號受到遮擋等原因，造成接收機(jī)計時器的信號中斷產(chǎn)生的整周相位跳變.周跳比指標(biāo)為觀測值總歷元數(shù)量除以發(fā)生周跳的歷元數(shù)量的比值,主要通過TEQC等質(zhì)量評估軟件給出的o/slps進(jìn)行體現(xiàn),其一般捆綁觀測值完好性指標(biāo)共同說明.一般情況下,周跳比越大越好,觀測值完好性一般不低于85%.

2.4 信噪比

信噪比是載波的信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度之比,是反映載波信號質(zhì)量的指標(biāo)之一.衛(wèi)星信號的信噪比越高,說明衛(wèi)星的信號強(qiáng)度越大.對實(shí)時觀測的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和呈現(xiàn)能夠?qū)崟r地表現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量,是質(zhì)量分析和判斷的重要方面.信噪比一般通過RTKlib等軟件給出的信噪比(SNR)進(jìn)行體現(xiàn),一般不低于45.

3 實(shí)例分析

本文選取2018年6月10日沈陽市衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)(SYCORS)[7]的FAHA站作為本次分析的參考測站,利用Trimble pivot軟件在該站的真實(shí)坐標(biāo)位置生成虛擬觀測文件,使用TEQC最新版本以及RTKlib軟件中的RTKplot數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件[8]對虛擬觀測數(shù)據(jù)的可見衛(wèi)星數(shù)量、DOP、周跳比、多路徑效應(yīng)、SNR等質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行分析,并與真實(shí)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比.然后,選用沈陽市長青橋GNSS控制網(wǎng)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)際工程驗(yàn)證,解算采用Trimble Business center軟件,并采用cosaGPS V5.21版本進(jìn)行平差.

3.1 可見衛(wèi)星數(shù)量評價

將物理觀測數(shù)據(jù)與虛擬觀測數(shù)據(jù)的觀測值經(jīng)過TEQC解算,得到可見虛擬觀測數(shù)據(jù)的衛(wèi)星數(shù)量分布圖2和物理觀測數(shù)據(jù)的可見衛(wèi)星數(shù)量分布圖3.

圖2 虛擬觀測數(shù)據(jù)可見衛(wèi)星數(shù)量

圖3 物理觀測數(shù)據(jù)可見衛(wèi)星數(shù)量

由圖2和圖3對比可以看出,虛擬觀測數(shù)據(jù)的可見衛(wèi)星數(shù)量與物理觀測數(shù)據(jù)的可見衛(wèi)星數(shù)量基本相當(dāng),分布基本一致.經(jīng)查驗(yàn)觀測文件每個歷元的衛(wèi)星數(shù)量,與當(dāng)前虛擬觀測數(shù)據(jù)的生成參與基站的共視衛(wèi)星數(shù)量一致.

3.2 多路徑效應(yīng)指標(biāo)評價

經(jīng)過TEQC解算出的虛擬觀測數(shù)據(jù)的MP1、MP2與物理基站觀測數(shù)據(jù)的MP1、MP2的對比如表1所示.

表1 多路徑效應(yīng)指標(biāo)對比

可以看出,虛擬觀測數(shù)據(jù)在多路徑效應(yīng)指標(biāo)方面比物理觀測數(shù)據(jù)指標(biāo)上要好.

3.3 周跳比指標(biāo)評價

經(jīng)過TEQC解算出的虛擬觀測數(shù)據(jù)與物理基站觀測數(shù)據(jù)的周跳比以及觀測值完好性的對比情況如表2所示.

表2 周跳比及觀測值完好性對比

從表2可以看出,由于虛擬觀測數(shù)據(jù)在CORS系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行之后基本不包含周跳信息,所以o/slps的數(shù)值明顯大,而且觀測值完好性比物理觀測數(shù)據(jù)表現(xiàn)優(yōu)異,幾乎為100%.

3.4 信噪比指標(biāo)評價

經(jīng)過TEQC解算出的虛擬觀測數(shù)據(jù)的SNR以及物理觀測數(shù)據(jù)的SNR分別如圖4及圖5所示.

圖4 虛擬觀測數(shù)據(jù)SNR

圖5 物理觀測數(shù)據(jù)SNR

從圖4和圖5對比可以看出,虛擬觀測數(shù)據(jù)的SNR與物理觀測數(shù)據(jù)的SNR基本相當(dāng)且分布基本一致,平均值均在50左右,大于45的指標(biāo),處于一個優(yōu)秀的指標(biāo)水平.

3.5 實(shí)際工程計算

本次計算采用兩套方案:方案1采用項(xiàng)目測區(qū)最近的物理參考站作為控制,網(wǎng)型如圖6所示;方案2采用測區(qū)周邊1 km左右范圍內(nèi)生成虛擬基準(zhǔn)站作為控制,網(wǎng)型如圖7所示.方案1與方案2中,求取的坐標(biāo)通過投影至N、E方向,精度比較也均在N、E分量上進(jìn)行.

首先,比對兩種方案對于基線長度的影響.由于商業(yè)軟件采用單基線計算模型,其基線越短,形成基線的站點(diǎn)之間的相關(guān)度越高,對流層誤差、電離層誤差等的相關(guān)度也越高,基線解算的精度也就越高.按照方案1計算得到的控制網(wǎng)平均基線邊長為12.015 km;按照方案計算得到的控制網(wǎng)平均基線邊長為2.428 km,方案2比方案1的平均邊長縮短5倍.

其次,比對兩種方案對于基線解算精度的影響.無論物理基站或虛擬基站,其至臨近最近未知點(diǎn)的基線共有4條,基站之間的基線共有6條,總計10條.這里不區(qū)分物理和虛擬,基準(zhǔn)站以A-D順序編號,未知點(diǎn)以1-4順序編號.按照方案1和方案2分別進(jìn)行同配置的基線解算,其解算精度如表3所示.

表3 基線解算精度表

可以看出,由于方案2的基線平均邊長相比于方案1顯著降低,導(dǎo)致了基線解算的精度相比于方案1要提高很多.

然后,比對三維約束平差后的定位精度情況.將基線解算的成果經(jīng)過三維約束平差之后,其平差精度情況如表4所示.

表4 約束平差精度表

從表4可以看出,三維約束平差后,方案2比方案1點(diǎn)位的三維精度要高.本項(xiàng)目中JH05、JH06兩點(diǎn)為檢核點(diǎn)位,其N、E坐標(biāo)已知.將方案1和方案2的點(diǎn)位坐標(biāo)成果與已知成果進(jìn)行對比,情況如表5所示.

表5 檢核點(diǎn)坐標(biāo)精度對比表(僅保留小數(shù)位數(shù))

表注：物-已表示物理站坐標(biāo)減去已知點(diǎn)坐標(biāo)，虛-已表示虛擬站坐標(biāo)減去已知點(diǎn)坐標(biāo).因保密原因，這里僅表示小數(shù)位，小數(shù)點(diǎn)前面用*表示.

從表5可以看出,采用虛擬基站觀測數(shù)據(jù),其通過三維約束平差之后,已知點(diǎn)檢核的精度成果要優(yōu)于采用物理基站的成果,這主要是由于虛擬基站策略的基線平均長度短,解算精度高,基線殘差小造成的.

4 應(yīng)用條件

1)CORS站穩(wěn)定運(yùn)行

虛擬觀測數(shù)據(jù)的生成需要依托于CORS站的長時間穩(wěn)定運(yùn)行.為保證生成精度,原則上CORS站穩(wěn)定運(yùn)行的時間不低于30天,且需要進(jìn)行精度測試,采用的方法為與最近物理基站進(jìn)行超短基線測試,基線三維分量殘差在低于2 cm時可以使用.

2)平均站間距不宜過長

虛擬觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量與CORS站的平均站間距有關(guān).站間距越小,誤差建模的精度越高,其虛擬觀測數(shù)據(jù)生成的精度也就越高.如果平均站間距過長,將導(dǎo)致誤差模型建模精度下降,導(dǎo)致虛擬觀測數(shù)據(jù)生成精度下降.一般情況下,平均站間距不宜超過50 km.

3)僅可用于平面控制

由于虛擬觀測數(shù)據(jù)生成時的坐標(biāo)是天線相位中心的平均坐標(biāo),且無法提供天線類型,這導(dǎo)致在三維處理中無法采用NGS等機(jī)構(gòu)提供的絕對天線校正數(shù)據(jù),僅能夠采用軟件自帶的直接處理至相位中心的模式,導(dǎo)致高程U方向的結(jié)果無參照.實(shí)際應(yīng)用時僅能用于平面控制和指標(biāo)評定.

5 結(jié)束語

在城市級網(wǎng)絡(luò)RTK的實(shí)際使用中,由于各種外界環(huán)境的影響,可能無法正常獲取固定解.而虛擬觀測數(shù)據(jù)這一技術(shù)手段,在求解未知控制點(diǎn)的應(yīng)用中具有高精度、方便、低成本等優(yōu)點(diǎn),可以作為網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的有益補(bǔ)充.同時,現(xiàn)有城鎮(zhèn)化高速推進(jìn)造成GNSS控制點(diǎn)標(biāo)志被大量破壞,使用虛擬觀測數(shù)據(jù)可在不用埋設(shè)控制點(diǎn)的情況下,完成GNSS控制網(wǎng)的設(shè)計、觀測和處理,極大地降低了項(xiàng)目成本,具有很強(qiáng)的推廣意義.