雙基站GPS差分在試驗場中的應用

楊靖寶

(91404部隊92分隊,河北 秦皇島)

0 引 言

近年來,隨著高精度電子武器的飛躍發展,對試驗場位置測量設備的精度要求越來越高。以往試驗場均采用單基準站差分GPS作為真值測量設備,測量電子武器定位精度為分米級,測量范圍為幾十公里;現代高精度電子武器定位精度已經達到分米級,真值測量設備要求精度應達到厘米級,測量范圍為近百公里,才能滿足試驗場測量需求。單基站差分GPS測量已經不能滿足試驗場高精度測量要求,必須采用多基站GPS差分技術應用于試驗場,特別是雙基站GPS差分技術在試驗場中的應用更符合實際的試驗場。

1 單基站及多基站定位原理

1.1 單基準站GPS差分基本原理[1-2]

在靶場測量中GPS單站差分定位技術得到廣泛的應用。差分定位是根據GPS的相對定位概念,將一臺接收機安置于己知點,即稱基準站,另一臺或幾臺接收機放置在用戶移動站,如目標船、飛機等,同時采集幾顆衛星的信號,基準站可以實時或事后將其載波觀測值和測站坐標信息傳送給用戶移動站。利用相對定位原理,將這些觀測值進行差分,削弱和消除軌道誤差、鐘差、大氣誤差等的影響,使移動站定位精度大大提高。與其它差分不同的是,基準臺傳送的數據是偽距和相位的原始觀測值,用戶移動接收機利用相對測量方法對基線求解、解算載波相位差分改正值,然后解算出待測點的坐標。

單站差分定位的精度在良好條件下,即星數至少為5顆,PDOP值小,無多路徑效應,甚至用戶接收機處于靜態或準動態等條件下可以達到或接近厘米級。在實際情況中不可能有那么好的條件,何況海面是一個強反射面,多路徑效應十分明顯,因此影響單站差分在水上定位準確度和可靠性的因素很多。盡管單站差分定位技術是目前最為廣泛使用的測量技術之一,但它的應用受到一些誤差源影響的限制,這些誤差源從性質上一般可分為系統誤差和偶然誤差兩類。系統誤差包括:衛星星歷誤差、衛星鐘誤差、大氣延時誤差(包括電離層延時和對流層延時)以及天線相位中心變化等。偶然誤差主要包括信號的多路徑效應。但是這種方法的應用受到大氣層影響的限制,往往使原始數據出現系統誤差,定位成果的可靠性隨距離增大而下降。近年來GPS差分技術有了新的進展,這就是建立在單基準站差分GPS上的一種新技術,即多基準站GPS網絡差分技術。

1.2 多基準站(虛擬基準站法)[3-4]

虛擬基準站是多基準站中一種較好的方法。針對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的基礎上研究、開發而建立起來的一種新技術。目前應用于多基站數據處理方法有:虛擬基準站法(Virtual Reference Station-VRS)、偏導數法、線性內插法和條件平差法,其中虛擬基準站(VRS)技術是最有前途的方法。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站(Virtual Reference Station)技術,在日本也開始開發VRS GPS技術。我國深圳市連續運行GPS系統就采用了VRS技術。

1.2.1 多基準站系統工作原理

在試驗航區域內,均勻布設兩個以上連續運行的GPS基準站,構成一個基準站網,借鑒廣域差分GPS和具有多個基準站的局域差分GPS中的基本原理和方法,經過有效的組合,移動站將其概略坐標播發給控制中心;然后,控制中心搜集周圍基準站的數據進行網平差,算出移動站的虛擬觀測值;又將這些觀測值播發給移動站,從而,實時算出移動站精密坐標。這就是多基準站系統工作原理。信息實時傳遞方式稱為網絡RTK,事后時間對其比對差分稱為事后多基站差分。

基準站上應配置雙頻全波長GPS接收機,該接收機能同時提供精確的雙頻偽距觀測值。基準站按規定的采樣率進行連續觀測,并通過事后或實時數據鏈將觀測資料傳送給移動站進行數據處理,其通信方式可采用數字數據網DON或其他方式。流動站可以根據自身的概略位置及收到的各基準站原始信息重新計算所有GPS觀測數據,并內插到與流動站相匹配的位置。根據流動站的近似坐標來判斷該站位于哪兩(三)個基準站所組成的區域內,然后,根據這兩(三)個基準站的觀測資料求出該流動站處所受到的系統誤差,流動站結合自身GPS觀測值,組成雙差相位觀測值,快速確定整周模糊度參數和位置信息,完成實時定位。流動站可以位于多基準站網絡中任何一點,這樣流動站接收機的定位系統誤差就能減少或削弱,提高了定位的準確度、可靠度。這是一種為一個虛擬的、沒有實際架設基準站建立原始基準數據的技術,故稱之“虛擬基準站”(VRS)。

由此可知,虛擬基準站法是設法在移動站相距數米或數十米處建立虛擬的“基準站”。并根據周圍各基準站上的實際觀測值算出該虛擬“基準站”上的虛擬觀測值,由于虛擬站離移動站相當近,故流動站只需采用常規RTK技術就能利用虛擬基準站進行實時相對定位,獲得較準確的定位結果。據國外資料報道,當站間距離為70 km時,用VRS法進行實時動態定位,可以使移動站接收機的準確度(Accuracy of a meauring RTK Receiver)達2～3 cm量級。

1.2.2 多基準站差分的技術優勢

與單站差分相比,多基準站的優勢有以下幾點:

1)擴大了移動站與基準站的作業距離(可達到70 km),且完全保證定位精度;

2)常規RTK的測量準確度1 cm+l ppm?D中的l ppm?D的概念取消了,在控制的測區范圍內始終可以達到1～2 cm左右。

3)對于長基線GPS網絡,用戶無需架設自己的基準站,費用大幅度降低;

4)改進了OTF初始化時間,提高了作業效率;

5)提高了定位的可靠性,確保了定位質量;

6)可以進行實時定位,又可以進行事后差分處理;

7)應用范圍更廣泛,可以滿足各種控制測量、水運工程測量、疏浚定位、施工放樣定位、變形觀測、工程監控、船舶導航、生態環保以及城市測量與城市規劃等。

2 雙基站差分在試驗場的應用

在試驗場,新型電子武器裝備對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。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應用于試驗場。

由于海上環境試驗為新型電子武器重點考核項目之一,所以多數試驗場位于海邊或湖邊。考慮到試驗航路(不同試驗項目)范圍的不確定性,要求基準站的布設可根據實際情況變化位置,所以基準站布設不易過多。為了節省人力、物力、財力,試驗場采用雙基準站GPS差分技術完全能夠滿足位置精度測量要求。

利用雙基站GPS差分處理軟件進行試驗場動態跑車測量數據如下:

將兩套同型號的GPS基準站分別沿試驗航路布設在適當位置(已知點),兩套活動站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站GPS天線之間的幾何距離。四套GPS設備同時開機,工作穩定后,記錄數據。雙排座汽車以80～100 km/h的速度沿預定航路往返航行兩個航次。將數據下載處理,比對單站差分與雙站差分數據的穩定性。利用網絡平差算法,兩活動站之間的距離測量值與測好的活動站之間幾何距離比較,得出精度誤差,驗證雙站差分的結果是否達到指標要求。測試結果如下:

表1 活動目標1經雙站差分后部分數據:(15:34-15:37)

表2 活動目標2經雙站差分后部分數據:(15:34-15:39)

兩活動目標間距離為固定值:1.695 m。兩活動目標利用雙基站差分軟件經過事后差分后的數據進行距離計算,結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的六個點為衛星受到環境遮擋時的定位數據誤差,可以不予考慮。動態定位精度平均值為0.00555 m,中誤差為0.008367 m,符合試驗場對高精度電子武器位置真值測量精度要求。

3 結 論

雙基站GPS差分在試驗場高精度位置測量的實際需要。多基準站差分技術的發展與應用代表了GPS測量未來發展的方向。由于VRS技術的先進性,它一經問世便受到世界各國廣泛關注。德國等國家已建成或正在建設,我國也已開始著手VRS技術的應用。作為試驗場工程科技人員和管理人員要充分認識到采用VRS技術的必要性和緊迫性。如果能將試驗場陸、海域連在一起,建立起VRS,環試驗場網絡差分工程建設的成果將會對靶場真值測量工程產生極大的軍事效益和經濟效益。

[1] Parkinson B W,Spilker J J.GPS理論與應用[M].吳曉進,謝洪華,劉乾富,譯,陜西:西安導航技術研究所,1996.

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

[3] 言 中,丁子民.衛星無線電導航[M].北京:國防工業出版社,1989.

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