基于非差觀測的網絡實時動態定位方法及其在連續運行基準站跨網服務中的應用

鄒 璇,唐衛明,葛茂榮,劉經南

1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心,湖北武漢430079;2.德國地學研究中心,A1714473 Potsdam,德國

基于非差觀測的網絡實時動態定位方法及其在連續運行基準站跨網服務中的應用

鄒 璇1,唐衛明1,葛茂榮2,劉經南1

1.武漢大學衛星導航定位技術研究中心,湖北武漢430079;2.德國地學研究中心,A1714473 Potsdam,德國

基于非差觀測的網絡實時動態定位(RTK)方法通過提供每顆衛星的誤差改正量,使網內用戶獲得與網絡RTK方法等價的快速精密單點定位服務。當用戶跨越連續運行基準站(CORS)網內由不同參考站組成的子網(參考子網)甚至跨越不同CORS網時,都能有效避免因所選取的主參考站變化而引起的模糊度重新初始化,從而保持觀測時段內用戶定位結果的連續可靠和跨CORS網服務時算法上的無縫銜接。通過對海上實測動態數據處理結果的分析,驗證該方法的定位精度、初始化時間與現有網絡RTK方法在量級上的一致性,以及跨不同參考子網和CORS網時實現無縫銜接的有效性。

全球導航衛星系統;非差改正數;網絡實時動態定位;無縫銜接

1 引 言

網絡RTK又稱多參考站RTK,是近年來在常規RTK、Internet、無線通信、計算機網絡管理等技術基礎上發展起來的新一代實時動態定位新技術[1]。國內外已有很多學者對網絡RTK定位方法進行了大量的研究,并取得了一系列研究成果。目前的各種方法主要是基于CORS網提出,按照對網絡RTK方法研究的逐步深入,大致可以分為三個階段。基于差分觀測的網絡RTK方法自20世紀90年代中期提出以來,經過十多年的發展,目前應用得最為廣泛。該方法基于各類誤差在測站間存在的較強線性相關性,利用雙差觀測值殘差對指定衛星進行建模,用戶在模型改正后采用相對定位模式與參考站數據聯合解算。HiRIM方法由 Christian Rocken于2000年提出,該方法雖然實現了對每顆衛星的非差改正數分別建模,但用戶仍需采用相對定位模式進行數據處理[2]。文獻[3]的基于非差觀測的網絡RTK方法不但對每顆衛星的非差改正數分別進行建模,而且能夠為網內用戶提供與以上相對定位模式網絡RTK方法等價并且精度一致的快速精密單點定位服務[3]。

2 基于非差觀測的網絡 RTK方法

基于非差觀測的網絡RTK方法簡單介紹如下:首先利用現有的相對定位數據處理策略解算得到參考站間雙差模糊度及對應的載波相位雙差觀測值殘差。由雙差模糊度轉換為對應非差模糊度的轉換矩陣是秩虧的,此時通過適當指定某些具有整數特性的非差模糊度,可將雙差觀測值殘差轉化為各參考站與可視衛星間非差觀測值殘差的形式,所指定的非差模糊度為任意整數,不會影響模型構建結果的有效性。與傳統單層模型和Klobuchar模型等對整個地球表面進行建模相比,該方法是利用參考站實測數據對每顆可視衛星在地面處分別建模,模型在構建時類似于一個以衛星為頂點、各參考站子網為底面的倒棱錐形,只是對衛星方向的一小塊區域進行建模,這一建模思想可以有效模型化局部范圍內的電離層和對流層擾動。由于對每顆衛星方向的電離層、對流層以及與衛星相關的硬件延遲、鐘差、軌道誤差都被精確構建到誤差改正模型中,且模型在構建時保留了模糊度的整數特性,因此網內用戶可在接收到周邊參考站發播的誤差改正信息后,根據其測站近似坐標計算得到每顆衛星的誤差量并對其觀測值進行改正。用戶接收機包含的硬件延遲無法通過模型改正的方式消除,但由于同一時刻不同衛星的觀測值所受接收機硬件延遲是一致的,通過星間單差可消除該部分誤差的影響,此時,模型改正后的用戶站觀測數據便可基于非差數據處理模式,采用星間單差模糊度固定的方法快速計算得到測站處的精密定位結果[1-2]。基于非差觀測的網絡RTK方法模型構建示意圖如圖1所示。

圖1 基于非差觀測的網絡RTK方法模型構建示意圖Fig.1 Method of network RTK based on undifferenced observation corrections

3 CORS跨網服務的無縫銜接

CORS跨網服務的無縫銜接包括所采用的數據處理算法、參考站坐標基準的統一、網內數據通信,以及CORS網間數據共享等問題,在此筆者僅從數據處理算法上對CORS跨網服務的無縫銜接問題進行論證分析。

傳統網絡RTK方法需選擇一顆高度角較高的衛星作為參考衛星,并利用與參考衛星相關各衛星對的雙差觀測值殘差進行建模。用戶在按照傳統網絡RTK方法進行精密定位應用時需同步觀測指定參考衛星,因此存在參考衛星的選取以及換星時誤差改正信息的轉換等問題。此外,由于用戶需采用相對定位模式與鄰近參考站或虛擬的參考站進行聯測,當用戶跨越由不同參考站組成的子網(參考子網)甚至跨越不同CORS網時,將不可避免地存在模糊度重新初始化的問題。

基于非差觀測的網絡RTK方法可以有效解決傳統網絡RTK方法存在的以上技術缺陷。由于基于非差觀測的網絡RTK方法是對每顆可視衛星分別建模,且采用非差模式固定星間單差模糊度,因此用戶在進行定位時無需指定參考衛星和主參考站。當用戶跨越不同CORS子網時,該方法能有效避免傳統網絡RTK方法因所選取的主參考站變化而引起的模糊度重新初始化,從而保持觀測時段內用戶定位結果的連續可靠和跨CORS網服務時算法上的無縫銜接。

4 算例分析

筆者在武漢大學 GNSS工程技術研究中心自主研制的導航數據綜合處理軟件(position and navigation data analyst,PANDA)的基礎上[4],實現了基于非差觀測的網絡RTK方法。以下通過對一組海上實測動態算例處理結果的分析,驗證該方法在初始化時間、定位精度與現有網絡RTK方法在量級上的一致性,以及CORS跨網服務時實現算法上無縫銜接的有效性。

4.1 固定基線長度相對檢測方法

由于在本文算例CORS系統覆蓋的海域上,難以找到靜止不動的靜態檢測點或距離較近的參考站進行短基線相對定位,只能比較流動站間的相對位置關系,因此采用固定基線長度相對檢測方法評判流動站用戶的定位精度。

固定基線長度相對檢測方法是在一個運動載體上架設兩臺或兩臺以上用戶接收機來檢測用戶的定位精度,定位結果可被轉換為用戶接收機間的相對位置關系,通過將解算得到的相對關系與實際存在的相對關系進行比較,可以在一定程度上反映用戶接收機的定位精度。在進行固定基線長度相對檢測時,兩臺接收機之間的相距位置一般都在幾米到幾十米,測量環境一致,而且所用的兩臺接收機為同一型號,儀器測量精度也一致。因此,可以認為每臺接收機絕對定位精度一致,由用戶定位精度表示的基線長度的中誤差[3]為式中,σs為基線長度的中誤差;σ為用戶定位的點位中誤差。

4.2 算例說明

筆者選取了2010-08-31某CORS網從上午11:15開始共2 h 15 min、數據采樣率為1 s的一組海上實測動態觀測數據進行了測試分析。該組數據由4個CORS參考站和2個用戶流動站組成,4個參考站的平均站間距離為185 km,組成了相鄰的2個三角子網。海上動態用戶精度測試時,船尾左右分別架設1臺拓普康 GNSS雙頻接收機,2臺接收機之間的基線長度為9.546 m。船只行進過程中雖然受到海水、風等的壓力可能產生變形,但是形變量最大僅為毫米級,因此認為在船只行進過程中流動站間基線長度保持不變。測試時,船只從參考站1附近出發,沿著參考站1—2基線方向航行,跨越了2組CORS三角子網,當船只在△134內時僅采用由參考站1、3、4獲得的誤差改正信息,當船只在△123內時僅采用由參考站1、2、3獲得的誤差改正信息,所采用的兩組誤差改正信息在參考站1、3的連線處進行切換,船只航行總距離約為62 km。按照基于非差觀測的網絡RTK方法同時對船尾2點進行星間單差寬巷(LW)模糊度固定快速精密單點定位,通過同步的2點位置解算結果反算站間距離,與真值比較從而得到實際觀測的基線長度差值,然后根據式(1)得到 GNSS動態用戶定位結果的中誤差。海上動態測試設備艙面布設、CORS網位置分布以及流動站軌跡如圖2所示。

本算例采用事后處理模式仿真實時動態定位過程,以便對未來建立基于非差觀測的網絡RTK系統時用戶實時定位精度,以及區域網絡 RTK用戶在跨越由不同參考站組成的子網時在算法上無縫銜接的可行性進行有效的模擬分析。對全部GNSS觀測數據均按照 TurboEdit算法進行預處理[5],并結合殘差分析的方法探測、標注可能的周跳和粗差觀測值。參考網采用后處理的方式計算得到全部雙差模糊度信息,按照基于非差觀測的網絡RTK方法進行實時模型構建。

圖2 海上動態測試設備艙面布置、CORS網位置分布、流動站運動軌跡示意圖Fig.2 Equipments layout of dynamic testing,distribution ofCORS network,and thetrajectory of rover

4.3 用戶定位結果分析

圖3表示在船只行進過程中,采用基于非差觀測的網絡RTK方法,由兩臺 GNSS接收機逐歷元定位結果反算所得基線長度與實際基線長度的差值序列。從圖中可以看到,經過約9 min的初始化后,船尾兩臺接收機的寬巷模糊度均得到有效固定(其中船尾左側接收機耗時245 s,船尾右側接收機耗時475 s),此時利用2個流動站同步觀測所得定位結果可以計算得到厘米級精度的基線長。如圖3所示,在總共2 h 15 min的觀測時段中,除了最初的模糊度初始化過程,船尾左側和右側接收機還分別出現了一次為期218 s和192 s的模糊度未固定觀測時段,這可能是由于本文采用的模糊度固定算法尚不完善所致。結合表1的統計結果可知,所得基線長度的差值絕大部分優于5 cm,RMS僅為4.13 cm。由基線長度中誤差與用戶定位結果中誤差的轉換公式(1)可以得到,一旦模糊度有效固定后,用戶動態定位結果中誤差為±5.06 cm。由于以上數據處理過程中是對星間單差觀測值的寬巷模糊度進行固定,如能以此為基礎進一步固定L1模糊度,進而實現LC觀測值的星間單差模糊度固定,可以預期獲得用戶定位精度的進一步提升。通過以上對用戶定位結果的測試分析,驗證了如下結論:按照基于非差觀測的網絡RTK方法,可以得到與現有網絡RTK方法相一致的定位精度。

如圖2所示,對于本文選取的該組海上動態觀測算例,船只在總共2 h 15 min的航行過程中跨越了2個CORS三角子網。在本次試驗分析中,船只進入新的CORS子網時將自動切換所采用的模型改正信息,模型改正的切換點分別在圖2用圓點以及圖3用豎線條進行了標識,從圖3的基線長度差值計算結果可以發現,船尾左右兩側接收機的星間單差模糊度固定結果在進行誤差改正信息自動切換前后保持一致,并未出現常規網絡RTK方法在跨越不同CORS子網時因所選取主參考站變化而引起的模糊度重新初始化問題。這一測試結果進一步驗證了按照基于非差觀測的網絡RTK方法實現CORS跨網服務時算法上無縫銜接的可行性。

此外,基于該方法在非差模式下實現網絡RTK技術的特點,使區域網絡RTK與廣域精密定位技術的統一成為可能。

圖3 動態測站間定位結果與基線長精密測定值的差值(采樣間隔:1 s)Fig.3 Baseline measurement results of dynamic position(observation interval:1 s)

表1 基于非差觀測的網絡RTK方法定位基線長度差值精度統計Tab.1 Statistic of the accuracy of baseline length

5 結束語

在統一CORS網坐標基準,且暫不考慮網內數據通信和共享等問題的前提下,按照基于非差觀測的網絡 RTK方法,可將全國現有區域性CORS網有效地連接成一個整體,用戶的定位精度僅與所處的參考子網站間的距離相關,當用戶跨越CORS網內由不同參考站組成的子網甚至跨越不同CORS網時,該方法能有效避免因所選取的主參考站變化而引起的模糊度重新初始化,從而可以在算法上形成一套統一且無縫銜接的CORS網服務系統。此外,基于該方法在非差模式下實現網絡 RTK技術的特點,使區域網絡RTK與廣域精密定位技術的統一成為可能。

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(責任編輯:楊洪泉)

Method of Network RTK Based on Undifferenced Observation Corrections and Its Functional Realization in Cross-CORS Service

ZOU Xuan1,TANG Weiming1,GE Maorong2,LIU Jingnan1
1.GNSS Research Center,Wuhan University,129 Luoyu Road,Wuhan 430079,China;2.Helmholz Centre Potsdam,German Research Centre for Geosciences(GFZ),Telegrafenberg,14473 Potsdam,Germany

Method of Network RTK based on undifferenced observation corrections allows clients to gain rapid and precise positioning service in undifferenced processing mode equivalent to Network RTK by providing error corrections of each satellite.Compared with current Network RTK,the new method could efficiently solve problems of ambiguity re-initialization caused by selected main reference stations change under circumstances of cross reference sub-networks within the same CORS network,or even cross different CORS networks,thus providing continuous and reliable positioning results for clients during observing session,as well as seamless link of Cross-CORS service.In addition,based on the characteristics of realizing Network RTK technology under the undifferenced processing mode,this new method makes the unification of regional Network RTK and wide-area undifferenced precise positioning technology possible.Through serial analysis of a practical example,this paper testifies the consistency in positioning accuracy,and initializing time of this new method and the current Network RTK,together with the efficiency of this method to provide seamless link of different reference sub-network and Cross-CORS service.

GNSS;undifferenced observation corrections;network RTK;seamless link

ZOU Xuan(1982—),male,PhD,assistant reasearch fellow,majors in regional network RTK and wide area PPP.

P228

:A

國家自然科學基金(41004014;41004003);高等學校學科創新引智計劃(B07037);湖北省自然科學基金(2010CDA069)

1001-1595(2011)S-0001-05

2011-01-31

修回日期:2011-03-21

鄒璇(1982—),男,博士,助理研究員,主要從事區域網絡RTK和廣域精密定位技術的研究。

E-mail:supermanzx1982@sina.com