基于VRS的虛擬觀測值生成與質量評定＊

王 佩，楊 玲

（同濟大學測量與國土信息工程系，上海200092）

0 引 言

網絡差分定位技術是近年發展起來的一種GPS地面定位增強技術［1］，該技術有效地克服了常規載波相位差分定位存在的缺陷，使用戶能夠便捷地在較大空間范圍內獲得均勻、高精度和可靠的定位結果。在VRS的網絡差分系統中，移動站用戶上傳一個概略坐標，控制中心根據用戶位置自動選擇一組最佳包圍用戶站的固定參考站，利用觀測數據對整個區域內的電離層、對流層延遲進行建模，在用戶站附近模擬出一個虛擬參考站并生成該虛擬參考站的差分改正信息，隨后控制中心通過網絡將虛擬參考站的差分改正信息播發給移動站用戶。由此參考站與移動站構成了短基線解算，從而實現高精度快速差分定位［2－5］。

多參考站網絡差分定位可以概括為以下幾步:1）固定相對于主參考站的參考基線上的雙差模糊度；2）計算相對于主參考站的參考基線的軌道誤差、對流層延遲及電離層延遲；3）內插用戶概略位置處（稱為虛擬參考站）的軌道誤差、對流層延遲及電離層延遲；4）構建虛擬參考站觀測值并發送給用戶；5）進行虛擬參考站相對于用戶站的常規RTK 定位［6］。

1 VRS虛擬偽距觀測值的生成

VRS網絡參考基線上采用雙頻GPS接收機，至少由三個參考站組成。三個參考站構成一個三角形，虛擬參考站位于三角形內。對每個參考站每顆衛星，碼偽距觀測方程可表示為［6］

式中:Pim表示碼偽距觀測值；上標i是衛星標識，下標m為參考站標識；ρim為參考站m與衛星i間的距離，單位:m；cδtm為接收機鐘差；cδti為衛星鐘差；Tim為對流層延遲；Iim為電離層延遲。

利用各參考站的觀測數據內插計算空間相關誤差，根據參考站的星歷數據可算出虛擬參考站上的站星距，同時由解算單元內各參考站的數據可推導出虛擬參考站處的天頂對流層延遲，并利用各參考站Ll、L2波段觀測值的無電離層組合求出測站鐘差項，反算出用戶站基線上的電離層延遲［7］。用虛擬參考站處的站星距、大氣誤差項（電離層，對流層）替換式（1）中的相應項，可得到虛擬參考站處的原始偽距觀測值為

式中，衛星鐘差改正數可由星歷數據獲得，對流層延遲項可由解算單元內各參考站的數據推導出，電離層延遲項可根據參考站的電離層天頂延遲量和衛星高度角求得。由于在動態差分定位解算過程中，接收機鐘差是作為一項未知數來處理的，所以這里將其偏置為零。這時ˉPim，v為已知值，則虛擬參考站處的歷元偽距觀測值如下［8］

2 VRS虛擬相位觀測值的生成

虛擬站處的相位觀測方程可表示如下

式中:λφim為非差觀測值；Nim為載波相位觀測值模糊度，單位是周；εLim為載波相位觀測值測量誤差，其余同上。

實際應用中，VRS網絡中的參數估計僅可獲取基線上的雙差模糊度與雙差距離相關誤差，無法獲得精確的非差距離相關誤差，因此，實際構造虛擬觀測值時需要建立非差觀測值與雙差觀測值之間的等價關系。VRS網絡如圖1所示，A為主參考站，根據用戶發送的概略坐標生成的虛擬參考站在V處。由雙差觀測方程為

圖1 基準站網形圖

可得基線AB與AC的空間綜合誤差改正項［4］

式中:Δ▽φ為基線雙差觀測值；Δ▽N為雙差模糊度；Δ▽ρ為雙差距離值；U為空間綜合相關誤差。

利用衛星坐標和參考站坐標可得Δ▽ρ，再根據VRS網絡解算出Δ▽N，從而確定UijAB和UijAC的值，根據網絡內插模型內插出AV基線上的空間誤差改正項UijAV，利用該改正項改正測站A處的觀測值，并生成虛擬觀測值，再將該虛擬觀測值發送給流動站用戶，從而使得流動站用戶可以應用已有的GPS單點定位算法進行定位。

3 實驗分析

3．1 虛擬偽距觀測值質量評定

本實驗網絡基于“上海市GPS基準站觀測網絡”，選取CMMZ，SHQP，SHJD，SHBS四個站，間距如表1所示，基線長度單位為km．數據采集時間為2010年4月1日上午8點，采樣間隔10s，選取2400個歷元。

表1 基準站間距

為了評定虛擬偽距觀測值的質量，利用單站A對U站的偽距觀測值進行模擬并與U站處實際觀測值比較，兩者差值如圖2所示；其次利用A、B、C三站數據綜合模擬U站的偽距觀測值，該虛擬值與真值比較結果如圖3所示。

比較圖2和圖3可以看出，僅利用單站虛擬出的碼相位與實測值差異較大，峰值可達3m，并不能滿足高精度定位的要求；相較而言三個參考站綜合模擬出的U站偽距觀測值與其實際觀測值差異較小，絕大多數在±1．5m以內，效果較為理想。上述實驗結果表明:利用三角網各站數據綜合模擬出的網內某一點處的觀測值質量明顯高于僅根據單站數據模擬的質量，說明了多參考站模擬算法可有效提高模擬精度。

3．2 虛擬相位觀測值質量評定

虛擬相位觀測值的實驗網絡同上，實驗數據增至24h，選擇測站A作為主參考站，首先解算基線AB、AC上的雙差模糊度，計算兩條基線的空間相關誤差，并依據測站U的概略坐標（精確到100m）線性內插其虛擬參考站與主參考站A組成的基線上的空間相關誤差，構建出虛擬觀測值，并進行常規定位。由于測站U的精確坐標已知，所以估計值與其真值的差異即可表明虛擬參考站的實際定位精度，結果如圖4所示。

圖4 定位誤差

圖4 顯示，24小時的數據，定位誤差最大值小于8cm，且x，y方向定位精度明顯優于z方向。

精確求得虛擬參考站處的對流層和電離層延遲后，即可求出虛擬參考站的載波相位觀測值，虛擬觀測值最終用于移動站用戶定位解算，其實質是解算該基線上的雙差整周模糊度［9］。通過計算基線模糊度來評定虛擬載波相位觀測值的質量，如表2所示。

表2 虛擬載波相位觀測值分別固定基站、移動站模糊度解算對比

移動站模糊度未能全部解出的主要原因為采用通用的模糊度方法無法獲得高質量的模糊度解算，一般移動站動態解算都要求采用專門的模糊度解算方法。以上實驗說明所獲取的虛擬相位觀測值能夠有效地實現模糊度解算，證明了關于虛擬觀測值建模方法的可行性。

4 結 論

研究了如何生成虛擬觀測值，并通過相關實驗分析證實:如何生成高精度的虛擬參考站的原始觀測值是網絡差分技術的關鍵，利用上海GPS基準站觀測網絡的觀測數據，建立了偽距和載波相位虛擬觀測值的生成模型，實驗結果表明:模型有效減少了碼相位觀測噪聲和多路徑效應對定位精度的影響，從而提高了模糊度解算的可靠性，這表明虛擬觀測值較好地模擬了其真值，驗證了所述虛擬觀測值生成算法的可靠性。

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［6］ 楊 玲．網絡RTK基準站參數解算［D］．上海:同濟大學，2010．

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