虚拟参考站系统的设计与建立

第27卷第2期

2004年4月

现　代　测　绘

Modern Surveying and Mapping

Vol.27,No.2

Apr.2004

虚拟参考站系统的设计与建立

唐文刚1,王建辉2,金元德3

(1苏州工业园区测绘中心,江苏苏州215021;2苏州市测绘院有限责任公司,江苏苏州215006;

3

苏州市土地交易中心,江苏苏州215006)

摘　要　本文介绍了VRS 的基本概念,传统RT K 技术的局限性及VRS 的优点,详细描述了虚拟参考站系统的组成和结构设计,希望能为今后类似系统的建立和设计提供一定参考。关键词　GPS 参考站　虚拟参考站　系统　数据

中图分类号:P228.4 文献标识码:A 文章编号:1672-4097(2004)02-0013-03

1　引　言

高精度的GPS 实时差分定位R T K 技术是目前最广泛使用的测量技术之一。但是,它的应用受到了电离层和对流层影响的限制,这些影响在原始数据中产生了系统性的误差。实践中,这意味着移动站接收机和参考站之间的距离不得不减小许多,以保证系统有效地工作。

虚拟参考站技术为远距离测量提供了新的契机。使用该技术时,参考站数据中的系统误差被减少或消除,这样,不仅意味着用户可以增加移动站和参考站之间的距离,也增强了系统的可靠性,并减少了O TF 初始化的时间。此项技术不仅仅用于新建网络,同时也可以改善已有、已建网络的性能。

2　虚拟参考站的概念

“虚拟参考站”

(VRS )简单的说是一个基于连续运营的GPS 参考站系统。它是一种网络R T K 技术,由均匀(或非均匀)分布的3个或3个以上的GPS 参考站组成,通过有线或无线通信方式与控制中心的控制软件连接,经数据处理中心对原始观测数据综合处理后,建立相应的空间定位信息数据库,并由信息发播系统向外发布,为移动站提供精确的位置修正数据,进行高精度、高速度、实时动态的定位和导航服务。

VRS 的概念并不是简单的将单参考站技术推广为更长基线的应用。任意3个相临的参考站构成三角形形状,在每个三角形所覆盖的面积内,利用三个参考站的数据来测量和控制变化的误差源,例如,大气条件和卫星轨道误差。这种方法所达到的效果类似于移动站附近建立实际的参考站,为移动站提供差分修正数据。

首先,GPS 移动站向运行GPS 2Network 软件的

控制中心发送它的概略位置,具体的方式是用移动

电话链路(如GSM 等)发送标准的NM EA 位置信息。控制中心接收此信息并进行误差计算重新向移动站发送改正过的R TCM 信息。这种为一个虚拟的,没有实际架设过的参考站创建原始参考数据的技术,我们称之为“虚拟参考站概念”。图1是VRS 系统数据流程示意图。

图1　VRS 系统数据流示意图

3　系统组成

VRS 系统以GPS 观测技术和美国Trimble 公

司的数据监控处理软件为主体,附加通信传输设备,

构成可以连续运行的卫星定位导航系统。它可以满足基础测绘、国土规划、土地管理、工程建设、形变监测、交通监控、港口管理、公共安全等方面对定位及导航服务的需要。系统主要包括五个部分:即控制

中心(Control Center)、参考站子系统(Reference Sta2 tion)、用户应用子系统(User Application)、数据通信子系统(DataCommunication)、数据发播子系统(Da2 ta Transmission)。

3.1　控制中心子系统

每个装配接收机,天线,不间断电源设备,调制解调器或网络设备的参考站都要和数据控制中心连接,而控制中心运行GPSNet软件的计算机则是整个VRS系统的神经中枢,它负责连接网络中所有的GPS接收机,进行数据处理、分析、差分及R T K修正数据计算,进行数据分发数据管理,系统可靠性、安全性管理等。主要执行几个任务:(1)保持控制中心与参考站以及控制中心与移动站之间数据通信的畅通;(2)导入原始数据和进行质量检查;(3)存储RIN EX和压缩RIN EX数据;(4)改正天线相位中心(IGS模式);(5)系统误差的模型化及估算;

(6)产生数据,为移动站接收机创建虚拟参考站位置;(7)产生移动站所在位置上的R T K改正数据流;(8)发送R T K改正数据到野外的移动站。

此外,GPSNet还包括一个Internet Web服务器备选件,可以非常方便地管理和发布所有已存档的RINEX观测值,导航信息,气象信息和年历文件。

R T K数据流将以R TCM或者Trimble CMR格式传播。GPS—Network将使用这些参数重新计算所有GPS数据、内插到与移动站相匹配的位置,此移动站可以位于网络中任何地点。这样,R T K的系统误差就被相应地消除掉。

控制中心包括以下主要设备:计算机及相关的网络设备,电源保障设备,数据传输发送设备、数据输出设备。

3.2　参考站子系统

参考站子系统包括主要进行卫星定位数据跟踪、采集及传输,进行系统可靠性监测。参考站子系统一般包括3个或3个以上的参考站,各参考站位置的设置,要根据城市面积和地形的不同,经过周密充分的论证,既要考虑参考站周围环境对GPS接收机的影响,又要兼顾城市未来的发展。尽量做到布站均匀,相邻站间距离不应大于50～70Km。每个参考站包括的主要设备有:GPS卫星接收机,电源保障设备(U PS),工控计算机。其中,参考站计算机运行GPSBbase软件,进行本地数据的存储、增强接收机控制以及附加传感器的数据采集。

3.3　用户应用子系统

用户应用子系统的作用是按照不同的用户需求,进行不同精度的定位。一般包括专用GPS接收机,专用的数据解码设备,以及相关的数据处理软件,分别适用于D GPS,WAD GPS,R T K,PPS等。

用户硬件系统:用户收到的信号是加密了的信号,通过用户ID码识别,加密释放。这可以通过特别或特许的用户定位导航信号接收机来实现。

用户的软件系统:用户子系统软件是根据不同的需要而设计的例如:网络型RTK定位软件,事后和快速精密定位软件,RTK工程应用类软件,变形分析软件,自主式电子地图软件及监控型电子地图软件。3.4　数据通信子系统

数据通信子系统负责参考站与控制中心之间的数据通信,将参考站GPS观测数据传输至控制中心,为GPSNet软件提供数据源。根据通信链路的不同(例如,模拟电话线,ISDN,DDN,无线扩频等),该系统可以配备不同的通信设备,一般包括有线或无线modem、DDN专线、无线扩频放大器、定向或全向天线。为保证数据传输的实时性及安全性,应提供互为备份的两套传输方案。

3.5　数据发播子系统

负责把GPS/WAD GPS,R T K改正数据等通过有线或无线网络发送给用户,相关设备有网络通信计算机,FM编码机,U HF/V HF发射机,GSM移动电话等。发播方式有因特网、无线电、移动电话、FM 载波等。

因特网:主要用于快速和事后精密定位、精密定时的用户的数据发送。

U HF/V HF电台:在市内用户密度高的地区。直接在参考站上安装电台,发送R T K定位数据,实现局部地区的R T K定位。

GSM移动电话:是监控中心把定位及导航数据传输至用户的有效渠道之一。用户通过GSM移动电话获取定位数据,实现实时、准实时定位。

4　VRS与标准RTK性能比较

4.1　网络测试

图2是一个测试的GPS网络,该测试网络主要是为了区分标准PT K与采用了虚拟参考站数据的R T K的性能差别,该网是德国巴伐利亚州的土地测量主管当局的BLVA网络的一部分,网络由7个参考站组成,每站都有一个双频GPS接收机并由数据专线连接到同一个天线上,保证R T K处理器接收的是相同的GPS接收机数据,和来自不同参考站的R TCM数据,接收的数据一类是带有改正的虚拟数据,另一类是不带改正数的数据。四台Trimble 5700接收机同时开机,连续40小时进行观测。测试结果如图3所示:

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