广域GNSS网络的定位

摘要：基于位置服务的全球导航卫星系统定位已经彻底改变了位置数据收集的方式。全球定位系统（GPS）是全球导航卫星系统（GNSS）的一个主要组成部分，它是基于卫星的无线电导航系统，可以为用户提供点的位置和时间信息。GPS的定位精度可以通过差分GPS 的技术（DGPS）得到改善，众所周知，这种技术能够提供最准确的定位结果。差分校正可以应用在实时数据收集阶段或者在后续的数据处理阶段。DGPS技术通常在静态或者动态GPS测量中进行定位。在静态GPS测量中，一个接收机被放置在一个已知坐标上，而其其他的接受机则放在需要测量的未知点上。在动态测量中，一个接收机放置在一个已知点上（基站），其他接收机在项目区进行逐点测量。人们形容GPS动态测量点位坐标的速度像飞一样，并把它称为RTK技术。RTK测量在许多应用中提供需要的点位信息。基于广域GNSS网络定位技术是以DGPS和RTK技术为基础。在一定区域内，一定数量的GPS接收机所观测到的数据通过网络传输给中央服务器（网络服务器），并且经过处理后提供给网络用户，或者实时通过无线电、卫星、无线通讯等技术发送给用户。本文讲述了广域GNSS网络的概念和应用。关键词：广域GNSS网络虚拟参考站（VRS）

1概述

当GPS接收机能够同时接收到4颗卫星时，利用三角测量法可以估算出GPS接收机位置的三维坐标和时钟误差。三角测量法是一种用来确定一个点的位置的方法，它是具使用了基于距离测量的几何形状的球体几何方法。从广播星历可以获取每颗卫星的位置和速度矢量。从国际GPS服务（IGS）中可以获得许多精密星历。我们可以通过观测其他卫星或者观测同一个卫星的不同时段来对定位精度进行改善。从伪距和相位可以得到接收机到卫星的距离。伪距指的是接收机天线和卫星的距离，它是根据发射和接收的时间来确定的。距离可以由光速乘以总行程时间。总行程时间可以由伴随着码元的伪随机噪声来得到。另一方面，也可以用总的波数乘以载波的波长。相位观测值是接收波和内部接收机振荡器之间相位差的小数部分。从卫星天线确定的一定数量的载波的整数部分被称为整周模糊度，它仍是未知的，需要我们解决的。现在的关键问题是要在动态GPS测量中达到更高的精度。通常的接收机都能够利用码元和相位来进行测量。一个典型的单频GPS接收机（非大地级）可以估算的用户的位置误差在12米之内，这个精度在一些情况下达不到要求。实际上，GPS定位可以达到亚厘米级的精度。许多因素都会影响GPS定位的精度，例如轨道误差，卫星和接收机的钟差，型号传播的误差，测量噪声卫星几何的措施，对流层延迟，电离层延迟，多路径效应等。

众所周知，差分GPS（DGPS）技术能够使GPS定位结果得到差分改正，因此，利用DGPS技术能够大大改善GPS的定位精度。差分校正可以应用在实时数据收集阶段或者在后续的数据处理阶段。差分GPS（DGPS）的简单设置涉及到两个接收机：一个被称为基地或参考站（其坐标已知，方差和协方差与相关合作），另一个称为流动站（静止或移动的同时，要确定其坐标）。当两个接收器相对于相同的一组卫星进行差分观测收集数据时，可以消除常见的误差，如时钟同步误差和大气延迟。DGPS提供的坐标是相对于由于差分参考站的，也就是说，坐标是由基准站接收机位置的相对位移矢量的3D坐标组成。此外，随着基准站和流动站的位置增加，同时跟踪的卫星的数量减少，在基线两端的大气条件开始相关联。其结果是，差分再也不能消除，因为它会在较短的基线的情况下尽可能

多掺杂的大气误差。因此，接收机位置的精度取决于参考站的坐标和基线长度。在基站和要测量的点位之间的基线的长度会影响定位精度，其公式如下： DGPS 定位精度=±[0.5厘米+1 ppm的基线长度] 这表明，差分全球定位系统主要是依赖于基线的长度。这种限制可以解决使用短基线问题或建立一个所谓的虚拟参考站（VRS）。VRS的概念将在后文提及。DGPS虽然减少了大气误差，星历误差，卫星钟差，但是它不减少由于卫星几何测量，多路径，或接收机带来的误差。然而，全世界的政府和非政府组织以定位和导航目的建立基于DGPS技术的网点。这些DGPS网点不管是被用作定位还是导航，它们都被称为广域GNSS网络。通过接收机网络位置服务技术，一个具有GNSS网络功能的GPS接收机的位置可以被估算出来。这种技术被用来支持美国联邦通信委员会的增强型911公共安全位置服务的要求，也就是俗称为E911。DGPS定位的目的一般是用于通过静态或动态GPS测量。在静态GPS测量中，一个接收机被放置在一个已知坐标上，而其其他的接受机则放在需要测量的未知点上。在动态测量中，一个接收机放置在一个已知点上（基站），其他接收机在项目区进行逐点测量。人们形容GPS动态测量点位坐标的速度像飞一样，并把它称为RTK技术。与静态的GPS测量不同，RTK测量往往适用于精确的控制测量，通常为在许多工程应用提供实时的定位服务，如建立项目控制点，建筑布局，地形测绘，竣工测量等。RTK测量中需要同时获得参考站的信息和远程接收器（L1/L2）和双频率GPS观测值进行载波相位整周模糊度的测量。利用RTK进行工程测量师，一个固定的解决方案是必不可少的。通常在一个已知点上进行RTK测量，但是大多数GPS系统采用动态初始化技术，它采用的是L2频率。在这种情况下，流动站可以不需要静态初始化就可以完成初始化并且解决整周计数问题。OTF能力的优势是，如果接收机锁定了一个信号不好的卫星，在流动站中，初始化不会找过30秒。这就是通讯链路需要两个接收机以获得流动站实时坐标的原因。这种通讯链路可以通过无线电、移动电话或者卫星来正常建立。作为一个典型的DGPS方法，RTK测量常见的问题是大气误差随着基线长度的增加而增加。这是一个大问题，因为在传统的RTK网络的密集网络参考站中须维持一个较短的基线长度。然而在现在，这个问题在广域GNSS网络中已经不复存在，因为网络GPS数据被发送到服务器，服务器对数据进行处理，计算误差，然后将误差发送给流动站，这样就能提供更完善的网络服务。

2.广域GNSS网络概念

广域GNSS网络定位是基于DGPS和RTK概念的。在一定区域内，从GPS 接收机获得的观测数据被发送到一个中央服务器（网络服务器）上，经过处理后通过无线电、卫星或者无线网络发送给已经付费的用户。如果用户能够实时接收GPS修正值，那么它所在的广域网络也将被用户在实时网络中发现。中央服务器计算GPS网络中的轨道、时钟和大气误差，并将改正数实时或者稍后发送给用户。在主站和网络接收机之间的无线通讯需要清晰的视线和较短的基线长度，然而并不是每个GPS测量都能保证这种条件。无线通讯的这个问题激发了无线通讯的新方法。在实时测量中，根据基线的长度，在广域网络内目标点的水平精度在5—10厘米之间，垂直精度在15—20厘米之间。一个RTN的只要目的是在满足用户精度要求的前提下，连续提供定位或者导航服务。在RTN中，用户的位置精度是一个和众多变量有关的量，与其相关的变量包括站间距（基线长度）、