CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度檢測方法研究

尚飛艷，郭俊強，劉　錫，嚴地偉，魏　蘭

CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度檢測方法研究

尚飛艷，郭俊強，劉錫，嚴地偉，魏蘭

（61243部隊，甘肅 蘭州730020）

簡述了網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位的基本原理，對幾種常用定位精度測試方法進行了分析比較。以工程項目使用某市CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)為例，對該系統(tǒng)的定位精度進行了測試和評價分析。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該CORS網(wǎng)絡(luò)RTK較常規(guī)RTK技術(shù)而言，其導(dǎo)航定位的可靠性和精度更高，可滿足用戶需求。

CORS；網(wǎng)絡(luò)RTK；定位精度；檢測方法

網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)是由若干個固定的、連續(xù)運行的GPS參考站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，通過建立精確的誤差修正模型，實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動提供不同類型的GPS觀測值（載波相位，偽距）、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項目的系統(tǒng)［1］。同傳統(tǒng)RTK系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的有效作業(yè)范圍增大，定位精度以及可靠性得以提高，利用網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)可以開展全天候、多功能、多用途、應(yīng)用廣的服務(wù)，大大提高了空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的利用率。但是其流動站在定位時，受到許多不定因素的影響，在缺乏必要檢核條件時，對其定位精度的可靠性無法進行正確評估，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)在一些工程中的應(yīng)用受到制約［2］。本文將重點分析和比較網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度可靠性的檢驗方法，并結(jié)合某市CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的定位精度進行測試和評價分析。

1　網(wǎng)絡(luò)RTK定位基本原理

目前，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)算法主要有虛擬參考站技術(shù)（VRS）、主輔站技術(shù)（MAC）、區(qū)域改正數(shù)法FKP技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插技術(shù)（CBI）4種［3］。

網(wǎng)絡(luò)RTK的幾種算法都是根據(jù)流動站絕對定位的坐標發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，然后按照各自的模型進行內(nèi)插得到流動站的改正信息，并通過無線通信技術(shù)發(fā)送給流動用戶并進行差分。以虛擬參考站技術(shù)（VRS）為例，其定位基本原理如圖1所示。

流動站在工作前，先將概略坐標（NMEA0183格式）通過無線移動數(shù)據(jù)鏈路（如GSM/GPRS、CDMA）傳送給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心在流動站附近位置創(chuàng)建一個虛擬參考站（VRS），然后內(nèi)插得到虛擬參考站各項誤差影響的改正值，并以RTCM格式通過NTRIP協(xié)議發(fā)給流動站用戶；流動站用戶接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送來的虛擬參考站差分改正信息或虛擬觀測值，進行差分解算得到用戶cm級的定位結(jié)果［4］。

圖1　VRS工作原理圖

誤差模型優(yōu)化是網(wǎng)絡(luò)RTK定位的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是通過利用多個參考站的觀測數(shù)據(jù)對電離層、對流層等誤差模型進行優(yōu)化，降低甚至消除誤差。網(wǎng)絡(luò)RTK改正數(shù)計算是通過相位觀測值與改正數(shù)（差分數(shù)據(jù)）聯(lián)合計算，獲得高精度解算坐標，差分改正數(shù)包括電離層改正數(shù)、對流層改正數(shù)和軌道改正數(shù)。網(wǎng)絡(luò)中相位觀測值可由式（1）決定：

式中：λ為載波相位長；φ為載波相位觀測值；ρ為站星間幾何距離；I為電離層延遲；T為對流層偏差；O為衛(wèi)星軌道偏差；M為多路徑效應(yīng)誤差；ε為接收機噪聲；i、k為衛(wèi)星標號；△、△△分別為單差和雙差因子；A、V為主參考站及VRS標號［5］。

2　網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度測試方法

一個建成的網(wǎng)絡(luò)RTK是否能夠提供連續(xù)、動態(tài)和高精度的空間定位服務(wù)，是否滿足多類用戶實時定位以及事后數(shù)據(jù)處理高精度定位應(yīng)用需求，很大程度上取決于系統(tǒng)的定位精度。目前常用的檢驗方法有靜態(tài)已知點檢測方法、實時動態(tài)觀測值與后處理結(jié)果比較的檢測方法、反算基線長法、動態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測方法和固定基線長度相對檢測方法等。

2.1靜態(tài)已知點檢測法

該方法是當前網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度檢測中最常用也是最易實現(xiàn)的方法。一般通過在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)選擇具有代表性的、已知精確坐標的檢測點，將動態(tài)用戶接收機架設(shè)在已知點上進行實時定位并記錄結(jié)果文件，然后對實時定位結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到在檢測點上實時定位的內(nèi)、外符合精度。

內(nèi)符合精度用于評定網(wǎng)絡(luò)RTK定位的穩(wěn)定性程度，具體方法是計算每一測點所有測量值的算術(shù)平均值，再將該算術(shù)平均值與每一測量值求差，分析統(tǒng)計出各方向（X、Y、H）差值的分布情況，以反映系統(tǒng)實時定位的穩(wěn)定性和收斂性。其計算公式為：

其中：ν是測試點觀測值與其算術(shù)平均值的差值；n為觀測值總數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)RTK的外符合精度反映了系統(tǒng)定位的準確性和與己有坐標系成果一致性。具體方法是在己知測試點上，通過轉(zhuǎn)換參數(shù)實測得出當?shù)刈鴺讼迪碌淖鴺顺晒?，與該測試點的己知坐標成果相比較，即可得出在 （X、Y、H）方向上的外符合精度分布情況。外符合精度與已知點位精度、轉(zhuǎn)換參數(shù)精度、系統(tǒng)定位精度三者有關(guān)。其計算公式為：

式中：q檢測點的總數(shù)；△為檢測點實測值與已知坐標值的差值［6］。

該方法的優(yōu)點是統(tǒng)計方法簡單，易實現(xiàn)，在檢測點上能顯著地反映網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)實時定位精度；缺點是需要已知檢測點的精確坐標，如果在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)很難找到已知點或者坐標基準不統(tǒng)一，該方法就無法實施。

2.2與后處理結(jié)果比較法

與后處理結(jié)果比較法是選定某一檢測點，先進行靜態(tài)觀測，然后再進行實時動態(tài)觀測，把實時動態(tài)的定位結(jié)果與事后靜態(tài)數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果進行比較，以事后靜態(tài)數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果為真值，來確定實時動態(tài)定位結(jié)果的精度可靠性。該方法彌補了靜態(tài)已知點檢測法需要已知檢測點精確坐標的不足，在系統(tǒng)某些區(qū)域很難找到已知點的條件下，采用該方法進行系統(tǒng)定位精度檢測顯得非常有效。但事后數(shù)據(jù)處理的定位結(jié)果受觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和參考站坐標精確性影響。

2.3反算基線長法

反算基線長法主要是對通視的、相距不遠的兩點進行實時動態(tài)測量，利用實時動態(tài)的定位結(jié)果反算其基線長，然后與使用靜態(tài)測量得到的基線長或使用常規(guī)測量方法測得的距離進行比較，兩者的偏差在一定程度上反映出了系統(tǒng)的定位精度。

2.4動態(tài)規(guī)則幾何軌跡法

動態(tài)規(guī)則幾何軌跡法是將接收機沿著固定的、有規(guī)則的軌跡以一定的速度運動，比較用戶定位獲得的軌跡與實際軌跡之間的偏離值，衡量用戶定位精度。動態(tài)檢測的一種常用實現(xiàn)方法，如圖2所示。

圖2　動態(tài)規(guī)則幾何軌跡法

選擇一個很規(guī)則的矩形軌跡，測試時將接收機天線從A點出發(fā)沿著A-B-C-D的順序運動，在角點A、B、C、D做短暫的停留并記錄測量時間，這樣不僅能檢驗用戶接收機的運動軌跡偏差，而且還檢驗在特征點（A、B、C、D）的定位精度，結(jié)合二者可以反映用戶接收機的動態(tài)定位偏差。

由于GPS動態(tài)定位存在誤差，測出的運動點的位置可能會偏離直線，在一定程度上可以認為GPS動態(tài)定位的點到直線的距離越大，則表示精度越差。這種檢測方法靈活方便，很容易實現(xiàn)，比較適合做陸地動態(tài)測試［7］。

2.5固定基線長度相對檢測法

固定基線長度相對檢測方法是在一個運動載體上架設(shè)2個或2個以上用戶接收機來檢測其定位精度，將計算得到的相對關(guān)系與實際存在的相對關(guān)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。該方法適用于無固定檢測點覆蓋區(qū)域的定位精度檢測，如在網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)覆蓋的海域或湖泊上的船舶等運動載體上檢測其定位精度。由于該方法檢測點間存在固定的邊長相對關(guān)系，但沒有固定的坐標分量相對關(guān)系，因此該檢測方法存在不能顯著反映動態(tài)定位各方向分量上精度的缺點。

3　測試結(jié)果及分析

為驗證上述檢測方法的有效性，結(jié)合測量工程項目使用某市CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)，現(xiàn)給出上述3種定位精度檢測的結(jié)果及分析。

3.1采用靜態(tài)已知點法檢測結(jié)果及分析

測試中共選擇了31個已知點，這些點都是等級較高的控制點，觀測條件良好，有很好的代表性，點位均勻分布在網(wǎng)內(nèi)外，既有較高等級的GPS控制點，也是較低等級的城市導(dǎo)線控制點。目的是為了比較全面、準確地檢驗網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度，盡量減少測試點自身觀測條件對檢測結(jié)果的影響。測試點情況見表1。

表1　已知點等級及分布情況

內(nèi)符合精度檢測時，流動站在已知點上分別進行四次初始化，每次采集10個歷元，進行4個測回的觀測，坐標系統(tǒng)采用WGS-84，高程為大地高；外符合精度檢測時，求取了1980西安坐標系到2000國家大地坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。按照式（2）、式（3）分別計算出內(nèi)、外符合精度，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2　靜態(tài)已知點檢測法內(nèi)、外精度統(tǒng)計

從表2可看出，網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的內(nèi)符合精度比外符合精度要高，一般高1～2cm，水平方向整體優(yōu)于2cm，高于設(shè)計精度4cm；高程方向優(yōu)于4cm，高于設(shè)計精度5cm，表明了該網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)實時動態(tài)定位穩(wěn)定可靠。網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的外符合精度概率分布比較離散，分散分布在0～5cm之間，外符合精度水平方向整體優(yōu)于3cm，水平方向最大值為4.5cm，高程方向優(yōu)于5cm，說明了網(wǎng)絡(luò)RTK實時動態(tài)定位是準確的。

3.2采用后處理結(jié)果比較法檢測結(jié)果及分析

在網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)選取7個點，現(xiàn)進行GPS靜態(tài)測量，后進行實時動態(tài)測量，將實時動態(tài)測量結(jié)果與后處理計算結(jié)果進行比較。比較結(jié)果統(tǒng)計見表3。

從表3可看出，采用該方法進行檢測時，除測試點6坐標差值較大外，其余測試點實時定位精度較高，但均高于設(shè)計精度和作業(yè)規(guī)范規(guī)定的坐標較差小于5cm的要求［10］。

表3　與后處理結(jié)果比較精度統(tǒng)計

3.3采用反算基線長法檢測結(jié)果及分析

在網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)選取10個點，兩點之間相互通視。利用實時動態(tài)的定位結(jié)果反算出5條基線長，然后使用全站儀對5條邊進行距離測量，對二者的結(jié)果進行比較。比較結(jié)果統(tǒng)計見表4。

表4　與反算基線長比較結(jié)果統(tǒng)計

從表4看出，兩者的差值小于作業(yè)規(guī)范規(guī)定的邊長較差小于15mm的要求，也在一定程度上反映出了該網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)的實時定位精度。

4　結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度的檢測方法有多種。本文利用了常用的靜態(tài)已知點檢測法、與后處理結(jié)果比較法和反算基線長法三種檢測方法，對該市的CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度進行了檢測。檢測結(jié)果表明，該市的CORS網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)定位精度可靠性高，其技術(shù)指標達到了設(shè)計要求，可滿足大比例尺測圖、工程測量及其他等方面的應(yīng)用需求。值得注意的是，實際工作中應(yīng)綜合運用各種檢測方法，以便更全面、客觀地對其定位精度進行檢測，并確保定位精度的可靠性。

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