第04章 网络RTK技术和后差分解算技术.docx
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第04章网络RTK技术和后差分解算技术
第04章网络RTK技术和后差分解算技术
导言
4.1网络RTK概述
网络RTK是CORS系统产生的原因和最主要的使用之一。
目前，我国大多数CORS均由测绘部门或国土部门承建，其主要目的就是进行网络RTK作业，用于测量和测绘工作。
网络RTK从最早的单站载波相位差分发展到今天采用多站进行差分解算，但是各地的CORS不是采用统一的解算方式，目前世界上有多种网络RTK解算技术，其解算的理论基础和方法都不相同，主流的网络RTK差分解算方法包括五种。
下面分别介绍五种网络RTK差分解算方法。
4.1.1网络RTK概念
依靠网络将参考站连接到计算中心，联合若干参考站数据解算或消除电离层、对流层等影响，以提高RTK定位可靠性和精度的方法
.特点
●从RTK的点到参考站覆盖的区域（面）
●资源共享：
参考站共享，数据共享……
●用户界面：
统一，可控
4.1.2基本原理
1.目标：
减少或消除误差的影响
●电离层延迟：
建立区域电离层模型或通过误差内插进行消除。
对流层延迟：
模型消除或误差内插消除。
●卫星轨道和钟差：
可利用精密星历消除。
2.常规RTK和网络RTK的比较
●精度比较
●可靠性和可用性的比较
4.1.3网络RTK的关键技术
1.利用多个参考站观测数据对电离层、对流层、观测误差的误差模型进行优化。
2.多个参考站已知坐标和观测数据快速确定某类整周模糊度值，然后进一步确定误差模型的精细结构。
3.利用上述误差模型和整周模糊度寻找确定流动站的误差修正的算法。
4.利用修正后的流动站观测值和参考站坐标固定流动站整周模糊度。
5.快速、实时性解算技术，结果精度和可靠性的检验。
4.2主流网络RTK技术
4.2.1VRS技术
VRS（VirtualReferenceStations）技术，全称虚拟参考站技术，是由HerbertLandau（兰道）博士提出的基于VRS（VirtualReferenceSystem）理论的虚拟参考站系统，并由Spectra/Terrasat公司推向市场的模型。
TrimbleVRS系统是一个集GPS硬件、软件和网络通讯技术于一体新型系统。
虚拟参考站技术是利用布设在地面上的多个参考站组成GPS连续运行参考站网络（CORS），综合利用各参考站的卫星观测数据，通过软件处理建立精确的误差模型来修正相关误差。
移动用户在工作前，先通过GPRS或CDMA等通讯手段向控制中心发送一个概略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定参考站，根据这些参考站发来的信息，服务端收到流动站请求后在其附近产生一个物理上并不存在的虚拟参考站（VRS）。
虚拟参考站通过流动站用户接收机的单点定位解来确定，所以和流动站组成的基线一般只有十几米。
流动站接收VRS平台发布的RTCM差分改正数后，就能得到厘米级精度的坐标解。
1．VRS算法特点
●VRS修正区分误差和观测值修正，分别估计电离层、对流层模型，可能和不同类型仪器流动站所使用的模型相冲突；
●对于连续RTK，流动站不知道真实参考站的坐标，只知道“移动的”虚拟参考站的坐标。
●一般情况下，流动站需要通过NMEA格式把它的点位信息发送给中央控制站，如果需要借助于GSM等类型的双向数据通讯装置，流动站个数受限制
●误差估计基于基线解
●采用距离最近的三个参考站采集的同步观测值进行差分处理，每个三角形产生一组区域改正参数
●模型建立在单站的基础上，结合所在三角形的信息在流动站点位上生成一个“虚拟参考站”
●VRS数据能够通过正常的RTCM信息发送给流动站
2．VRS工作原理和流程
（1）各个参考站通过Internet连续不断地向数据控制中心传输GPS卫星观测数据；
（2）控制中心实时在线解算网内各基线的载波相位整周模糊度值和建立误差模型；
（3）流动站将单点定位/或DGPS确定的位置坐标（NMEA格式），通过无线移动数据链路（如GSM/GPRS、CDMA）传送给数据控制中心，控制中心在流动站附近位置创建一个虚拟参考站，通过内插得到虚拟参考站各误差源影响的改正值，并以RTCM格式通过NTRIP协议发给流动站用户；
（4）流动站和虚拟参考站构成短基线。
流动站接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值，进行差分解算得到用户厘米级的定位成果。
VRS技术是目前全球普及范围最广的网络RTK差分解算技术。
其工作基本原理见图3.1所示。
。
图4.1VRS工作原理图
VRS算法的优势在于允许服务器使用整个网络的信息来计算电离层和对流层的复杂模型，在于一旦完成了数据的完整性检测，中央服务器就通过双差观测计算电离层、对流层和星历误差。
这样该区域内的误差模型化，可以明显地剔除常规RTK下的系统误差。
VRS一个有争议的劣势是它在支持流动站进行动态使用方面有局限性，特别是在大型网络内在运动中进行拨号服务时段内。
因为在VRS中，修正信息是在拨号时对初始的流动站位置进行优化而得到的，如果流动站在拨号后位置已经移动了，则这种修正对流动站的新位置不一定合适。
虽然这种效果仅影响长距离运动的流动站（几公里），但通过采用附加的信息，流动站也能在这种情况下工作。
目前采用VRS解算方法的软件有Trimble公司的GPSNet和Topcon公司的TopNet。
4.2.2MAX/MAC技术
副站技术（MAX）是由瑞士徕卡测量系统有限公司基于"主副站概念"推出的新一代参考站技术。
主副站技术是基于最新多基站、多系统、多频（L1,L2,L5）和多信号非差分处理算法，是从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关的，代表整周未知数水平的观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数据播发给流动站；它本质上是区域改正数（FKP）的一种优化，选择距流动站最近的一个有效参考站作为主站，一定半径范围内至少二个其他有效的参考站作为副站，主站和副站自动组成一个单元进行网解，发送主站差分改正数和副站和主站改正数的差值给流动站，对流动站进行加权改正，最后得到精确坐标。
主副站技术的基本概念就是从参考站网以高度压缩的形式，将所有相关的，代表整周未知数水平的观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数据播发给流动站。
它是RTCM3.0版网络RTK信息的基础。
为了降低参考站网系统网络中数据的播发量，主副站方法发送其中一个参考站作为主参考站的全部改正数及坐标信息，对于网络（子网络）中所有其它台站，即所谓辅参考站，播发的是相对于主参考站的差分改正数及坐标差。
主站和每一个辅站之间的差分信息从数量上来说要少得多，而且，能够以较少数量的比特来表达这些信息。
差分改正信息可以被流动站简单地用于内插用户所在点位的误差，或重建网络（或子网络）中所有参考站的完整改正数信息。
因此，主副站概念完全支持单向的数据通信，而且不会影响流动站的定位性能。
播发数据所需的带宽可以进一步被减少，具体方法就是通过分解改正数为两个部分：
弥散性的和非弥散性的。
弥散性的误差是直接相应于信号的频率，而非弥散性的误差则对所有的频率来说都是相同的。
主辅站的原理见图3.2所示。
主副站技术是全球CORS采用第二多的网络RTK解算方式，主要的主副站解算技术的软件包括Leica公司的SpiderNet和Topcon公司的TopNet。
图4.2主辅站技术原理图
4.2.3FKP技术
FKP技术是由GEO++公司GerhardWuebenna博士提出的全网整体解算模型，这是一种动态模型。
它要求所有参考站将每一个瞬时采集的未经差分处理的同步观测值实时传回数据处理中心，通过数据处理中心实时处理，产生一个称为FKP的空间误差改正参数，然后将这些参数通过扩展信息发送给服务区内的所有流动站进行空间位置解算。
系统传输的FKP能够比较理想的支持流动站的使用软件，但是流动站必须知道相关的数学模型，才能利用FKP参数生成相应的改正数。
为了获取瞬时解算结果，每个流动站需要借助一个被称为Adv盒的外部装置内置解译软件，配合流动站接收机实现作业。
由于采用FKP算法的用户需要附加解译设备，所以FKP解算的保密性非常好，但是使用比较复杂，对用户流动站要求高，因此普及率很低，目前全世界只有极少数地区采用FKP技术进行差分解算。
4.2.4综合内插技术（CBI）
综合内插技术是武汉大学提出的CORS系统建设技术，CBI技术的特点是利用卫星定位误差的相关性计算各基准站上的综合误差，并发送到用户，用户根据此误差和自己位置内插出用户的综合误差，系统中心和用户只需要单向通信，同时用户需要增加解码设备。
这种解算方法简单可靠，性能稳定，单向通信可以实现解算，可以采用电波发送的方式，但是需要用户端有解算设备。
目前这种技术还处于评估阶段，未大规模推广。
4.2.5联合单站RTK技术
联合单参考站差分解算原理和普通RTK载波相位差分解算原理完全一样，但是联合单参考站作业时，用户将概率坐标发送到数据中心，数据中心通过概率选用最近的参考站，并将最近参考站的差分数据发送给用户，即以最近的参考站为基准站进行载波相位差分测量。
采用该方法进行RTK测量，由于没有受到诸如电波受距离、地形和环境等因素的影响，故实现了较长距离的RTK。
但由于只采用一个参考站进行差分解算，单参考站的解算精度和系统可靠性不及多参考站联合解算的网络RTK，但是单参考站CORS也有其自身的优势，如建设费用、管理成本较低，建站要求不高，可以随时升级扩展、施工周期短等。
随着CORS技术的越来越成熟，联合采用单参考站进行解算的方式越来越少，一般只在县一级或者某个小区域范围内采用。
4.3几种网络RTK技术之算法比较
根据几种网络RTK算法的技术特点，我们对几种算法作一个比较，见表3.1所示：
表4.1网络RTK算法技术对比表
VRS
MAC/MAX
FKP
联合单参考站
解算精度
高
高
高
一般
解算稳定性
高
高
非常高
一般
可靠性
高
高
非常高
一般
兼容性
高
高
低
很高
最少基站数
3
3
3
1
保密性
高
一般
很高
低
建设经费
高
高
一般
较低
普及率
高
一般
低
很高
注：
综合内插技术（CBI）还未普及使用，因此这里不做对比。
4.4网络RTD
4.4.1RTD基本特点
网络RTD（RealTimeDGPS），即实时差分GPS，是CORS系统提供的除网络RTK外的另一项主要功能，网络RTD于网络RTK有较大区别，主要体现在以下几个方面：
（1）定位精度为亚米级精度；
（2）流动站设备小，不需要双频GPS接收天线,一般采用手持GPS接收机可以实现，但是网络RTK设备也有RTD功能；
（3）定位速度快，基本不需要等待，可以进行连续动态测量。
由此可见，网络RTD和网络RTK作用和侧重点不同，RTD一般情况下不用于精密测量工作，主要用于地理信息调查、更新工作以及和地理方位相关但是精度要求不高的工作，如环境调查、海岸线和海洋测量、地质勘察等。
采用RTD的工作手簿最大的优点是可以实现内外业一体化。
4.4.2RTD定位原理
目前采用的RTD解算在一般情况下都是指实时伪距相位差分。
实时伪距相位差分根据解算参考站数量和覆盖地区大小可以分为单站RTD、多站局部区域RTD和广域RTD。
我国尚未建成全国性的CORS，因此目前国内CORS提供的RTD服务都是前两种。
系统一般可以根据RTD流动站和参考站距离和网络组网情况选择解算方式。
下面分别介绍单站和多站的RTD
（1）单站差分RTD
单站差分数学模型比较简单，即用户的伪距观测值加上距离改正数，然后按照普通方法进行单点定位即可。
已知参考站坐标是（
）和测出的各卫星的地心坐标（
），然后求出每颗卫星准确时刻到基站的距离
=
其伪距
，则伪距改正数为
其变化率为
基准站将
和
发送给用户，用户在测出的伪距
上加改正，求出经改正后的伪距：
并按以下公式解算坐标：
其中
为钟差，
为接收机噪声。
单站伪距差分的优点是基站提供所有卫星改正数而用户接收机观测任意4颗卫星就可以完成定位。
单站伪距差分的缺点是差分精度随基准站到用户的距离增大而降低。
（2）多站区域RTD系统
由于单站伪距差分精度随基准站到用户距离增大而降低，因此CORS出现后，出现了具有多个基准站联合改正的区域RTD服务，在该范围内，用户可以根据多个基准站所提供的改正信息经平差计算后实时求出自己的改正数。
多基站RTD的数学模型算法主要有加权平均法、偏导数法和最小方差法，由于数学模型比较复杂，这里不再进行讨论。
多站RTD技术有多个参考站而且顾及了位置对差分信息改正数的影响，因此系统可靠性和定位精度都有了很大的提高。
当一个基准站出现故障时，整个系统仍能维持运行。
同时用户通过对来自不同基准站的改正信息进行相互比较，通常可以识别并剔除误码等参考站错误信息。
目前全国最大的RTD系统是中国海监局建立的RBN-DGPS海事差分系统。
该系统由分布在中国沿海的20个永久性差分站组成，基本覆盖沿海地区。
但是该系统是以广播的方式播发差分信息，且只能以单站的方式为用户提供解算后的伪距差分信息。
4.4.3RTD流动站
RTD流动站一般采用带通讯功能的GPS手簿或可以接收电台广播的DGPS接收机。
前者可以接收多基站差分信息实现区域多基站RTD，而后者一般只能接收单站广播信息。
RTD流动站除定位功能外一般都还有信息记录功能或和其他设备连接进行数据传输记录等功能。
RTD作业方法将在第13章讲解。
4.5事后差分
4.5.1后差分特点
后差分原理和实时差分原理基本一样，都是采用差分GPS的基本算法，但是和实时差分相比，GPS后差分有以下特点：
（1）数据为非实时的，解算定位时间由作业方确定；
后差分不能实时获得坐标数据，需要将观测数据和CORS基准站数据进行联合解算后获得，即获得的测量坐标时间在测量作业之后，故获得准确坐标的时间由作业者按照工程要求确定。
（2）需要人工通过软件解算，对解算人员有较高的技术要求；
GPS数据后差分解算需要专门的技术人员采用专用的后差分软件进行解算。
解算技术人员必须经过专业培训，并具备GPS测量基本知识，同时解算软件必须是行业内成熟的软件。
（3）解算精度不确定，受作业方法、解算方法和数据质量影响较大
后差分解算的精度是不确定的。
影响解算后差分解算精度的原因很多，如流动站观测时间、观测环境导致的观测数据质量原因，同时用于解算的软件和解算技术人员的水平也影响后差分解算的精度。
但是不同的工程使用所需的精度不一样，因此解算精度不一定是越高越好，因为解算精度要求越高，对流动站作业要求越高，同时解算的时间越长。
（4）观测站数据和基准站数据有足够的相同历元
从GPS差分解算的基本理论和数学模型我们可以看出要解算出流动站的坐标需要和参考站有相同的观测时间，即历元。
参考站的数据采集最短频率一般为一秒，因此GPS流动站观测时间至少大于1秒，但是一般在一定时间范围内，观测时间越长，相对精度越高。
（5）需要参考站基准
测绘基准是差分解算的基础，因此进行后差分解算时需要使用参考站数据的参考站基准。
否则获得的解算结果其绝对精度很低，无法达到高精度定位解算的要求。
4.5.2事后差分解算分类和步骤
（1）静态事后差分解算
静态事后差分解算指流动站摆放在测量地点较长一段时间（半小时以上）后，采用流动站数据和CORS参考站数据、基准进行解算，采样率一般为15秒或者30秒。
静态差分解算的基本理论方法为整周未知数确定法。
一般静态和长时间静态解算精度很高，可以用于超长基线解算，实现CORS网外控制点测量解算。
（2）快速静态事后差分解算
快速静态事后差分解算和静态事后差分解算方法类似，但是观测时间较短，一般都在半个小时以内，数据采样率为1秒或5秒。
快速静态解算的原理为整周模糊度解算法（FastAmbiguityResolutionApproach）。
快速静态要求距离参考站距离不能太远，因此快速静态一般使用于低级别CORS网内的控制点测量解算。
由于该方法解算精度于网络RTK解算精度基本相同，因此一般在网内很少采用快速静态的作业方法。
一般在网内无通讯网络的地方可以采用快速静态后差分解算的作业方法。
（3）动态事后差分解算
动态事后差分解算是利用GPS流动站在连续运动状态测量实体后，和参考站数据联合解算获得测量实体的准确坐标。
GPS动态测量后差分的特点是只采用流动站和参考站一个或两个相同历元进行伪距相位差分解算，精度较低，但是作业效率高，适合测量精度要求不高但是工作量比较大的测量。
动态事后差分解算一般用于道路测绘、大规模土地面积测量和精度要求不高的地理信息空间数据采集等。
（4）静态观测事后差分步骤
●摆设流动站观测
●将流动站数据导入计算机
●下载相同时段的参考站数据
●建立项目和选择坐标系统
●编辑外业作业情况和CORS参考站基本数据
●编辑周跳
●处理基线
●无约束平差
●约束平差
静态GPS观测后差分数据处理流程图见图3.3所示。
图4.3静态GPS观测后差分数据处理流程图
4.6GPS数据分析
4.6.1多路径效应分析
在第一章节已经介绍了多路径效应，多路径效应是GPS定位测量误差主要来源之一，但是在永久性参考站或GPS静态观测中可以较容易分析出多路径效应的影响权重。
GPS信号是一种电磁波信号，可以模拟为包络瑞利分布的噪声通道，对信号的跟踪和量测的影响很小。
一般说来，对多路径效应的研究主要是对镜面反射的研究。
对于GPS载波相位测量，L1和L2载波的波长分别为λ1=19.8cm，λ2=25.5cm。
反射体表面对GPS信号的反射可以看作是镜面反射，平静的水面，建筑物的墙面，城市的地面，水库大坝，木板或金属板等都表现为镜面反射。
因此，可以根据GPS接收机周围情况简单判断多路径效应可能的影响。
多路径效应分析的原理是采用路径比率分配的方法。
即在多数情况下，静态摆放的接收机接收到的最短路径（真实路径）即为真实路径，多路径效应的值都比正式路径长，通过比较分析可以得出多路径的比例和多路径效应的影响。
4.6.2卫星周跳分析
周跳也称为失周。
在精密的GPS相对定位中采用的观测值是相位观测值。
相位观测值是接收机本机振荡产生的相位和接收到的卫星载波相位之差，在量测时，只能测到不足1周的小数部分（可准到0.01周）。
在理想条件下，接收机在锁住卫星后可保持跟踪，从而测出包括整数部分的相位变化量，因此每个历元的相位观测量和接收机到卫星的距离之差为卫星载波波长的一个整数倍。
它是一个固定不变的值，该整数被称为整周模糊度，在解算时和其他参数一起求出。
在实际观测条件下，接收机往往会由于某种原因（如卫星信号被挡住）对卫星短时间失去跟踪，在失去跟踪时间内相位的变化就不能被测出，称为失周或失锁，也称为周跳。
在短距离GPS基线定位中，大气轨道误差基本被抵消，电离层和对流层延迟也由于它们的相关性消除了大部分影响，失周大小能保持较好的整数特性，较容易处理。
产生周跳的原因，可分为外部原因和接收机质量问题。
（1）外部原因
①卫星信号被天线附近的地形地物短时间遮挡；
②动态测量时，由于载体运动速度太快或天线倾斜使信号丢失；
③由于多路径误差、电离层活动加剧、对流层延迟影响，使卫星信号的噪声偏大而产生周跳。
（2）GPS接收机质量不佳
①卫星信号在接收机电路中受干扰，导致信号丢失；
②接收机内信号处理单元质量不佳；接收机内跟踪环路设计不理想，在某些环境下，将使相位发生180°或90°位移，从而产生周跳或1/4周跳。
卫星在空间的运行轨迹是一条平滑的曲线，因而卫星至接收机的距离观测值（载波相位值）的变化是平缓而有规律的。
周跳将破坏这种规律，是观测值产生一种系统性的粗差。
因此周跳分期从本质上就是载波相位观测值变化分析。
分析方法包括三种：
即高次差法、多项式拟合法、双频P码伪距值探测法和三次差法。
本书不做详细介绍。
4.6.3电离层和对流层影响分析
在第一章已经讲述过电离层和对流层对定位精度的影响，对于电离层和对流层影响的分析，通常是通过数学模型实现，主要模型包括：
（1）电磁波在电离层和对流层中传播的速度和折射的影响模型。
（2）电子密度Ne和电子含量TEC对传播延迟影响模型；
（3）数据改正模型；
（4）气象影响元素模型。
4.6.4GPS数据分析方法
1、TEQC分析
TEQC（Translation，Editing，andQualityChecking）软件是UNAVCO（UniversityNavstarConsortium）开发的,是目前国际上公认的较好的数据质量检查软件。
IGS（InternationalGPSService）数据中心通常采用该软件对遍布全球的连续运行站每天的数据进行检查和监控。
该软件是一款公开免费的软件，具有格式转换、数据编辑和质量检核等功能。
其中,格式转换功能可将许多不同厂家的GPS接收机观测（二进制）文件转换为RINEX文件,也可以在RINEX文件的不同格式之间转换，RINEX2.10是TEQC默认的处理格式，低于2.10版本的RINEX数据可以通过TEQC转换成2.10再进行处理，目前TEQC尚未能处理RINEX2.11格式。
数据编辑功能可用于RINEX文件字头块部分,也可进行数据文件的任意切割和合并、观测值类型的删减、卫星系统的选择及特定卫星的禁用；质量检核功能可用于检查双频GPS接收机动态和静态数据的质量，可以反映出GPS数据的可用性、电离层延迟、多路径影响、接收机周跳、卫星信号信噪比等信息。
TEQC的运行环境对计算机的硬件要求不高，可以在下列操作系统运行：
Linuxx86、SolarisSparc2.3andhigher、Solarisx862.6andhigher、HP-UX10.20andhigher（PA-RISCplatforms）、DECDigital-UNIXOSF1V4.0、DECAlphaLinux、IBMAIX4.3、SGIIRIX5.3、MacintoshOSX、Microsoft（95/98/NT/2000/XP）。
主要功能
TEQC三大功能对应着三个模块：
●数据格式转换模块（Translation）；
●RINEX数据编辑模块（Editing）；
●数据质量检核模块（QualityChecking）。
2、TTC分析
TTC,全称TrimbleTotalControl，是美国Trimble公司出品的一种常规GPS数据处理包软件，可用于地学测量、GPS数据分析以及数据管理等内容。
TTC软件可以采用图形和数字表示的方式来体现数据分析的结果。
分析速度快，特别适合于分析大规模的CORS网络数据，并支持多站数据导出，最大支持参考站数量为超过5600个。
软件主要功能包括：
①GPS基线处理；
②静态数据资料处理；
③自动IGS站数据下载；
④GPS/GLONASS数据分析；
⑤手动和自动双模式数据分析。
TTC用于分析GPS数据质量，功能强大，特别适合于分析GPS数据，其中包括各个时段跟踪卫星数分析、原始数据电离层残差分析、历元间单差电离层残差分析和卫星信噪比分析。
见图3.4、图3.5、图3.6、图3.
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