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    GPS网络TK系统的定位精度研究

    2019-03-14 15:32:28来源: 测绘与空间地理信息作者
    聊聊

    来源测绘与空间地理信息2018年第10期

    作者王俊超吴洁

    摘 要通过对内插算法线性组合算法以及虚拟基准站算法这3 种不同GPS 网络RTK 系统算法的对比确定了以平面内插算法为基础的定位精度研究考察了海拔高度流动站的位置关系对定位精度的影响并得出结论对今后GPS 网络RTK 系统中流动站和基准站的设置定位及研究有一定的参考作用

    关键词GPS-RTK 技术; 内插算法; 海拔高度; 定位精度

    0 引言

    全球卫星定位系统( 简称GPS即Global PositioningSystem) 主要分为三大组成模块即负责空间部分的空间GPS 卫星负责地面监控的系统以?#26696;?#36131;接收GPS 信号的接收机[1]该定位系统在诸多方面有着广泛的应用发展非常迅速其中应用非常广泛的就是实时载波相位差分技术( 简称RTK即Real Time Kinematic) 其在海洋测?#20426;?#22320;形勘测以及其他工程测量等方面应用都很广泛[2]RTK 系统中含有基准站和移动站它们之间通过无线电台通信联络动态定位精度可达到厘?#20934;?/span>

    GPS 网络RTK 技术作为传统RTK 技术的升级版有着无可比拟的优势它不仅能降低电离层中因自由电子引起的误差卫星轨道行驶的误差及对流层中不均匀大气引起的误差等因素的影响且不需要建立基准站所有信息均可以通过控制中心对数据进行处理既能最大限度地使成本得到降低又能极大地提高处理的效率[3]

    数据处理部分作为整个系统最重要的核心组成部分其主要算法包括内插算法线性组合算法以及虚拟基准站法

    1 GPS 网络RTK 系统

    GPS 网络RTK 系统的构成主要分为四大组成部分即固定不动的基准站部分负责数据处理的控制中心部分负责数据通信的线路部分以及接受信息的用户部分这4 部分中数据的处理承担着最为重要的角色对数据的传输和接收起到了非常重要的作用数据处理中心和基准站以及流动站之间通过数据通信线?#26041;?#34892;联系通信线路可以为有线线路或无线链接[4]

    GPS 网络RTK 技术实现精准定位的过程如下: 首先确定基准站的个数及设定位置再以设定的基准站作为数据处理的基础来计算定位的准确度然后将误差改正数据发送给系统最后由用户部分对得到的定位信息进行实时的误差改正并获得准确的定位信息该技术中涉及差分GPS 技术使用双频GPS 接收机通过同步观测法得以实现它的测量中间站间距的?#34892;?#36317;离最大可达到上百千米定位精度可达到厘?#20934;?#24050;具备非常高的定位准确度另外该技术智能程度高使用范围广效率高费用低并?#19968;?#33021;大大减弱由诸多原因引起的系统误差如卫星时钟卫星轨道接收机时钟等引起的误差以及对流层及电离层的延迟引起的误差等GPS 网络RTK 技术是GPS 技术的历史性突破使得GPS 的应用领域得到较大的拓展

    GPS 网络RTK 系统的数据采集和处理采用的是动态测量法工作的基本流程如图1 所示首先架设基准站和参考站流动站随机设站并通过接收机发送?#35789;?#20449;息到数据处理中?#27169;?#25968;据处理中心同时也会接收来自基准站发送的信息再根据接收到的信息进行处理和计算用户部分即能获得最?#31449;?#36807;误差改正的较为精确的定位位置

    图1 GPS 网络RTK 系统动态测量图

    2 GPS 网络RTK 系统的算法研究

    数据处理中心中对数据的处理主要采用如下3 种算法: 内插算法线性组合算法以及虚拟参考站算法本文主要以内插算法为例内插算法的基本原理为: 以单个已知点进行定位得到流动站的近似三维坐标再根据架设的基准站的坐标以及载波相位?#25285;?#24471;到各个基准站的差分改正数再通过内插得到载波相位的差分改正数再由前面求得的流动站的近似三维坐标就能得到流动站的准确坐标

    GPS 的数据处理均用到双差观测方程公式如下:

    式中λ 代表波长K 代表双差X 代表相位p 代表卫星与用户端的距离N 代表整周未知数d1 代表电离层延迟引起的误差d2 代表对流层延迟引起的误差d3 代表偏离真实值的多路径误差σ 为测量噪声

    以公式( 1) 为基础假设3 个流动站与1 个基准站的位置如图2 所示以基准站1 作为参考站采用内插法的计算方法进行?#39057;?#20196;等式左边

    λ·( K+KN) -Kp = KR      ( 2)

    则有公式

    图2 基准站123 与流动站A 的位置图

    由公式( 2) 可知KR 代表点位间双差观测值与双差距离的差也代表各种误差之和

    设基准站123 的坐标分别为( x1y1z1 ) ( x2y2z2 ) ( x3y3z3 ) 则流动站A 与基准站1 间有公式如下:

    式中ij 为卫星编号

    由公式( 2) 可得:

    求得后即可对双差观测相位进行改正:

    由此可知求得改正后的随即得到双差观测方程并以该方程为基础建立流动站偏离真实值的误差方程由此得到流动站坐标的误差值ΔxΔyΔz最终即可得到流动站的准确坐标

    3 海拔高度及流动站位置对坐标准确度的影响

    通过从内插算法?#39057;?#24471;到流动站的精准坐标的过程可以得出引起流动站A 偏离真实值产生误差的主要原因有基准站与流动站间相对的布设方位流动站的设定位置基准站坐标的计算误差卫星的星历坐标误差等由于内插算法中的第一步就是要获得流动站的坐标( xAyAzA ) 因此流动站的布设地点以及流动站位置是获得流动站准确坐标的一个重要的影响因素

    为了考察流动站的布设地点( 主要是探讨海拔高度的不同) 以及流动站位置的准确度对定位精度的影响我们以海拔较高的丽江( 2418 m) 及海拔?#31995;?#30340;天津( 3.3m) 为实验地点进行实地考察以图2 所示的流动站与基准站的布设图为基准分别在丽江以及天津一个空旷的地点上布设3 个基准站1 个流动站并以上文讨论的内插算法为数据处理方法来讨论海拔高度及流动站位置( x1y1z1 ) 对最终流动站位置偏离真实值的误差的影响

    首先为考察内插算法计算结果的准确度我们利用一些软件程序如Matlab ?#30830;?#30495;软件对实验过程进行仿真练习获得的数据结果如图3 所示

    图3 内插算法计算结果准确图

    由图3 可知采用内插算法计算而得的流动站坐标值的偏离误差均较小( 均≤1.2) 由此?#24471;?#25105;们由误差偏离值算法即内插算法即可以得到较为精确的流动站坐标?#25285;?#38477;低各种误差产生的影响内插算法计算模型可靠为接下?#35789;?#39564;数据的准确度提供了保证

    为了降低流动站位置对定位精度的影响我们分别对丽江及天津两个海拔差距较大的城市采用相同的流动站与基准站的点位关系进行考察并对由内插法计算出的流动站坐标与实?#39318;?#26631;的差?#21040;?#34892;了对比分析其数据如图4 所示

    由图4 可得在丽江测出的流动站的平均误差约为2.5 cm在天津测出的流动站的平均误差约为5.45 cm再根据两地海拔丽江2 418 m天津3.3 m可得海拔?#38477;?#23545;定位精度的影响越大误差越大因而海拔高的地区其定位精度相对而言更准确些

    图4 海拔高度对定位精度的影响

    4 结束语

    本文采用通过内插算法对流动站的定位精度进行研究考察了内插算法对研究流动站定位精度的准确度并且研究发现海拔越高的地区其GPS 定位精度越高对今后GPS 网络RTK 系统中流动站和基准站的设置定位有一定的指导作用

    参考文献:略

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