GPS連續(xù)參考站系統(tǒng)(CORS)定位精度檢測方法

GPS連續(xù)參考站系統(tǒng)(CORS)定位精度檢測方法摘要:為了檢驗CORS系統(tǒng)定位精度的可靠性,本文比較系統(tǒng)地介紹了CORS系統(tǒng)誤差源,重點分析和總結(jié)了常用的精度檢驗方法,并對復雜環(huán)境中精度檢驗方法提出了建議。本文在總結(jié)CORS定位精度已有檢驗方法的基礎(chǔ)上,提出了新的檢測方法使系統(tǒng)可靠性檢測方法更加完備。關(guān)鍵詞:CORSVRS誤差源精度檢測0引言連續(xù)運行參考站系統(tǒng)CORS(ContinuouslyOperationalReferencStations),是現(xiàn)代GPS的發(fā)展熱點之一。CORS系統(tǒng)將網(wǎng)絡化概念引入到了大地測量應用中,該系統(tǒng)的建立不僅為測繪行業(yè)帶來深刻的變革,而且也給網(wǎng)絡中的空間信息服務帶來新的思維和模式。連續(xù)運行參考站系統(tǒng)可以建設(shè)一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GPS參考站,利用計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN/WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡,實時的向不同類型、不同需求、不同層次的用戶提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GPS觀測值、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息、以及其他有關(guān)GPS服務項目的系統(tǒng)。由于常規(guī)RTK技術(shù)需要在測區(qū)內(nèi)或附近控制點上架設(shè)基準站,需要站點坐標,對流動站的誤差改正信息并未包含基線長度影響等各方面的因素,CORS系統(tǒng)有效克服了上述缺陷,不僅提高了基礎(chǔ)測繪的精度而且實用經(jīng)濟。網(wǎng)絡RTK差分信息的生成方式有虛擬參考站法VRS(VirtualReferencStation)、區(qū)域改正數(shù)法FKP(AreaCorrectionParameter)和主輔站技術(shù),相比較而言,虛擬參考站VRS建站技術(shù)更加成熟。虛擬參考站VRS技術(shù)就是在一定區(qū)域內(nèi)架設(shè)一定數(shù)量的基準站,精確測定這些基準站的位置及變化率,基準站連續(xù)接收衛(wèi)星信號,然后將信息傳送至信息處理中心,同時接收流動站發(fā)送的接收機概略位置信息,數(shù)據(jù)處理中心會根據(jù)移動站的位置,選擇與之較近或定位精度較好的基準站信息,“虛擬”出一個參考站,然后根據(jù)各基準站上誤差信息通過一定的數(shù)學模型內(nèi)插出該虛擬站的誤差,將虛擬出的流動站改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動站,這樣虛擬參考站的位置通常是在移動站真實位置的周圍5米范圍內(nèi),保證了虛擬參考站與流動站誤差的相關(guān)性。1CORS定位中的誤差源CORS定位誤差主要是由基準站觀測誤差、流動站觀測誤差和差分誤差信息的數(shù)學內(nèi)插模型等引起的。其中前兩項誤差與GPS定位中出現(xiàn)的誤差基本等同,以系統(tǒng)誤差的危害性為重,并大多有規(guī)律可循,因此要提高GPS定位精度是以分析該部分誤差源與消除方法為主。1.1基準站GPS觀測誤差1.1.1基準站點坐標誤差在CORS在建設(shè)中基準站點選址的合理性和埋設(shè)的穩(wěn)定性及相應保護措施直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性?；鶞收靖呔鹊匦淖鴺艘话愣家虍?shù)刈鴺讼到y(tǒng)進行轉(zhuǎn)換,約束平差求解的數(shù)學模型也關(guān)系到轉(zhuǎn)換后基準站坐標的精度。由于地球固體潮的影響,可使地面點在垂直方向上的位移可達80cm左右,應測定基準站點在時間尺度上的變化率。這些因素都影響基準站點坐標的誤差。1.1.2衛(wèi)星星歷誤差某個歷元衛(wèi)星的位置是由衛(wèi)星星歷提供的,與其實際位置之差取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質(zhì)量,影響因素有定軌站數(shù)量及地理分布、觀測值數(shù)量及精度、定軌所用的數(shù)學力學模型和定軌軟件、采用星歷的外推時間間隔等。1.1.3衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星上的高精度原子鐘與理論上GPS時存在著不可避免的偏差和漂移,是由于鐘差、鐘速和頻漂引起的系統(tǒng)誤差,總量可達1ms左右,可以通過一定的模型改正,但衛(wèi)星鐘偶然誤差是難以消除的。另外不管是碼相位觀測還是載波相位觀測,都要求衛(wèi)星鐘和接收機鐘嚴格同步,但他們所處的重力位和各自運動速度的差異,也會帶來相應的誤差。1.1.4電離層延遲誤差電離層是高度在60～1000Km間的大氣層,GPS信號受電離層帶電粒子的影響會產(chǎn)生傳播速度變化和傳播路徑彎曲,從而使衛(wèi)星和接收機之間距離發(fā)生變化,即電離層延遲。1.1.5對流層延遲誤差地表和電離層之間的大氣層即為對流層,整個大氣層的絕大部分質(zhì)在該層,GPS衛(wèi)星信號在對流層會產(chǎn)生大氣折射,傳播路徑產(chǎn)生彎曲,傳播速度發(fā)生改變。這些因素對距離測量值的影響稱層延遲。1.1.6多路徑誤差GPS衛(wèi)星信號經(jīng)某些物體表面反射與直接來自衛(wèi)星的信號進行疊加干擾后進入接收機,使測量值產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差,稱為多路徑誤差。多路徑誤差大小受周圍環(huán)境環(huán)境、接收機性能和衛(wèi)星高度角等影響,如大面積水域附近、扼流圈天線性能等,多路徑誤差對測碼偽距觀測值影響較大。1.1.7基準站接收機誤差接收機在接收衛(wèi)星信號時,由于接收機鐘差、相位中心誤差、測距碼匹配、解算的數(shù)學模型誤差和電子元件老化等多種因素的影響,而引起的通過觀測值定位產(chǎn)生的誤差。1.2流動站GPS觀測誤差1.2.1與基準站同性質(zhì)誤差在流動站上接收與基準站相同衛(wèi)星信號,因此流動站通過觀測值確定的概略坐標同樣包含衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲、對流層延遲、多路徑誤差等,并且這些誤差與基準站誤差相關(guān)。1.2.2接收機測量噪聲影響接收機在測量時,由于儀器設(shè)備元件和外界環(huán)境的影響而造成的隨機誤差,取決于接收機性能和工作環(huán)境,一般小于其他系統(tǒng)性偏差,在基準站上因觀測條件良好且連續(xù)觀測而忽略不計,在流動站上因觀測時間較短而影響較大。1.2.3地形條件的影響在工程建設(shè)中,不同點的地形差別很大。在觀測點上,接收機上空的凈空程度、高度角受限,直接影響GPS信號和衛(wèi)星分布狀況;在高壓輸電線、無線電發(fā)射塔等強電磁干擾區(qū)域,對GPS信號的影響很大。大氣折射誤差也是影響流動站定位精度的一個重要誤差源。1.2.4人為觀測誤差在觀測過程中,接收機指北標志與北方向的偏差帶來的相位中心改正誤差,流動站對中桿的對中誤差、立直穩(wěn)定程度、觀測時間長短和選擇時間段的影響。1.3差分信息的數(shù)學模型誤差VRS技術(shù)的數(shù)學模型和算法主要是確定基準站間整周模糊度和流動站與虛擬參考站間整周模糊度、內(nèi)插虛擬參考站間的綜合誤差改正數(shù)、構(gòu)建虛擬參考站觀測值等方面。2CORS定位可靠性檢測方法由于流動站在定位時,和參考站同樣受到諸多不確定因素的影響,諸如流動站高程差異、高度角受限、多路徑誤差等異常因素,用戶實時定位時只能通過內(nèi)符合精度判斷質(zhì)量的好壞或是否符合要求。在缺乏現(xiàn)場檢核條件的情況下,內(nèi)符合精度的可靠性受到置疑,一般只能依靠事后抽樣檢查來保證其安全性,在一些工程應用受到制約。為了能讓CORS系統(tǒng)用戶放心的使用CORS系統(tǒng),必須要對系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的定位可靠性進行檢測。網(wǎng)絡RTK的定位精度、效率和可靠性是衡量該系統(tǒng)性能的主要指標。測試系統(tǒng)性能的項目主要有定位精度、空間可用性、時間可用性、定位時效性、接收機兼容性等。其中比較成熟的測試方法有靜態(tài)已知點檢測方法、與后處理結(jié)果比較的檢測方法、動態(tài)規(guī)則幾何圖形檢測、固定基線長度相對檢測方法等。2.1靜態(tài)已知點檢測方法靜態(tài)已知點檢測方法就是利用網(wǎng)絡RTK在測區(qū)已知點上靜態(tài)觀測,利用觀測值和已知值進行比對來檢驗定位精度,是CORS系統(tǒng)定位精度檢測中最普通、最常用的方法。靜態(tài)檢測觀測方法簡單,將網(wǎng)絡RTK接收機安置在已知點上,注意減少人為誤差,設(shè)置好數(shù)據(jù)采樣率,持續(xù)觀測一段時間,自動存貯數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)統(tǒng)計和定位精度分析方法也很簡單,計算觀測值之間的離散程度m和觀測值數(shù)學平均值與已知值之間的偏差中誤差σ?？筛鶕?jù)下列公式即可評價系統(tǒng)的定位質(zhì)量。m==σ==式中,為某檢測點第i個歷元的觀測值;X為檢測點已知坐標,視為真值;為n個歷元觀測值平均值。但靜態(tài)檢驗法并不能反映整個CORS系統(tǒng)的定位精度,首先這些已知控制點觀測條件良好,不能代表整個CORS覆蓋區(qū)域所有的觀測條件;其次靜態(tài)檢測一般觀測時間較長,使用腳架對中整平,不完全代表用戶使用對中桿進行動態(tài)觀測的定位精度;而且靜態(tài)檢測需要檢測點已知的精確坐標,而在作業(yè)區(qū)域,不一定有已知點,或坐標基準也不一定統(tǒng)一,這樣就無法進行靜態(tài)檢測。2.2實時動態(tài)觀測值與后處理結(jié)果比較的檢測方法網(wǎng)絡RTK實時動態(tài)定位時,測定的概略坐標實質(zhì)上單點定位的結(jié)果,采用的是廣播星歷,周跳、通訊誤碼和數(shù)據(jù)丟失問題都會存在,定位精度較低。而GPS定位數(shù)據(jù)后處理可以避免這些誤差源,采用高精度的星歷,這樣可將后處理數(shù)據(jù)作為參考值,來確定動態(tài)定位數(shù)據(jù)的精度和可靠性,這樣不僅減少了野外工作量,而且可以成批檢測所有野外觀測點,在檢驗CORS系統(tǒng)定位精度和可靠性時可以采用,在工程測量中也可以采用。2.3動態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測方法為了檢測用戶接收機在運動狀態(tài)或點位上觀測時間很短的情況下定位精度和變化特征,可以在已知點的基礎(chǔ)上或者沒有已知點的完全相對的在地面上布設(shè)規(guī)則幾何軌跡,可以是直線、三角形或矩形等等,主要是為了能用方程描述該軌跡。其基本操作方法是將用戶接收機沿著固定的有規(guī)則的軌跡以一定的速度運動,獲得間距均勻的一系列觀測點,通過公式計算或者直接在軟件中展繪規(guī)則幾何軌跡和觀測點軌跡,以離散點為單位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。本方法可在不同時段觀測,以觀察這些偏離值在不同情況下的變化特征。2.4基線相對長度檢測方法在一些沒有已知點的區(qū)域,或相對關(guān)系要求較高的測量工程中,利用已有基線或自行埋設(shè)2個或2個以上固定點通過高精度的測距儀器測定基線距離S,作為該基線距離真值。相對長度檢測方法是用兩臺同型號接收機同歷元觀測基線兩端,或為了避免接收機間的誤差影響,也可采用一臺接收機不同歷元觀測,獲得觀測值(,,)、(,,)利用公式(2)計算基線距離,同時基線距離參考值進行比較,計算距離相對誤差。=Δx=(-)Δy=(-)Δz=(-)(2)2.5不同歷元檢測法由于同一點位不同歷元觀測條件差異性較大,雖然CORS系統(tǒng)是實時內(nèi)插綜合誤差,但觀測點位受自身觀測條件的變異性影響,在同一點上選擇不同的時間段進行測定,前后數(shù)據(jù)進行比較或用相關(guān)軟件繪制不同歷元點位分布圖,來分析點位分散程度與該歷元觀測條件之間的聯(lián)系,作為工程應用時的參考。此方法應與其他檢測法配合使用,人為誤差應控制在一定范圍之內(nèi),減少干擾因素。該方法可用于檢測不同時段的系統(tǒng)穩(wěn)定性。2.6高程影響檢測法GPS測定點位三維坐標,一般平面坐標比高程精度高,而高程直接影響對流層延遲、電離層延遲以及內(nèi)插誤差等。高程影響檢測可按兩種方式進行。一是模擬高程差異檢測。假設(shè)該點的真實坐標為(X,Y,H),對中桿分三級,每級相差h,將觀測值與理論值進行比較,這樣試驗點應分布在整個測區(qū),對各點比較結(jié)果統(tǒng)計分析,即可分析CORS系統(tǒng)在覆蓋區(qū)域的高程觀測精度,并可以有效的檢測出系統(tǒng)在整體高程方面的精度及靈敏度。還可選擇測區(qū)內(nèi)高程差異較大的已知點進行在同一時間段不同歷元分別觀測,當然這可以與檢測系統(tǒng)其他指標同時進行,只是在分析數(shù)據(jù)時注重分析高程因子對系統(tǒng)定位精度和可靠性的影響。2.7地形因子檢測法不同的地形條件不僅影響流動站概略坐標定位精度,而且影響內(nèi)插誤差的精度,甚至影響RTK能否定位,這也是檢測CORS系統(tǒng)的空間可用性。在測區(qū)內(nèi)選擇不同的地形點,如高層建筑物附近、大樹底下、湖泊邊、山腰、山谷、不同郁閉度的樹林中以及系統(tǒng)外延區(qū)域等埋設(shè)固定待測點,用常規(guī)測量方法測定這些試驗點的坐標,作為參考值。利用網(wǎng)絡RTK不同時間段觀測這些點位,分析坐標差值變化與地形因子、觀測時間段之間的關(guān)系。以上方法綜合使用,可以較全面、有效地分析GPS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)在其覆蓋區(qū)域的定位精度和可靠性,同時在工程測量中,也可應用上述方法結(jié)合對測量點位抽樣檢查,保證工程建設(shè)的安全。3總結(jié)CORS系統(tǒng)的定位精度和可靠性直接關(guān)系到系統(tǒng)的可用性和工程建設(shè)的安全性,因此必須對系統(tǒng)各個指標進行檢測,在總結(jié)了靜態(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、動態(tài)規(guī)則幾何軌跡檢測方法和基線相對長度檢測方法,并提出了新的檢測方法:不同歷元檢測