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网络GPS/VRS系统高精度差分改正信息生成与发布研究

作　者: 李成钢
导　师: 黄丁发
学　校: 西南交通大学
专　业: 大地测量学与测量工程
关键词: GPS 网络RTK 虚拟参考站电离层延迟对流层延迟 MHDIM NTRIP Venus
分类号: P228.4
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

厘米级精度的载波相位实时定位技术(RTK)主要在两个方面存在缺陷：首先用户与最近参考站间距离不能超过20km，其次采用传统的无线电通信方式(如低频、中频、高频、甚高频信号)使差分数据广播不仅成本高，且改正信号质量较低。网络RTK技术作为新一代的RTK定位技术，通过将多个连续运行参考站的数据融合处理，构成支持包括区域厘米级实时动态定位服务在内的多功能导航定位系统。本文在系统分析网络RTK数据处理技术的基础上，将研究重点集中在网络改正数计算、改正数内插及改正数发布优化算法或方案的开发方面。网络改正数计算主要是指在参考站基线间的载波相位整周模糊度固定后，准确估算参考站覆盖范围内各基线上的距离相关误差的差分残余信息。改正数内插是指利用网络改正数计算流动站位置相关系统误差影响，并采用虚拟参考站技术(VRS)将网络差分改正数转发给常规RTK用户。最新的RTCM数据互联网络传输协议(NTRIP)技术被用来发布GPS改正数信息以实现基于互联网络的高精度导航定位服务。最后本文针对自主开发的高精度虚拟参考站服务系统(Venus)软件，详细论述了基于Internet的网络差分导航定位系统的系统组成结构与技术框架。基于四川省GPS观测网络(SGRSN)的实验表明，作为高精度网络RTK系统，Venus具有较高的系统精度、可靠性及可用性。本文主要贡献有以下几个方面：1．通用VRS观测值计算模型研究本文首先对三种常用网络RTK技术：虚拟参考站技术(VRS)，区域改正数广播(FKP)以及主辅站技术进行了分析比较，提出了兼容DGPS以及RTK技术的通用VRS观测值计算模型，该模型由参考站非差GPS观测值、VRS站几何纠正以及双差距离相关误差改正数三部分构成。在理论上不仅支持传统的DGPS/RTK定位模式标准(如RTCM2.0到2.3版本)，还支持最新的面向网络RTK应用的RTCM3.0到3.1版本。但由于VRS是面向改进常规RTK定位性能的网络RTK技术，因此在使用网络RTK标准时，VRS技术会损失部分网络数据完好性方面的信息。由于对于当前常规DGPS/RTK用户而言，采用VRS技术无需进行任何软硬件设备更新，因此相对于FKP和MAC技术，VRS技术拥有更强的应用型。在此基础上，本文对包括三角形网络、独立基线网络以及中心网络在内的各种VRS网络的自动构建算法进行了详细论述。2．参考站网络基线上相关系统误差信息分类与双差误差提取技术研究VRS网络主要针对电离层、对流层和轨道误差等各种距离相关误差源影响，为精确消除观测值残差的总体影响，必须根据各种误差源的空间或环境相关特征进行归类，并对每种特定误差进行准确计算和信息提取，以便准确建立关于整个系统覆盖范围内包括双差电离层延迟、对流层延迟等距离相关误差的空间分布模型。在参考站网络中计算过程中，天顶对流层延迟(ZTD)作为未知参数与整周模糊度参数一起参与卡尔曼滤波估计。在模糊度固定后，可精确计算双差对流层误差改正数。采用双频或三频载波相位观测值的电离层改正模型，可进行双差电离层延迟一阶或高阶改正数的精确计算。而伪距和载波相位多路径效应则可采用本文所提出的其他算法进行估计。3．网络内任意流动站位置的误差建模与改正数内插计算方法研究参考站网络基线上的双差改正数信息计算完成以后，需要采用网络空间内插或其他估计方法计算对应于VRS伪距以及载波相位观测值L1和L2频率上电离层延迟、对流层延迟、轨道误差甚至多路径效应等误差改正项。本文将电离层预报改正技术应用于网络空间内插模型(如线性内插模型)以提高电离层内插模型精度。对于站间距在100km以上的长距离参考站网络，利用电离层延迟的时相关特征可有效减弱中小尺度(通常小于100km距离)电离层扰动的影响。研究表明，在中纬度地区平静时期，电离层线性内插模型精度可达1到2cm；在电离层扰动严重时期，应用电离层预报模型，电离层线性内插模型精度仍能保持在2cm以内。对于地形复杂地区的VRS网络而言，参考站与流动站间存在较大的高程差异，这会使常规对流层误差网络改正数中存在未模型化的系统偏差影响，尤其对于稀疏参考站网络而言，高程偏差影响更不容忽视。为提高对流层改正模型精度，在常规网络内插改正模型的基础上，提出了一种能自主修正高程偏差的距离相关对流层网络内插模型(MHDIM)。对流层全球先验模型被用来消除高程方向的系统偏差影响，恢复大气误差的对流层以及电离层分量在空间分布上同一相关性特征。实验表明，MHDIM大气改正模型精度对于任意中距离稀疏参考站网络可达2到4cm。利用IGS精密预报星历和GPS广播星历信息，提出了一种适用于GPS/VRS区域参考站网络的VRS精密轨道实时改正数法。研究表明，与现有常规网络内插轨道改正方法相比，新方法具有更高的轨道误差改正精度，使轨道误差对100km以内的RTK定位影响为亚毫米级。通过分析多路径误差的产生机理，研究多路径误差与信噪比信息的强相关关系，建立了信噪比相关网络内插模型(SNRIM)，用于流动用户位置高精度多路径改正数的实时计算，研究表明SNRIM可有效减弱流动站位置长周期多路径效应影响。4．RTCM数据互联网络传输协议(NTRIP)技术研究RTCM数据互联网络传输协议(NTRIP)可使DGPS或RTK改正数据流通过全球互联网采用GPRS或未来其他通讯方式进行发布。NTRIP技术的主要目的是将互联网通讯技术代替传统的无线电通信方式(如低频、中频、高频、甚高频信号)用于实时改正数服务。采用自主开发的同时支持NTRIP服务器、集中交换服务器以及客户端功能的软件产品，详细论述了NTRIP应用的理论与技术细节。采用上述方案，海量客户/用户可采用无线Internet媒介享受高精度VRS差分改正服务。5．基于Internet的VRS参考站网络导航定位服务系统的开发与测试应用VRS理论和Ntrip技术，实现了增强虚拟参考站网络服务系统(Venus)软件的设计与开发，以支持厘米级到分米级不同精度的区域GPS卫星导航定位服务。基于四川省观测网络平台对Venus系统网络定位服务的精度、可靠性和可用性进行了全面测试，静态与动态测试结果均表明，本论文所提出的网络改正数计算和发布方案均取得较好的效果，Venus系统完全满足区域性中长距离(大于70km)参考站网络厘米级差分GPS动态定位应用的要求。

全文目录

摘要  6-10
ABSTRACT  10-19
第1章绪论  19-45
  1.1 网络RTK技术的发展背景与意义  19-32
    1.1.1 全球卫星导航定位系统(GPS)概述  19-21
    1.1.2 差分GPS技术的发展  21-26
    1.1.3 连续运行参考站网络的建设与网络RTK技术应用  26-32
  1.2 网络RTK技术研究的国内外现状及其发展前景  32-42
    1.2.1 参考站网络模糊度解算技术  32-34
    1.2.2 距离相关误差建模(改正数计算)  34-37
    1.2.3 改正数发布  37-40
    1.2.4 网络通讯技术与网络RTK软件开发  40-42
  1.3 本文研究的主要内容、目标与方法  42-45
    1.3.1 本课题来源  42
    1.3.2 研究目标  42
    1.3.3 研究内容  42-45
第2章 VRS技术计算模型  45-76
  2.1 非VRS网络RTK计算模型简介  45-49
    2.1.1 FKP计算模型  45-47
    2.1.2 MAC技术  47-49
  2.2 VRS技术原理  49-54
    2.2.1 VRS系统构成与工作流程  49-52
    2.2.2 VRS观测值计算模型  52-53
    2.2.3 非差与差分改正量的等价关系的建立  53-54
  2.3 通用VRS观测值计算模型  54-55
    2.3.1 相位VRS观测值数学模型  54-55
    2.3.2 伪距VRS观测值数学模型  55
  2.4 基于VRS模型实现网络DGPS/RTK技术的理论验证  55-61
    2.4.1 基于码观测值流动站单差VRS计算模型  56-57
    2.4.2 基于载波相位观测值的流动站双差VRS计算模型  57-58
    2.4.3 基于码观测值的流动站双差VRS计算模型  58-60
    2.4.4 动态VRS理论  60-61
  2.5 VRS误差分析  61-76
    2.5.1 电离层延迟误差  62-67
    2.5.2 对流层延迟误差  67-73
    2.5.3 卫星轨道误差  73-74
    2.5.4 多路径误差  74-76
第3章参考站网络基线解算模型  76-90
  3.1 VRS网络构建  76-84
    3.1.1 VRS网络分类  76-78
    3.1.2 VRS网络自动构建  78-84
    3.1.3 VRS网络动态升级  84
  3.2 长距离参考站间整周模糊度的计算  84-90
    3.2.1 宽巷双差模糊度的快速固定  86-88
    3.2.2 双差模糊度与对流层天顶延迟估计的卡尔曼滤波器  88-89
    3.2.3 模糊度正确性的网络校验  89-90
第4章 VRS改正数计算模型  90-128
  4.1 电离层改正数计算模型  91-108
    4.1.1 参考站网络电离层改正信息的提取  91-93
    4.1.2 电离层改正数内插计算模型  93-96
    4.1.3 电离层内插模型的比较研究  96-103
    4.1.4 电离层预报模型  103-108
  4.2 对流层改正数计算模型  108-115
    4.2.1 参考站网络对流层改正信息的提取  109-110
    4.2.2 高程方向偏差分析  110-112
    4.2.3 自主修正高程方向偏差的距离相关模型  112-115
  4.3 轨道改正数计算模型  115-120
    4.3.1 精密预报星历的精度分析  116-117
    4.3.2 VRS轨道改正法  117-120
  4.4 多路径误差影响的削弱策略  120-128
    4.4.1 参考站多路径误差影响的消除  121-122
    4.4.2 移动用户位置多路径误差的消除  122-123
    4.4.3 实验与分析  123-128
第5章 VRS改正数网络播发模型  128-150
  5.1 基于RTCM编码及NTRIP的VRS改正数播发方案  128-133
    5.1.1 RTCM编码  128
    5.1.2 数据传播链路  128-129
    5.1.3 NTRIP网络传输协议  129-131
    5.1.4 VRS数据播发模块总体设计  131-133
  5.2 RTCM SC-104标准电文编码及其实现  133-143
    5.2.1 RTCM SC-104电文分析与设计  133-141
    5.2.2 RTCM电文编码的实现  141-143
  5.3 NTRIP网络传输的设计和实现  143-150
    5.3.1 NTRIP结构分析与设计  143-146
    5.3.2 基于NTRIP的VRS改正数网络播发系统的实现  146-150
第6章网络差分改正服务系统实现与测试  150-177
  6.1 Venus系统软件平台的开发  150-157
    6.1.1 系统硬件结构  150-152
    6.1.2 系统组成与设计  152-154
    6.1.3 系统功能模块与界面  154-157
  6.2 系统差分定位服务的实现  157-162
  6.3 Venus系统测试  162-177
    6.3.1 测试目标与内容  162-163
    6.3.2 试验网络以及实测点简介  163-165
    6.3.3 差分改正数精度测试  165-167
    6.3.4 RTK差分精度测试  167-172
    6.3.5 RTK动态测试  172-174
    6.3.6 RTK流动设备初始化状态分析  174-175
    6.3.7 系统精度测试小结  175-177
第7章结束语  177-180
致谢  180-182
参考文献  182-198
附录 Ⅰ  198-201
博士在读期间发表论文  201-202
博士在读期间参加和完成的科研工程项目  202

网络GPS/VRS系统高精度差分改正信息生成与发布研究

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