卫星实时定位概论

卫星实时定位概论 中图分类号 : P228 . 4文献标识码 :B() 文章编号 :049420911 20020920022203 卫星实时定位概论 1 2谢世杰,李时雨 () 1 . 总参测绘局 ,北京 100088 ; 2 . 重庆工程职业技术学院 ,重庆 400037 Introduction of Real2Time Satellite Positioning XIE Shi2jie ,L I Shi2yu 摘要 :概述卫星实时定位状况 、分类 、RTK 特点 、全球参考站网和卫星定位展望 。 关键词 : GPS ;DGPS ; RTK 角测量相比 ,多普勒测量获得了更精确 、更可靠 、更 一 、前言 经济的成果 。 纵观人类测绘发展史 ,最近 20 年 ,卫星定位取 今天 , 采用 GPS 技术 ,10 000 km的长边精度可 () 得惊人发展 。1980 年 ,子午仪卫星 NNSS的多普勒 达1 cm ;在短边时观测1 h ,精度可达1 cm , GPS 发展 观测 值 的 精 度 , 广 播 星 历 为 3 , 5 m , 精 密 星 历 为 的里程碑见 1 。 1 m ,采用差分技术后相对精度为0 . 5 m 。同地面三 表 1 GPS 发展的里程碑 阶 段 系 统 硬 件 方 法 项 目 干涉原理 导航 初期阶段 ? Block () 1973,19814 星座Block ? 发展阶段平方技术 几何法 GPS 定位 实施 SA (),1991 EUREF 1982测量型单频接收机模糊值寻优法 RINNEX 测量型双频接收机动态测量 DREF 差分观测值 未差分观测值的线性组合 OTF 生产阶段 年投入生产 RTK 接收机 DGPS ITRF 框架网 1995 建立 RTK 技术 ()取消 SA Z 跟踪技术 IGS ,2002 1992ACP 参考站网 SAPOS Block ?RGPS/ GLONASS 接收机虚拟参考站网 RTCM2. 1 ,1 GEX298 启动现代化GPS 手表 新产品阶段 ?F Block ()EGNOS 2003 2003,2010 Galileo 2008 目前 , GPS 共有 31 个卫星在轨道上 。将来 , 即 ,或是从基地站将改 点之间进行同步观测的后处理 使有个别卫星失效 ,也会有足够的健康卫星在轨道 正值传输到移动站都称为相对技术 。后者通称为 上构成较强的图形 。GPS 性 能 的 重 大 改 进 是 2001 DGPS ,国际上一般将 DGPS 分为 4 类 ,详见表 2 。 表 2 D GPS 的分类 年 5 月 1 日取消 SA 。自此以后的实测表明 : 平面精 ) 名 称 简 称 采用值 精 度 ( 度最高可达 3,15 m 75 %概率。取消 SA 后 , GPS DGPS ,RTD 差分 GPS 码观测值 1,3 m 的应用在全球掀起第二次高潮 。 WA DGPS 多站码观测值 载广域差分 GPS1,2 m 波相位观测值 RT PDGD ,RTK 精密差分 GPS1,5 cm二 、卫星实时定位的分类 载波相位观测值实时精密差分 GPS1,3 cmPDGS ,RTK 精密 GPS 定位都采用相对技术 。无论是在几 收稿日期 : 2002202205 ; 修回日期 :2002207215 () 作者简介 :谢世杰 19272,男 ,四川隆昌人 ,研究员 ,主要研究方向为卫星大地测量 。 RTK 测量中 , 目前 ,确定整周模糊值的可靠性约为 95 % 。 1 . 能接收 5 个以上的 GPS 卫星 。 能否连续 、可靠地接收基地站 播 发 的 信 号 , 是2 . 迁站过程中不能关机 、不能失锁 。 必须能同RTK 成功的决定因素 ,也是制约 RTK 测程的重大因 3 . 时接收到 GPS 卫星的信号和基地 素 。目 前 , RTK 系 统 的 数 据 传 输 多 采 用 超 高 频 () ( ) ( ) UHF、甚高频 VHF和高频 HF播 发 差 分 信 号 。 站播发的差分信号 。 4 . 播发差分信号采用的电台频率和电台功率 3 种频率的特点如表 3 所示 。 这 表 3 3 种频率信号的特点 都必须经过国家批准 ,受到较大限制 。 星数问题限制了 RTK 技术的应用范围 。在城频 段 UHF VHF HF 镇 、林荫 、山地等地区 ,凡所测星数少于 5 个时 , RTK 直线传播 电离层反射 传播方式 直线传播 0,50 3 50,100 > 100 测量就会遇到困难 。将来 ,当 GLONASS 星座全部组 陆上传播 距离/ km很小 大 绕射性能 很小 网 ,投入生产后 ,困难会少些 。 无 有 盲区 噪声 无 小 迁站过程中不能关机容易做到 ,不能失锁则很 大 很小投资比 1 > 50 1 难 。当迁站过程中经过树下 、立交桥 、隧道等地物 时 ,都会引起失锁 。失锁后 ,必须重新初始化 ,即重 注 : 3 采用 30 w 电台 。 新确定整周模糊值 。确定整周模糊值的时间和可靠 目前 , 在国际测绘领域的 RTK 应用中 , 无论单 性 ,取决于 4 个因素 :单频机或双频机 ,所测星数 ,至 频或双频 RTK 系统 , 都采用 UHF 电台播发差分信 号 。因此 ,为了接收到基地站播发的差分信号 ,要求 基地站的距离 ,RTK 软件的质量 。 基地站和移动站之间的天线必须“准光学通视”。这 单 、双频机初始化所需时间及至基地站的距离在沙漠 、戈壁 、沙滩 、岸边 、平原等地区的几公里范围 的关系 ,如图 1 所示 。所测星数 、确定模糊值的时间 内一般都能办到 ,能顺利进行 RTK 测量 。在不能满 和可靠性的关系 ,见图 2 。 足准光学通视的条件下 ,必须进行 RTK 测量时 , 应 采取下列 5 项措施 。 1 . 事先在测区制高点上布测 GPS 控制点 ,作为 今后的基地站 ; 2 . 缩短各点至基地站的距离 ,使其能准光学通 视 ; 3 . 提高基地站天线的架设高度 ; 4 . 有地形 、地物遮挡时 ,另增设中继站 ; 采用多基地站法克服不能准光学通视的困5 . 图 1 单 、双频机初始化所需时间及至基地站的距离关系 难 ,也可提高 RTK 成果的精确性和可靠性 。 但是 ,这些措施在外业时将增加很多困难 。因 此 ,采用 RTK 技术要求 1,3 cm的定位精度时 ,移动 站至基地站的距离 ,国际上一般都限制在几公里范 围内 。 实践证明 , RTK 的精度取决于 GPS 系统本身 , RTK 设备 ,测量环境 , 用户专业水平 , 测量等 5 大因素 。 四 、D GPS 参考站网 20 世纪 90 年代全球个别地区建立了一些参考 图 2 星数和可靠性的关系 站网 ,专为卫星实时定位服务 。主要信息见表 4 。 )(注 : 1,4 代表可靠性 ,4 为最可靠 表 4 全球主要参考站网简况 名称 组织者 性质 站数 数据格式 覆盖面积 精度 传播手段 站间距/ km 加拿大 CBN 加拿大 CNB 公益 ,50 200,1 000 cm,m FM ,AM 公益 有偿CORS 160 RINEX 美国局部 美国 NGS 100,400 cm,m 服务 日本 公益 有偿日本 COSMO ,1 000 10,50 cm,m 国土地理院服务 国际私人 RTCM 第 4 代 商业服务 全球 Inmasat 1 m Inmasat 公司SC104 GEO 卫星 RTCM 专用卫星 商业服务 Omnistar Omnistar 公司 3 全球 95 % < 1 m SC104 公益 数据网 SAPOS 德国 190 RINEX 德国 AdV 40,60 1 cm,3 m 有偿服务GSM 网 RTCM Skyfix 2 m 通信卫星 商业服务 Skyfix 公司 SC104 香港地政署 公益 中国 、香港 TCGPSA 14 10,15 cm,m 现以德国 SAPOS 为例简介如下 ,见表 5 。 表 5德国 SAPOS 概况 定位精度 定位方式 服务形式 数据格式 数据传输 数据率 应用范围 DGPS 服务 长波 陆 地 、海 洋 及 航 空 、 实时 免费 RTCM2. 0 实时定位服务 1,3 m 超短波3,5 s 航天的导航 2 m 带 控制测量 放样测量 2 m 带 高精度定位服务 实时 收费 RTCM2. 1 1 s 1,5 cm 地籍测量 GSM 国土测量 GIS 变形监测 精密1 s GSM 固定准实时 大地测量 精密电话 数据大地测量精密定位服务 收费 1 cm RINEX 15 s 工程测量 后处理网 1 h 地壳形变监测 固定电话 1 s 大地测量高精密定位服务 后处理 收费 1 cm RINEX 地球动力学 数据网 15 s ) 有盲区,轨道上的工作卫星将增加 6,12 个 ,达到 参考站网必须满足下列要求 : () 1 . 高质量的观测数据 ; 30 个卫星以上 不含轨道上备用卫星。 2 . 长距离的 OTF 模糊值解算 ,而且必须可靠 、2 . 在 2003 年开通 L2 C/ A 码 ,2008 年开通 ( ) L5 C/ A 码 频点在1 176 . 65 MHz。届时 ,接收 3 种 快速 ; ( ) 3 . 各种误差的极大削弱 ; 频率的信号 ,只需要采集几个历元 即几秒钟的数 服务必须及时 ,而且不能中断 。4 . 据 ,即可达到1 cm的相对定位精度 。 ( 只有满足这些要求 ,才能实现长距离的卫星实 3 . 计划 2005 年发射新型卫星 GPS Block IIF 共 ) 33 个,代替现在的 IIR 卫星 。IIF 卫星具有更强的 时定位 ,使 3 维定位精度从1 cm到 1,3 m 。在参考 站网中 ,实现定位精度达到厘米级的关键是解算模 抗干扰能力和防截获能力 ,而且能进行卫 —卫跟踪 Block IIF 卫星上将采用新的信号结构 。 糊值的可靠性和快速性 。 4 . 为加强抗干扰能力 , GPS 卫星将使用更大的 五 、展望 功率发播更强的 GPS 信号 。 自主导航可实时采用改进的广播星历计算 。 GPS 卫星系统将在今后 10 年逐步实现 GPS 现 5 . 改进 WGS284 坐标系统 。为此 ,将增加监测 6 . 代化 ,其主要措施有 : ( ()下转第 66 页1 . 为了保证真正全球 24 h 连续覆盖 每天不再 1 . 在控制点间不通视的情况下 ,可采用单站法 或双站法快速设站 。当设站点距控制点较近 、便于 测量设站点与控制点间的距离 ,可采用单站法 。如 果测站点距控制点远或不便于测距时 ,可采用双站 法 。这样增加了设站的灵活性 ,提高了设站速度 。 2 . 在需要支站的情况下 , 可适当采用单站法 。 这样减少了安置仪器的次数 。 参考文献 : 图 2 顾孝烈 ,鲍 峰 ,程效军. 测量学. 上海 : 同济大学出版 1 社 ,1999. ()上接第 24 页 虚拟参考站技术将会得到广泛应用 , 届时 , 8 . 站数 ,大大提高广播星历的精度 , 使其达到 1 m , 甚 RTK 将会更方便 、更灵活 、更可靠 。至可望达到 dm 级水平 。 9 . 室 内 实 时 定 位 。此 课 题 早 在 1997 年 就 由 () 7. 空间信号 SIS的精度将提高到 1. 5 m 左右 。Kee . C. 等人提出 。2001 年已有 5 个国际会议将此 8 . 当 PDOP 为 2 时 ,单机定位的绝对精度可达列为专题讨论 。理论研究和实验表明 :在小区域内 , 1,2 m ,或更高 。“这将使目前很多 DGPS 服务失去 卫星室内实时定位的精度可望达到几厘米 。如能实 生命力”。 现 ,则地下停车场 、地铁 、隧道 等领域的卫星定位 问题也可迎刃而解 。 进入 21 世纪后 ,科学技术势将迅猛发展 ,卫星 实时定位技术也很难预测 。其发展趋势或许是 :10. 美 国 宇 航 局 布 设 的“全 球 差 分 GPS 系 统” () ( ) 1 . 接收机小型化 例如手持型双频接收机 ;GDGPS即将开始商业运行 。初步结果表明 :单机实时 2 . 增强抗树林遮挡和抗电波干扰的能力 。为 定位的精度 ,平面优于 10 cm ,高程优于 20 cm。GDGPS此 ,L1 和 L2 信号的强度将分别提高 2 和 4 倍 ; 似有取代目前全球大多数 GPS 差分站网趋势 。 据美 国国防研究报告 , 预计 2003 年 , GPS 的全 3 . 增加 GPS 信号的通道数和提高差分 GPS 改 正数据的精度 ;球产值将达到 160 亿美元 。 4 . 降低码观测值和载波相位观测值的噪声 ; 展望未来 , 远观 , GNONASS 系统将完成组网任 5 . 务投 入 生 产 , 欧 洲 EGNOS 系 统 也 将 逐 步 建 设 ; 近 削弱多径效应的各种新技术将会不断出现 ; 精 化 误 差 模 型 , 例 如 : 轨 道 模 型 , 电 离 层 模看 ,美国 GPS 系统将逐步实现现代化 。届时 , 全球 6 . 型 ,对流层模型 ,区域或全球大地水准面模型 等 ; 卫星导航定位系统将成为三足鼎立 、互为补充 、互相 7 . 生产接收双星座和多星座的接收机 。竞争的大好局面 。 徕卡公司与诺瓦泰公司结成战略合作伙伴 [ 本刊讯 ] 2002 年 2 月底 ,瑞士徕卡测量系统股份有限公司正式宣布与诺瓦泰公司结成战略合作伙 伴 ,合作开发新一代 GPS 产品 。这一战略关系的建立目标是利用双方各自的技术优势共同开发新技术 ,特 ( ) 别是新的全球定位系统 GNSS相关技术 。 加拿大诺瓦泰公司是一家著名的 GPS OEM 产品制造商 。它在 2002 年 1 月赢得了欧洲宇航局的伽利略 () 系统 欧洲全球卫星导航系统信号识别与接收技术开发 ,成为拥有 GSP 、GLONASS 和伽利略 3 个全球卫 星定位系统接收机的公司 。利用诺瓦泰公司的 GPS OEM 板 ,结合徕卡公司的 RTK 和测量应用软件技术 ,将 大大加快徕卡新一代 GPS 产品的开发周期 ,并降低开发成本 。这种合作必将使双方受益 。