1、基于 RTCM 数据格式的虚拟参考站技术算法研究四川测绘第 30 卷第 1 期 2007 年 2 月 3基于 RTCM 数据格式的虚拟参考站技术算法研究张锋郝金明李超王爱兵(信息工程大学测绘学院,河南郑州 450052)摘要虚拟参考站技术是网络 RTK 的一种,它以众多的优势代表了网络 RTK 的主要发展趋势.本文介绍了 VRS系统的工作原理,详细推导了 VRS 的数学模型,针对差分改正信息,提出了综合误差内插算法,分析了 RTCM数据格式的特点及其在 VRS 技术中的应用,并做了实验验证,结合编程计算,证明了本文中 VRS 数学模型的正确性,为虚拟参考站系统的进一步研究提供依据.关键词RTC
2、M;虚拟参考站:网络 RTK;整周模糊度中图分类号P228.4文献标识码A文章编号1001.8379(2007)01.0003.04ALGOITHMRESEARCHINGOFVISUALREFERENCES11ATIONBASEDONTHERTCMDATAFORMATZHANGFeng,HAOJinming,LIChao,WANGAi-bing(InstituteofSurveyingandMapping,InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450052,China)Abstract:11heVirtualReferenceStationtech
3、niqueisoneoftheNetworkRTK,whichstandsforthefuturetrendofGPSNetworkRTKduetoitsmanyadvantages,11lispaperintroducedtheworkprincipleofVRS,deducedthemathematicmodelofVRSindetail,proposedthemethodofintegratedbiasinterpolation,analyzedthecharacteristicofRTCMDataFormat,anddidexperimentfortest,provedthevalid
4、ityoftheVRSpositioningaccordingtoourprogram,whichcouldprovideconsultforfurtherresearching.KeyWords:RTCM;VirtualReferenceStation;NetworkRTK;IntegerAmbiguity1 引言在一定区域内建立多个(一般为三个或三个以上)基准站 ,对该地区构成网状覆盖,并以这些基准站中的一个或多个为基准,计算和发播改正信息,对该地区内的卫星定位用户进行实时误差改正的定位技术,称为网络 RTK,又称为多基准站 RTK.它摒弃了常规 RTK 中假设流动站和基准站的电离层.延迟
5、,对流层延迟和轨道误差等多种误差影响是一样的假设,而是利用在一定区域内,多种系统误差(如电离层延迟,对流层延迟和轨道误差等)具有较强的相关性,根据多个基准站的已知误差用一定的算法来推算该区域内任何一处流动站的未知误差,然后再解算整周模糊度,从而得到高精度的实时 RTK 定位结果“.虚拟参考站技术(VRS)是 GPS 网络 RTK 中一种比较成熟的,可实时提供高精度导航定位信息的技术,它主要利用网络内所有基准站原始观测数据,在流动站附近实时模拟一组参考站数据(包括参考站坐标和 GPS 载波相位观测值), 实现对“ 参考站数据的模拟和重建“.VRS 技术的主要优点为覆盖范围广,定位精度高,可靠性高
6、.因此,VRS 技术逐渐成为 GPS 精密定位研究的一个热点.2VRS 数学模型虚拟参考站(VRS)技术是一个连续运行的 GPS多参考站系统,参考站的个数至少为三个.如图 1所示:图 1 虚拟参考站原理参考站 C2.1 参考站间双差改正数的生成假定多路径效应和接收机测量噪声均被控制4 四川测绘第 3O 卷第 1 期 2007 年 2 月在可以忽略的范围之内,根据 GPS 定位理论,各参考站的载波相位观测方程为:=.=I+c(St 一 8t)一,.=I+一 Ar 二(2.1.1)=+C(St 一 8t)一+一 A(2.1.2)=+C(Stc 一 8t)一+一(2.1.3)参考站 B,C 分别与主
7、参考站 A 组成双差观测方程为:=A 一 I+AV 一 2AV(2.1.4)=cAc+AV-ZVNc(2.1.5)上述两式中的 zvA#和 XVAc 可以由相位观测值算出.由于参考站坐标精确已知,卫星位置可根据卫星星历计算得到,所以和Vc 也可精确计算.只要精确地求出双差模糊度,各参考站间的双差电离层延迟和双差对流层延迟就可以确定出来,将两者的合并影响用综合误差 V 表示,则:y:一 I+AVT:一胛一 V(2.1.6)y:一 I+AVT=c 一c 一 Vc(2.1.7)由此可见,参考站双差改正数生成算法的前提是正确解算出基准站之间的双差整周模糊度.由于各基准站相距几十到上百公里,与距离相关误
8、差的空间相关性较弱,增加了求解整周模糊度的难度,因此网络 RTK 系统的初始化时间一般需要几分钟至几十分钟.2.2 虚拟观测值的生成虚拟站相对于主参考站的双差观测方程为:(一 )=(一)一(一)+(一 )一(一)=AVp一,+AVrL 一 P(2.2.1)根据流动站发回的概略坐标和基准站间双差改正信息,采用一定的内插算法,可以算出虚拟参考站处的双差改正数,将其代入(2.2.1)得:一)=+一,IAVNq(2.2.2)上式中为主参考站 A 的载波相位观测值星间单差,可直接根据载波相位观测值解算得到;hVpP 为星站间几何距离双差,由 A,P 的坐标已知,也可直接得到;A,P 间屯离层延迟和对流层
9、延迟双差可采用改正.所以虚拟参考站观测值的单差观测值为:=1 凸 v0P+)+一 AV(2.2.3)2.3 流动站处的定位解算流动站 U 的非差载波相位观测方程为:筋=+c(Stv 一 8t)一+一(2.3.1)组成星间单差为:2A=一 cgSt 一+-ZaN(2.3.2)则流动站 u 与虚拟参考站 P 之间的双差方程为:(一 ):(一)一(一)+(一 )一(一)=AI+AVr,一 XaVN(2.3.3)由于虚拟参考站 P 距离流动站 U 较近,一般为十几米至几十米,所以其与距离相关的双差误差残差基本相等,即有:=.(2.3.4)I=0AV=0所以(2.3.3)是可以简化为 :(一 )=AVp
10、g.一(2.3.5)将(2.2.3)带入上式得 :=一( +AV)+(2.3.6)四川测绘第 30 卷第 1 期 2007 年 2 月 5(AV+AVNP)可作为整体参数求解,流动站坐标包含在 avpp 中,按相对定位的方法解上述方程即可得流动站坐标.由于上述双差观测方程中,电离层延迟,对流层延迟和轨道误差等与距离相关的误差得到消除或较大的削弱,因此其动态定位的精度可达到厘米级,并且其初始化时间将大大减少.3RTCM 差分改正信息虚拟参考站技术的核心就是融合所有参考站的数据,建立更为完善的用户本地系统误差模型,生成所谓的误差改正数以消除系统误差对相对定位的影响.生成的误差改正数要实时地发送给流
11、动站,目前常用的是 RTCM 电文格式.3.1RTCM 电文国际海运事业无线电委员会(RadioTechnicalCommissionForMaritime,RTCM)为全球推广应用差分 GPS 业务,制定了各种数据格式标准.1985年 l1 月发表了 V1.0 版本的建议文件,1994 年公布了 V2.1 版本,增加了几个支撑实时动态定位(RTK)的新电文,又于 1998 年 1 月公布了 V2.2 版本,主要内容是增加了 GLONASS 系统有关的差分信息, 并且提高了差分改正数的抗差性能,增大了可用信息【7】亘 oRTCM 共有 21 类 63 种电文,每一帧为 N+2 个字长(N 为数
12、据中的字码数),并随电文类型和内容而改变盯.每一帧电文的前两个字码是通用电文,适用于所用类型的电文:参考站信息,用户主帧同步用的参考时间和信息.表 1,表 2 分别给出了第 1和第 2 字码的内容和结构,表 3 给出了 VRS/RTK 系统中用到的几类电文及内容.表 1 第 1 和第 2 字码内容表 2 第 1 和第 2 字码结构电文第一字码l 一 89141524253O引导字电文类型基准站识别奇偶校验电文第二字码1-1314-1617-2122-24253O修正的序号帧长基站奇偶校验Z 计数状况表 3RTK 常用电文部分RTCM 电文保留了 GPS 电文的字长,字格式,奇偶校验和其它特性,
13、并增强了奇偶校验规则,这样便于检验出数据中的误差,提高用户使用的可靠性.因此,网络 RTK 普遍采用 RTCM 电文格式进行数据传输.3.2RTCM 差分改正信息在 VRS 中的应用在虚拟参考站系统中,数据中心实时接收各参考站的原始观测数据,一旦接收到由流动站发来的概略坐标,即在此坐标处生成一个虚拟参考站,同时利用参考站精确已知的坐标和参考站实时观测数据来对 VRS 与各颗卫星的路径上的双差错综合误差建模,并生成 VRS 的虚拟观测值或者直接把 VRS 虚拟观测值改正数发送给用户站,从而实现高精度实时定位.改正数通常采用 RTCM 格式,在 RTCM 中 ,Typel8/19,Type20/2
14、1 是一组用于实时高精度动态测量与定位的专用电文,Typel8 提供载波相位原始观测量,Type19 提供原始伪距观测量.这两组观测量都是基准站观测的原始数据,可直接供 RTK 应用;Type20 提供载波相位改正数,Type21 提供伪距改正数,这两组电文是由基准站的已知精确坐标计算出来的,供准载波相位差分应用.4 实验与分析为了验证 VRS/RTK 测量的精度 ,本文设计了如下实验:在郑州附近四个己知点(坐标精确己知)上,架设四台 LeicaRS500 双频高精度测地型接收机,网型结构如图一所示,其中三个己知点作为基6 四川测绘第 30 卷第 1 期 2007 年 2 月准站,另一个作为流
15、动站,己知点 B 和 C 距基准站A 的距离分别为 30.4Km 和 42.6Km.设置历元间隔为 30 秒,同步观测了一个时段,采用事后处理的方式,分别计算流动站三个坐标分量上 VRS/RTK 测量值与已知值之差,结果如图所示:0.0.O 唾0.0200.020.O40.0l6.0.0.O60.0.020-0.020.040.O60.080.060.0.020.0.02.0.明一0.060.085t3图 250100l502O025O图 3Y 方向上误差分布50100l50225O图 4Z 方向上误差分布图中纵轴表示误差大小,单位为厘米,横轴表示历元数.由误差分布图可以看出,基准站间模糊度确
16、定以后,利用单历元观测数据,就可以达到厘米级定位精度,其中 X 方向上的中误差为 2.0 厘米,Y 方向上的中误差为 2.1 厘米,Z 方向上的中误差2.0 厘米.5 结束语VRS 技术集成了计算机技术,internet 技术,无线通信技术和高精度 GPS 定位技术,其核心技术包括基准站间模糊度快速解算,差分改正信息及虚拟观测值的生成.随着实时动态高精度定位需求的增加,网络 RTK 技术代表了 GPS 发展的最新动态,对网络 RTK 技术的研究,可以满足各类不同行业用户对精密定位,快速和实时定位,导航的需求,满足城市规划,国土测绘,地籍管理,城乡建设,环境监测,防灾减灾,交通监控等多种现代信息化管理的社会需求.参考文献1张成军.虚拟参考站误差分析与算法研究D. 郑州:信息工程大学,2005.2许其风.空间大地测量学M.北京:解放军出版社,2001.3魏子卿等.GPS 相对定位的数学模型M.北京:测绘出版社,1998.4吴北平,李征航 .GPS 网络 RTK 线性组合法与内插法关系的讨论J,2003.5杨小军.虚拟参考站技术与差分改正信息的研究D.成都:西南交通大学,2005.