基于網(wǎng)絡GPS和精化大地水準面的區(qū)域實時三維定位理論與應用.pdf

1、近年來，GPS技術和(似)大地水準面精化技術得到了迅猛發(fā)展，GPS定位精度從米級到厘米級甚至更高，似大地水準面精化精度也進入1厘米時代，并逐漸成為替代傳統(tǒng)測量方法的重要手段。然而，隨著GPS技術的不斷革新，人們對技術本身可能達到的精度、可靠性、實時性與有效性提出了更高的要求。同時，隨著連續(xù)運行GPS參考站(或網(wǎng)絡GPS)和高精度(似)大地水準面模型的逐步建立與完善，使區(qū)域測繪基準將向實時、動態(tài)方向發(fā)展，而基于這兩者的定位服務又是極具潛力

2、的應用服務，因此，研究基于網(wǎng)絡GPS和大地水準面精化的區(qū)域三維實時定位理論與應用服務具有很高的理論價值與現(xiàn)實意義。本文在深入分析連續(xù)運行GPS參考站(CORS)和精化(似)大地水準面的基礎上，對區(qū)域網(wǎng)絡GPS系統(tǒng)和高精度(厘米量級)大地水準面模型的建立理論和方法進行了重點研究，并成功建立了成都綜合GPS服務網(wǎng)(Chengdu Integrated GPS Network，CDIGN)和高精度似大地水準面精化模型。同時，就精化模型與網(wǎng)絡G

3、PS的應用與集成展開了廣泛研究，包括CORS系統(tǒng)性能測試與評估、區(qū)域測繪基準的快速恢復、大地水準面模型與CORS系統(tǒng)集成方法、大地水準面查詢系統(tǒng)與傳統(tǒng)高程控制網(wǎng)系統(tǒng)偏差探測等。主要內容包括：
　　 ⑴介紹了區(qū)域網(wǎng)絡GPS衛(wèi)星定位的關鍵技術，包括GPS載波相位與碼偽距觀測方程、GPS觀測誤差、網(wǎng)絡模糊度與網(wǎng)絡參數(shù)估計方法、網(wǎng)絡RTK的計算模型以及CORS系統(tǒng)的通訊協(xié)議等主要內容。并成功建立了CDIGN服務系統(tǒng)，采用卡爾曼濾波和LA

4、MBDA法求解了網(wǎng)絡模糊度，采用ARSNet/VENUS軟件實時估計了CDIGN的天頂對流層延遲網(wǎng)絡參數(shù)，實踐證明，該方法穩(wěn)定可靠。
　　 ⑵基于ARSNet/VENUS網(wǎng)絡RTK服務系統(tǒng)的CORS系統(tǒng)性能測試結果表明：在CORS網(wǎng)內，初始化時間基本呈均勻分布，最短為2-3s，最長為103s，平均為9.2s，且初始化時間與DOP值的大小(DOP值小于3的情況下)無關；在網(wǎng)外30km左右范圍內，平均初始化時間不大于6s，而隨著網(wǎng)外

5、距離的增加(30km以外)，初始化時間將會越長，從幾秒增加到480s以上，而在60km以外則難以完成初始化。單歷元定位的內符合精度北、東方向基本一致，其中誤差約為±1.0cm，最大誤差約為4～5cm；高程中誤差為±1.4cm；兩次初始化的坐標較差、CORS網(wǎng)內與CORS網(wǎng)外(約60km范圍內)網(wǎng)絡RTK的絕對定位精度基本一致，平面定位精度(中誤差)約±3.0cm，大地高定位精度(中誤差)約±5cm，即流動站自由度為零的靜態(tài)測試。短邊(1

6、0～1000m之間)GPS測量中，采用同步RTK測量可以提高邊長相對中誤差，可以測邊網(wǎng)(同步RTK測量邊)或三維坐標差(同步RTK測量坐標差)為觀測值進行進行數(shù)據(jù)處理，其中，三維坐標差平差后其邊長相對中誤差約為非同步觀測的1/3，可以達到《全球定位系統(tǒng)城市測量技術規(guī)程》(CJJ73-97)二級GPS網(wǎng)的技術要求。動態(tài)RTK測量主要受通訊狀況、衛(wèi)星幾何分布以及觀測條件等因素的影響。自由度為1(動態(tài)線性)的內符合精度約為1.6cm。在地形空

7、曠、通訊信號連續(xù)的條件下，動態(tài)RTK軌跡連續(xù)平滑，其平面定位精度可以達到4cm。
　　 ⑶全面研究了精化大地水準面的理論與方法，即Stokes理論與Molodensky理論，幾何法、重力法和組合法，以及似大地水準面的計算方法-移去恢復法，計算了西南某地區(qū)以EGM96和WDM94為參考重力場模型的1′×1′(約2km)和2′30″×2′30″(約5km)格網(wǎng)重力似大地水準面模型。并對以WDM94為參考重力場模型構建的格網(wǎng)似大地水準

8、面模型進行了外業(yè)檢驗，結果表明，該地區(qū)1′和2′30″格網(wǎng)似大地水準面試算結果中高程異常的外部檢核精度分別為±0.009m和±0.017m，完成了高精度(1cm)似大地水準面精化目標。研究結果還表明，1′×1′幾何似大地水準面模型的內插精度約為相同格網(wǎng)重力似大地水準面模型的2～3倍，表明重力資料在似大地水準面精化中有著顯著的作用。詳細分析了幾種常用內插模型(加權平均、Shepard曲面擬合、多項式擬合及移動曲面擬合法)的擬合精度，結果表

9、明，其內插精度基本一致。同時，在面積不大、地勢較為平坦的地區(qū)，可以直接采用幾何法進行內插來實現(xiàn)高精度(厘米量級)的GPS高程轉換。
　　 ⑷結合CDIGN和該地區(qū)1′和2′30″格網(wǎng)似大地水準面模型，成功開發(fā)了似大地水準面查詢系統(tǒng)，并成功探測了該地區(qū)傳統(tǒng)高程控制網(wǎng)的系統(tǒng)偏差。同時，實現(xiàn)了該地區(qū)5.12汶川大地震后測繪基準的快速恢復。提出了基于NMEA0183協(xié)議或基于RTCM協(xié)議的精化大地水準面模型集成方法，用戶可以實時獲取某點

10、的高程異常(或正常高)。前者以ARSNet/VENUS系統(tǒng)為例，定義了數(shù)據(jù)中心與用戶數(shù)據(jù)通訊的交互協(xié)議，即流動站發(fā)出的GPGGA數(shù)據(jù)與返回流動站的GPGGA數(shù)據(jù)相比，唯一不同的是后者帶有高程異常值，這樣，流動站就可以獲得其正常高。后者通過GPS觀測距離的改正，即在相應衛(wèi)星的VRS觀測值上加上高程異常的改正值，并將其發(fā)送到流動站上，即可在流動站上直接計算出相應的正常高。
　　 ⑸在GPS系統(tǒng)和Galileo系統(tǒng)的基礎上，初步分析了