摘要：傳統(tǒng)導(dǎo)航型手持GPS設(shè)備，在定位精度及工程性能上都欠佳，不能很好的滿足生產(chǎn)建設(shè)中對(duì)于地理空間數(shù)據(jù)采集的高精度及高時(shí)效性等要求。使用內(nèi)置專業(yè)硬件的高精度GNSS采集設(shè)備并基于廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大大提高及發(fā)揮手持GPS采集設(shè)備在經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用性能。

　　關(guān)鍵詞：手持GPS,廣域增強(qiáng),實(shí)時(shí)差分,高精度,SDAS

　　1手持GNSS設(shè)備的應(yīng)用發(fā)展

　　1.1傳統(tǒng)手持GNSS設(shè)備的應(yīng)用起源——便攜、自動(dòng)化

　　空間地理信息數(shù)據(jù)采集的手段從最初經(jīng)典的平板測(cè)量、全站儀測(cè)量已發(fā)展到自動(dòng)化程度極高的GNSS測(cè)量。GNSS定位方式，以其自動(dòng)化、全天候、便攜性等優(yōu)點(diǎn)，被廣大測(cè)繪及地理信息工作者所接受，其效率和效益也比其他傳統(tǒng)手段有較大的提高。尤其手持式GNSS接收機(jī)的應(yīng)用，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，已經(jīng)有十幾年甚至更長(zhǎng)的歷史，被廣泛的應(yīng)用在國(guó)土測(cè)繪、規(guī)劃建設(shè)、林業(yè)調(diào)查、電力勘測(cè)、石油管網(wǎng)等領(lǐng)域。這種設(shè)備，被稱為 “導(dǎo)航型手持式GNSS接收機(jī)” 或“手持GNSS設(shè)備”。

　　1.2導(dǎo)航型手持GNSS設(shè)備應(yīng)用的弊端——精度差、易受干擾

　　導(dǎo)航型手持GNSS設(shè)備，在硬件上是低端GNSS和天線模塊，為了提高靈敏度而不注重或者不進(jìn)行多路徑效應(yīng)的抑制處理。在導(dǎo)航定位技術(shù)上，屬于單點(diǎn)定位原理，既依靠單機(jī)的計(jì)算進(jìn)行定位，未進(jìn)行GNSS系統(tǒng)誤差的修正，所以，一般的手持GNSS設(shè)備標(biāo)稱平均定位精度在5—10米，而在實(shí)際工作中，因?yàn)镚NSS的系統(tǒng)誤差及遇到各種干擾，可能定位結(jié)果會(huì)更差。

　　1.3導(dǎo)航型手持GNSS設(shè)備提高精度的方法——內(nèi)業(yè)后處理

　　在高精度定位設(shè)備未出現(xiàn)或不便于野外攜帶的時(shí)代，依靠傳統(tǒng)的導(dǎo)航型手持GNSS設(shè)備，為了提高數(shù)據(jù)的精度，能夠與原有的地形圖或原始數(shù)據(jù)吻合并符合到西安80、北京54等地方平面坐標(biāo)系上，需要通過(guò)內(nèi)業(yè)差分后處理的方式來(lái)消除衛(wèi)星軌道誤差、鐘差及信號(hào)傳播誤差等系統(tǒng)誤差。這樣的后差分方式，雖然可以適當(dāng)?shù)奶岣呤殖諫NSS設(shè)備定位的精度，但其不能在野外實(shí)時(shí)的獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，而且增加了內(nèi)業(yè)工作的難度，使整個(gè)作業(yè)流程變得復(fù)雜。

　　2實(shí)時(shí)高精度手持GNSS設(shè)備定位技術(shù)

　　為了能有效提高手持GNSS設(shè)備的精度，除了在終端硬件上的提升，實(shí)時(shí)改正系統(tǒng)的建設(shè)也是至關(guān)重要，目前存在的技術(shù)主要有三種：SBAS技術(shù)、PPP技術(shù)和RTD技術(shù)。

　　2.1熱門的星站差分技術(shù)——SBAS

　　SBAS(Satellite Based Augmentation Systems)，即基于衛(wèi)星的增強(qiáng)系統(tǒng)。是利用地球靜止軌道衛(wèi)星建立的地區(qū)性廣域增強(qiáng)系統(tǒng)。由已知其準(zhǔn)確地理位置的地面固定基站系統(tǒng)，探測(cè)、計(jì)算出GPS信號(hào)中的誤差。并通過(guò)地球同步通訊衛(wèi)星以GPS信號(hào)同樣的頻率向地面廣播增強(qiáng)信息，若終端的定位主板支持該增強(qiáng)信號(hào)的，可以實(shí)時(shí)的提高定位精度。該技術(shù)自從建立后，因?yàn)榧嫒軬PS信號(hào)較好，很快的被應(yīng)用在手持機(jī)GPS領(lǐng)域，成為熱門的GPS終端(手持GPS)實(shí)時(shí)改正技術(shù)。

　　SBAS系統(tǒng)屬于區(qū)域性的增強(qiáng)系統(tǒng)，專為指定區(qū)域的GPS終端(手持GPS)提供增強(qiáng)改正信息，可以提供米級(jí)的定位改正。目前全球發(fā)展的SBAS系統(tǒng)有：歐洲 (EGNOS);美國(guó) (WAAS)，日本(MSAS);

　　目前我國(guó)的一部分GPS用戶可以使用到日本的MSAS系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況，中國(guó)東部可以全時(shí)搜索到該信號(hào)，最高可使GPS達(dá)到1-3米的實(shí)時(shí)定位精度，但是中、西部用戶，SBAS的可用性和可靠性較差，不能滿足要求。而且目前的SBAS主要支持GPS系統(tǒng)，對(duì)于新興的星系尚不支持，受到一定的局限。

　　2.2新興的精密單點(diǎn)定位技術(shù)——PPP

　　精密單點(diǎn)定位PPP(Precise Point Positioning)技術(shù)其實(shí)早在1997年就由美國(guó)提出。該技術(shù)的思路非常簡(jiǎn)單，在GNSS定位中，主要的誤差來(lái)源于三類，即軌道誤差、衛(wèi)星鐘差和電離層延時(shí)。通過(guò)給定衛(wèi)星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測(cè)模型及算法，消除這些影響，就可以單機(jī)計(jì)算出GNSS接收機(jī)的精確位置。

　　根據(jù)PPP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的要求，定位中需要系統(tǒng)提供“衛(wèi)星的精密軌道和鐘差”。目前，只有國(guó)際GNSS服務(wù)組織(IGS)的幾個(gè)數(shù)據(jù)分析中心及少數(shù)科研機(jī)構(gòu)具備這個(gè)能力提供衛(wèi)星的精密軌道和鐘差，雖然現(xiàn)有的軌道產(chǎn)品能提供足夠高的精度，但是實(shí)時(shí)的高時(shí)間分辨率高精度鐘差產(chǎn)品仍然欠缺。此外，對(duì)比差分技術(shù)而言，PPP通常需要比較長(zhǎng)的收斂時(shí)間(幾分鐘到十幾分鐘)達(dá)到亞米級(jí)精度。這些因素導(dǎo)致了現(xiàn)階段PPP難以大規(guī)模應(yīng)用。

　　2.3成熟的實(shí)時(shí)差分技術(shù)——RTD

　　實(shí)時(shí)差分(Real Time Difference)技術(shù)，是通過(guò)移動(dòng)站(既手持GNSS設(shè)備)，與基準(zhǔn)站(CORS等)同步觀測(cè)相同的GNSS衛(wèi)星的情況下，由基準(zhǔn)站發(fā)射相關(guān)的差分改正信息，當(dāng)移動(dòng)站(或稱手持GNSS設(shè)備)接收到差分改正信號(hào)后，即可進(jìn)行迅速解算，消除衛(wèi)星的軌道誤差、鐘差，接收機(jī)鐘差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差等，從而提高移動(dòng)站(或手持GNSS設(shè)備)的實(shí)時(shí)定位精度，可以達(dá)到亞米或更高。

　　2.4三種定位技術(shù)對(duì)比

　　項(xiàng)目星站SBAS精密單點(diǎn)PPPRTD差分站

　　成熟程度較為成熟應(yīng)用較少、產(chǎn)品化不成熟成熟應(yīng)用了數(shù)十年

　　定位效果數(shù)分鐘初始化，并保持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)需要較長(zhǎng)時(shí)間初始化定位迅速，僅需數(shù)十秒實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位

　　定位精度平均精度米級(jí)，有一定偏差概率亞米或更高(單頻)亞米或更高(單頻)

　　環(huán)境要求處于其服務(wù)區(qū)域，不支持GNSS對(duì)搜星環(huán)境、數(shù)據(jù)質(zhì)量要求高典型環(huán)境即可定位

　　手持GNSS設(shè)備終端要達(dá)到其米級(jí)、亞米級(jí)甚至更高的定位精度，必須要經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)的誤差改正：星站差分SBAS技術(shù)有地域的局限性，精度穩(wěn)定性及可靠性也不高;PPP技術(shù)目前還不成熟，可操作性較差;這樣，實(shí)時(shí)差分RTD技術(shù)成為最適合手持GNSS設(shè)備提高精度的方式。

　　3廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)SDAS技術(shù)原理及應(yīng)用

　　3.1SDAS技術(shù)原理

　　“SDAS”采用的基礎(chǔ)原理為實(shí)時(shí)差分RTD技術(shù)，并以連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)NRS(Network Reference Station)技術(shù)作為主要依據(jù)，利用地面布設(shè)多個(gè)基準(zhǔn)站組成的GNSS連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，綜合利用各個(gè)基站的觀測(cè)信息，通過(guò)精確的誤差模型修正距離相關(guān)誤差，在用戶站附近產(chǎn)生一個(gè)物理上不存在的虛擬參考站，與用戶站構(gòu)成短基線或者超短基線差分，用戶站接收該基準(zhǔn)站的差分信息進(jìn)行定位。

　　南方公司在NRS技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適應(yīng)性改良，將NRS發(fā)展成為廣域網(wǎng)絡(luò)參考站(Wide Net Reference System，W-NRS)技術(shù)，將NRS技術(shù)有效的延伸到RTD領(lǐng)域，使得“網(wǎng)絡(luò)RTK”應(yīng)用發(fā)展成“網(wǎng)絡(luò)RTD”應(yīng)用。基于該技術(shù)，在一個(gè)較大區(qū)域內(nèi)，只需要建立較少的基站就能夠有效滿足了該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)的需要。目前的技術(shù)使得基站和基站之間的距離可達(dá)數(shù)百公里。

　　基于W-NRS技術(shù)，針對(duì)手持GNSS設(shè)備用戶所使用的是RTD差分信號(hào)等特點(diǎn)，推出了服務(wù)高精度手持GNSS設(shè)備用戶的“廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)”(Wide Difference Augmentation System，SDAS)，為高精度手持GNSS設(shè)備用戶提供全時(shí)的、可靠的網(wǎng)絡(luò)RTD信號(hào)。

　　3.1.1手持GNSS設(shè)備在SDAS系統(tǒng)模式下的作業(yè)流程為

　　(1)各個(gè)參考站連續(xù)采集觀測(cè)數(shù)據(jù),并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)中,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)計(jì)算;

　　(2)計(jì)算中心利用各參考站觀測(cè)值計(jì)算每條基線上各種誤差源的實(shí)際或綜合影響值,并依此建立電離層、對(duì)流層、軌道誤差等距離相關(guān)誤差的空間參數(shù)模型;

　　(3)手持GNSS用戶將單點(diǎn)定位或DGPS確定的用戶概略坐標(biāo)(NAME—GGA格式),通過(guò)無(wú)線移動(dòng)數(shù)據(jù)鏈(內(nèi)置的GPRS模塊)傳送給數(shù)據(jù)處理中心,中心利用W-NRS技術(shù)在該位置創(chuàng)建一個(gè)虛擬參考站,利用中央計(jì)算服務(wù)器結(jié)合用戶、基站和GPS衛(wèi)星的相對(duì)幾何關(guān)系,通過(guò)內(nèi)插得到虛擬參考站上各誤差源影響的改正值,并按RTCM格式發(fā)給手持GNSS設(shè)備用戶;

　　(4)手持GNSS設(shè)備用戶與虛擬參考站構(gòu)成短基線。用戶接收控制中心發(fā)送的虛擬參考站差分改正信息或者虛擬觀測(cè)值,進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算得到用戶的精確位置。

　　3.2SDAS所采用的W-NRS技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

　　擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)國(guó)際領(lǐng)先的NRS技術(shù)，其采用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)虛擬參考站算法及深度可用站搜索技術(shù)，可以大大提高參考站網(wǎng)服務(wù)的距離、移動(dòng)站解算的速度及差分信息的可靠性，從2008年開(kāi)始，已在全國(guó)建立幾十套系統(tǒng)并成功通過(guò)行業(yè)驗(yàn)收且持續(xù)良好運(yùn)行。在此基礎(chǔ)之上，廣域網(wǎng)絡(luò)參考站(W-NRS)技術(shù)，根據(jù)RTD應(yīng)用技術(shù)的特點(diǎn)和要求作了進(jìn)一步的延伸和發(fā)展，使之可以有效的解決網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)的問(wèn)題，并將基站之間的距離提高到數(shù)百公里，系統(tǒng)可用性大大提高。

　　3.2.1W-NRS的技術(shù)特點(diǎn)

　　(1)先進(jìn)性：將NRS技術(shù)有效的延伸到RTD領(lǐng)域，使得網(wǎng)絡(luò)RTK發(fā)展成網(wǎng)絡(luò)RTD，站與站之間數(shù)百公里的距離也能實(shí)現(xiàn)有效覆蓋;

　　(2)自主性：自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，利于升級(jí)維護(hù)及技術(shù)更新;

　　(3)可靠性：成熟的網(wǎng)絡(luò)RTD算法，確保用戶提供可靠的差分?jǐn)?shù)據(jù);

　　(4)可用性：DEEP-NRS熱冗余技術(shù)，確保全天候、全區(qū)域可用;

　　(5)安全性：領(lǐng)先的完好性監(jiān)測(cè)技術(shù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量安全有效;

　　3.3SDAS技術(shù)的應(yīng)用

　　當(dāng)高精度手持GNSS設(shè)備依托實(shí)時(shí)差分RTD技術(shù)來(lái)提高定位精度成為主要條件，當(dāng)自動(dòng)化、高可靠性的RTD信號(hào)源成為用戶的迫切需求。SDAS系統(tǒng)的建立對(duì)于高精度手持GNSS設(shè)備用戶而言，可謂“如魚得水”，它必將充分發(fā)揮設(shè)備性能，就單單精度的提升和保障，就可以使原本很多不能使用或無(wú)法大范圍投入的應(yīng)用成為可能，以下列舉幾個(gè)高精度手持機(jī)的功能特點(diǎn)及典型行業(yè)的應(yīng)用案例，實(shí)際上，結(jié)合SDAS的高精度手持GNSS設(shè)備應(yīng)用模式，是不勝枚舉的。

　　(1)專業(yè)級(jí)高精度定位

　　處于一個(gè)覆蓋比較好的SDAS網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)的接入了SDAS網(wǎng)絡(luò)差分信號(hào)，高精度手持GNSS設(shè)備真正實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高精度定位，定位成果滿足國(guó)土測(cè)繪、規(guī)劃、電力GIS等對(duì)精度的高要求。

　　(2)專業(yè)的測(cè)繪軟件

　　高精度手持GNSS設(shè)備結(jié)合SDAS定位精度的應(yīng)用，配備設(shè)計(jì)了專有的測(cè)繪、GIS采集軟件，精確的面積測(cè)量、地形圖測(cè)繪、地籍勘界、電力設(shè)計(jì)、GIS屬性采集，可以滿足高精度測(cè)量、GIS采集的專業(yè)需求。

　　(3)工業(yè)級(jí)高端配置

　　能夠接入SDAS的高精度手持GNSS設(shè)備，考慮到野外專業(yè)環(huán)境應(yīng)用，不僅僅在定位模塊上配置專業(yè)，在功能上也配備具有工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的高端配件——高速CPU和內(nèi)存、高IP等級(jí)的機(jī)身設(shè)計(jì)、高亮細(xì)膩的觸摸屏、穩(wěn)定多模的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊等，完全滿足野外作業(yè)的行業(yè)需求。

　　(4)通用的智能開(kāi)放平臺(tái)

　　高精度手持GNSS設(shè)備，為了支持行業(yè)應(yīng)用及二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，通常采用國(guó)際通用的平臺(tái)系統(tǒng)，如標(biāo)準(zhǔn)的Window操作系統(tǒng)平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口及開(kāi)發(fā)平臺(tái)，標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)協(xié)議平臺(tái)等，為行業(yè)及高端功能定制提供良好的支撐。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　總之，使用高精度的手持GNSS采集設(shè)備，通過(guò)其內(nèi)置的高精度硬件模塊及實(shí)時(shí)差分等軟件算法，可以消除傳統(tǒng)導(dǎo)航型手持機(jī)GPS的眾多不足，大大提高其專業(yè)領(lǐng)域的可用性，尤其再結(jié)合SDAS這樣的廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)，切實(shí)的消除GNSS誤差及提高精度，更或在高精度手持GNSS設(shè)備上，通過(guò)專門定制行業(yè)GIS系統(tǒng)。這樣，不僅僅可以滿足傳統(tǒng)小比例尺地形圖測(cè)量、土地規(guī)劃執(zhí)法監(jiān)察、電力電信GIS采集、林業(yè)水利調(diào)查、石油燃?xì)馑畡?wù)管線巡檢等行業(yè)應(yīng)用，更可以使地理信息數(shù)據(jù)的高精度采集和利用，成為可行。

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