摘要：傳統(tǒng)導航型手持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)中對于地理空間數(shù)據(jù)采集的高精度及高時效性等要求。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)濟建設(shè)各個領(lǐng)域的應(yīng)用性能。

　　關(guān)鍵詞：手持GPS,廣域增強,實時差分,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)典的平板測量、全站儀測量已發(fā)展到自動化程度極高的GNSS測量。GNSS定位方式，以其自動化、全天候、便攜性等優(yōu)點，被廣大測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接收機的應(yīng)用，在我國國民經(jīng)濟建設(shè)中，已經(jīng)有十幾年甚至更長的歷史，被廣泛的應(yīng)用在國土測繪、規(guī)劃建設(shè)、林業(yè)調(diào)查、電力勘測、石油管網(wǎng)等領(lǐng)域。這種設(shè)備，被稱為 “導航型手持式GNSS接收機” 或“手持GNSS設(shè)備”。

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

　　導航型手持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行多路徑效應(yīng)的抑制處理。在導航定位技術(shù)上，屬于單點定位原理，既依靠單機的計算進行定位，未進行GNSS系統(tǒng)誤差的修正，所以，一般的手持GNSS設(shè)備標稱平均定位精度在5—10米，而在實際工作中，因為GNSS的系統(tǒng)誤差及遇到各種干擾，可能定位結(jié)果會更差。

　　1.3導航型手持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代，依靠傳統(tǒng)的導航型手持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等地方平面坐標系上，需要通過內(nèi)業(yè)差分后處理的方式來消除衛(wèi)星軌道誤差、鐘差及信號傳播誤差等系統(tǒng)誤差。這樣的后差分方式，雖然可以適當?shù)奶岣呤殖諫NSS設(shè)備定位的精度，但其不能在野外實時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，使整個作業(yè)流程變得復雜。

　　2實時高精度手持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，實時改正系統(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)性廣域增強系統(tǒng)。由已知其準確地理位置的地面固定基站系統(tǒng)，探測、計算出GPS信號中的誤差。并通過地球同步通訊衛(wèi)星以GPS信號同樣的頻率向地面廣播增強信息，若終端的定位主板支持該增強信號的，可以實時的提高定位精度。該技術(shù)自從建立后，因為兼容GPS信號較好，很快的被應(yīng)用在手持機GPS領(lǐng)域，成為熱門的GPS終端(手持GPS)實時改正技術(shù)。

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

　　目前我國的一部分GPS用戶可以使用到日本的MSAS系統(tǒng)，根據(jù)實際測試情況，中國東部可以全時搜索到該信號，最高可使GPS達到1-3米的實時定位精度，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新興的精密單點定位技術(shù)——PPP

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

　　根據(jù)PPP技術(shù)實現(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，只有國際GNSS服務(wù)組織(IGS)的幾個數(shù)據(jù)分析中心及少數(shù)科研機構(gòu)具備這個能力提供衛(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，但是實時的高時間分辨率高精度鐘差產(chǎn)品仍然欠缺。此外，對比差分技術(shù)而言，PPP通常需要比較長的收斂時間(幾分鐘到十幾分鐘)達到亞米級精度。這些因素導致了現(xiàn)階段PPP難以大規(guī)模應(yīng)用。

　　2.3成熟的實時差分技術(shù)——RTD

　　實時差分(Real Time Difference)技術(shù)，是通過移動站(既手持GNSS設(shè)備)，與基準站(CORS等)同步觀測相同的GNSS衛(wèi)星的情況下，由基準站發(fā)射相關(guān)的差分改正信息，當移動站(或稱手持GNSS設(shè)備)接收到差分改正信號后，即可進行迅速解算，消除衛(wèi)星的軌道誤差、鐘差，接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等，從而提高移動站(或手持GNSS設(shè)備)的實時定位精度，可以達到亞米或更高。

　　2.4三種定位技術(shù)對比

　　項目星站SBAS精密單點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，并保持實時動態(tài)需要較長時間初始化定位迅速，僅需數(shù)十秒實現(xiàn)實時定位

　　定位精度平均精度米級，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)備終端要達到其米級、亞米級甚至更高的定位精度，必須要經(jīng)過實時的誤差改正：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，實時差分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)原理為實時差分RTD技術(shù)，并以連續(xù)運行參考站系統(tǒng)NRS(Network Reference Station)技術(shù)作為主要依據(jù)，利用地面布設(shè)多個基準站組成的GNSS連續(xù)運行網(wǎng)絡(luò)，綜合利用各個基站的觀測信息，通過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，用戶站接收該基準站的差分信息進行定位。

　　南方公司在NRS技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了適應(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數(shù)百公里。

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

　　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)各個參考站連續(xù)采集觀測數(shù)據(jù),并實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理與控制中心的數(shù)據(jù)庫中,進行網(wǎng)絡(luò)計算;

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

　　(3)手持GNSS用戶將單點定位或DGPS確定的用戶概略坐標(NAME—GGA格式),通過無線移動數(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)建一個虛擬參考站,利用中央計算服務(wù)器結(jié)合用戶、基站和GPS衛(wèi)星的相對幾何關(guān)系,通過內(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值,進行實時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)勢及特點

　　擁有自主知識產(chǎn)權(quán)國際領(lǐng)先的NRS技術(shù)，其采用先進的網(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、移動站解算的速度及差分信息的可靠性，從2008年開始，已在全國建立幾十套系統(tǒng)并成功通過行業(yè)驗收且持續(xù)良好運行。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)的特點和要求作了進一步的延伸和發(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

　　(1)先進性：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現(xiàn)有效覆蓋;

　　(2)自主性：自主知識產(chǎn)權(quán)，利于升級維護及技術(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數(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)測技術(shù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量安全有效;

　　3.3SDAS技術(shù)的應(yīng)用

　　當高精度手持GNSS設(shè)備依托實時差分RTD技術(shù)來提高定位精度成為主要條件，當自動化、高可靠性的RTD信號源成為用戶的迫切需求。SDAS系統(tǒng)的建立對于高精度手持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法大范圍投入的應(yīng)用成為可能，以下列舉幾個高精度手持機的功能特點及典型行業(yè)的應(yīng)用案例，實際上，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)級高精度定位

　　處于一個覆蓋比較好的SDAS網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，自動的接入了SDAS網(wǎng)絡(luò)差分信號，高精度手持GNSS設(shè)備真正實現(xiàn)了實時高精度定位，定位成果滿足國土測繪、規(guī)劃、電力GIS等對精度的高要求。

　　(2)專業(yè)的測繪軟件

　　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)計了專有的測繪、GIS采集軟件，精確的面積測量、地形圖測繪、地籍勘界、電力設(shè)計、GIS屬性采集，可以滿足高精度測量、GIS采集的專業(yè)需求。

　　(3)工業(yè)級高端配置

　　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)級標準的高端配件——高速CPU和內(nèi)存、高IP等級的機身設(shè)計、高亮細膩的觸摸屏、穩(wěn)定多模的無線網(wǎng)絡(luò)模塊等，完全滿足野外作業(yè)的行業(yè)需求。

　　(4)通用的智能開放平臺

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

　　4結(jié)束語

　　總之，使用高精度的手持GNSS采集設(shè)備，通過其內(nèi)置的高精度硬件模塊及實時差分等軟件算法，可以消除傳統(tǒng)導航型手持機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系統(tǒng)，切實的消除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、石油燃氣水務(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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