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基于网络GPS和精华大地水准面的区域实时三维定位理论与应用

李春华  
【摘要】:近年来,GPS技术和(似)大地水准面精化技术得到了迅猛发展,GPS定位精度从米级到厘米级甚至更高,似大地水准面精化精度也进入1厘米时代,并逐渐成为替代传统测量方法的重要手段。然而,随着GPS技术的不断革新,人们对技术本身可能达到的精度、可靠性、实时性与有效性提出了更高的要求。同时,随着连续运行GPS参考站(或网络GPS)和高精度(似)大地水准面模型的逐步建立与完善,使区域测绘基准将向实时、动态方向发展,而基于这两者的定位服务又是极具潜力的应用服务,因此,研究基于网络GPS和大地水准面精化的区域三维实时定位理论与应用服务具有很高的理论价值与现实意义。 本文在深入分析连续运行GPS参考站(CORS)和精化(似)大地水准面的基础上,对区域网络GPS系统和高精度(厘米量级)大地水准面模型的建立理论和方法进行了重点研究,并成功建立了成都综合GPS服务网(Chengdu Integrated GPS Network, CDIGN)和高精度似大地水准面精化模型。同时,就精化模型与网络GPS的应用与集成展开了广泛研究,包括CORS系统性能测试与评估、区域测绘基准的快速恢复、大地水准面模型与CORS系统集成方法、大地水准面查询系统与传统高程控制网系统偏差探测等。 本文的主要内容包括以下几部分: 1.全面介绍了区域网络GPS卫星定位的关键技术,包括GPS载波相位与码伪距观测方程、GPS观测误差、网络模糊度与网络参数估计方法、网络RTK的计算模型以及CORS系统的通讯协议等主要内容。并成功建立了CDIGN服务系统,采用卡尔曼滤波和LAMBDA法求解了网络模糊度,采用ARSNet/VENUS软件实时估计了CDIGN的天顶对流层延迟网络参数,实践证明,该方法稳定可靠。 2.基于ARSNet/VENUS网络RTK服务系统的CORS系统性能测试结果表明:在CORS网内,初始化时间基本呈均匀分布,最短为2-3s,最长为103s,平均为9.2s,且初始化时间与DOP值的大小(DOP值小于3的情况下)无关;在网外30km左右范围内,平均初始化时间不大于6s,而随着网外距离的增加(30km以外),初始化时间将会越长,从几秒增加到480s以上,而在60km以外则难以完成初始化。 单历元定位的内符合精度北、东方向基本一致,其中误差约为±1.0cm,最大误差约为4-5cm;高程中误差为±1.4cm;两次初始化的坐标较差、CORS网内与CORS网外(约60km范围内)网络RTK的绝对定位精度基本一致,平面定位精度(中误差)约±3.0cm,大地高定位精度(中误差)约±5cm,即流动站自由度为零的静态测试。 短边(10~1000m之间)GPS测量中,采用同步RTK测量可以提高边长相对中误差,可以测边网(同步RTK测量边)或三维坐标差(同步RTK测量坐标差)为观测值进行进行数据处理,其中,三维坐标差平差后其边长相对中误差约为非同步观测的1/3,可以达到《全球定位系统城市测量技术规程》(CJJ73-97)二级GPS网的技术要求 动态RTK测量主要受通讯状况、卫星几何分布以及观测条件等因素的影响。自由度为1(动态线性)的内符合精度约为1.6cm。在地形空旷通讯信号连续的条件下,动态RTK轨迹连续平滑,其平面定位精度可以达到4cm。 3.全面研究了精化大地水准面的理论与方法,即Stokes理论与Molodensky理论,几何法、重力法和组合法,以及似大地水准面的计算方法--移去恢复法,计算了西南某地区以EGM96和WDM94为参考重力场模型的1'×1'(约2km)和2'30"×2'30"(约5km)格网重力似大地水准面模型。并对以WDM94为参考重力场模型构建的格网似大地水准面模型进行了外业检验,结果表明,该地区1'和2'30"格网似大地水准面试算结果中高程异常的外部检核精度分别为±0.009m和±0.017m,完成了高精度(1 cm)似大地水准面精化目标。研究结果还表明,1'×l'几何似大地水准面模型的内插精度约为相同格网重力似大地水准面模型的2-3倍,表明重力资料在似大地水准面精化中有着显著的作用。 详细分析了几种常用内插模型(加权平均、Shepard曲面拟合、多项式拟合及移动曲面拟合法)的拟合精度,结果表明,其内插精度基本一致。同时,在面积不大、地势较为平坦的地区,可以直接采用几何法进行内插来实现高精度(厘米量级)的GPS高程转换。 4.结合CDIGN和该地区1'和2'30"格网似大地水准面模型,成功开发了似大地水准面查询系统,并成功探测了该地区传统高程控制网的系统偏差。同时,实现了该地区5.12汶川大地震后测绘基准的快速恢复。 提出了基于NMEA0183协议或基于RTCM协议的精化大地水准面模型集成方法,用户可以实时获取某点的高程异常(或正常高)。前者以ARSNet/VENUS系统为例,定义了数据中心与用户数据通讯的交互协议,即流动站发出的GPGGA数据与返回流动站的GPGGA数据相比,唯一不同的是后者带有高程异常值,这样,流动站就可以获得其正常高。后者通过GPS观测距离的改正,即在相应卫星的VRS观测值上加上高程异常的改正值,并将其发送到流动站上,即可在流动站上直接计算出相应的正常高。 在GPS系统和Galileo系统的基础上,初步分析了GNSS星座的定位精度,结果表明,在观测卫星数及DOP值方面,GNSS系统明显优于GPS系统,当两系统组合进行导航定位时,任意时刻能见的卫星个数增加,其DOP值相对于单系统更小,突破了卫星高度角对系统定位的限制,扩展了卫星定位的范围,尤其在建筑密集的都市及山区环境中,定位具有实际应用意义。


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