多星座CORS混合观测网络实时位置服务关键技术研究

摘要

随着GNSS技术在地球物理、大地测量等方向的深入研究和应用，国内以中国大陆构造环境监测网络和各省级CORS为代表的各行业和区域CORS网络相继建成，并已覆盖我国大部分地区。CORS站已经成为空间数据基础设施的重要组成部分，并激起了广域范围厘米级实时位置服务研究热潮;但是由于应用目标的差异，各CORS对GNSS接收机设备、网络通讯环境等的建设标准不一，以网络RTK应用为代表的CORS网实时服务相关应用很少将不同CORS网混合应用。
　　近年来，中国北斗卫星导航系统组网不断完善，GPS/BDS/GLONASS三星系统目前在亚太地区平均可观测的GNSS卫星数已经多于25颗。为了进一步改善CORS站观测质量和位置服务能力，部分CORS网正在或者正准备对现有站点进行BDS升级，而其他CORS网出于建设成本和应用目的考虑，未进行或者只对部分站点进行了升级。这种测站间可用星座的差异进一步加大了多星座CORS观测网混合应用的难度。
　　随着物联网的深入发展，支持广域范围、海量用户的分米级和厘米级高精度位置服务需求越趋强烈;《国家卫星导航产业中长期发展规划》也明确指出，到2020年，我国的卫星导航产业规模将超过4000亿元。届时，单独依靠某个部门的资源将很难满足产业需求，整合现有CORS资源已经成为当前GNSS位置服务产业发展的主要课题。
　　然而，实际应用情况不容乐观。首先，目前仍然缺乏一套有效管理所有CORS站的方案;其次，现有的网络RTK服务系统在接收机和天线多样化、通讯和观测条件复杂的混合观测网应用中的表现并不理想，且在兼容BDS网络RTK服务方面仍有不足。相关课题仍需进一步研究。
　　为了适应当前GNSS位置服务产业发展，加强BDS/CORS网络实时位置服务应用，本文围绕多星座CORS混合观测网络实时位置服务中涉及的GNSS观测模型与误差分析、混合观测网的组网与解算策略、VRS技术和GNSS观测网络位置服务的性能监测等关键技术进行了深入研究，并取得了部分成果，可以为多星座CORS混合观测网应用提供了理论参考。
　　文中首先结合GNSS各星座系统、国内CORS观测网，以及实时位置服务技术的发展现状，阐述了多星座观测网络位置服务实现的可行性;根据当前我国GNSS技术革新与产业升级的现实需求，论述了多星座CORS混合观测网络理论研究的现实意义;并进一步概括了多星座观测网位置服务相关技术现状，及其在大型混合观测网和海量用户服务环境下的不足。
　　在此基础上，论文主体由GNSS观测模型展开，详细介绍了GNSS观测方程及观测值的线性组合;并基于GNSS相对定位几何模型，提出了一种新的GNSS相对定位解算模型，该模型具有最小二乘解算过程中系数阵保持不变的特性，在多星座GNSS相对定位时的解算效率将明显优于传统的一阶泰勒展开式模型。
　　围绕双差观测中的空间距离相关误差和非空间距离相关误差，详细描述了各项误差的特性，并针对厘米级RTK定位需求介绍了相应的处理方案。值得一提的是，双差电离层的时空特性显示，即使在低纬度地区，夜间12点到次日8点期间电离层变化稳定，对双差观测的影响在1IDU左右，可以忽略其对宽巷组合观测的影响;根据这个特点，有助于处理硬件延迟和多路径延迟等与频率相关的误差。
　　在观测网络的组网方面，针对多星座CORS混合观测网内各CORS站支持的GNSS星座存在差异，提出了按星座系统构网解算和生成虚拟观测值的思路，可有效避免各星座产生服务盲区;同时，为快速添加参考站，改善区域RTK服务质量，提出了基于GNSS观测网现有空间误差改正模型，快速解算新增站点精确坐标的方法，可以与中央差分技术结合提高站点的坐标解算效率;并提出了CORS网型结构因子的概念，针对空间误差改正，定量地描述参考站网络的网形结构对网络RTK定位性能的影响，对于CORS网优化和网络RTK服务性能评价给出了理论和实用化的技术指标。
　　在网络解算方面，提出了基于宽巷组合综合误差改正模型，快速确定宽巷模糊度的方法。针对CRTN、JDCORS和HKCORS分别代表的中纬度沿海地区、中纬度内陆地区和低纬度地区进行试验分析，结果显示测试区域的宽巷组合综合误差的内插精度优于0.3周，只需少量测站即可满足全网宽巷组合综合误差的内插需要。采用该方法，GNSS混合观测网中只需要考虑部分测站的伪距多路径和GLONASS伪距频间偏差影响，可以有效提高CORS网络解算效率和可靠性，降低观测网其他测站的伪距质量要求，降低GNSS观测网的建设成本。
　　为适应海量用户需求，提出了虚拟单基站网络的服务模式，可以与普通单基站应用兼容。实验以站间距所引起的基线分量误差小于1cm2为例，得到JDCORS和HKCORS两个CORS网的虚拟单基站的站间距分别可以达到3公里（南北方向）、4公里（东西方向）和0.2公里（南北方向）、2公里（东西方向），从而只需构建少量的虚拟单基站即可满足服务需求。
　　在CORS网位置服务性能检测方面，结合时滞分析和形态学滤波提出了一种三差残差预测方法，可监测地表突变对CORS网位置服务坐标框架的影响。利用2013年芦山Ms7.0级地震期间四川省地震局GNSS观测网的部分测站数据进行模式实时监测，结果显示该方法可以快速感知水平方向小于10mm、垂向方向小于20mm的测站突变。
　　文章最后结合实际应用分别介绍了课题组自主研发的“基站管理与服务系统”和多星座GNSS网络RTK服务系统(VENUS)。相关实验表明，VENUS在GPS+GLONASS服务下与国际上同类的性能相当，但在联合BDS的网络RTK服务下，极大地提升了复杂环境下流动站的固定率，同时实验也验证了BDS网络RTK定位质量与GPS相当。

目录

声明

摘要

缩略语

第1章 绪论

1．1 引言

1．1．1 GNSS卫星导航定位系统现状

1．1．2 GNSS实时位置服务技术背景

1．1．3 多星座混合观测网络理论的研究意义

1．2 多星座CORS观测网络位置服务技术现状

1．2．1 网络RTK技术

1．2．2 空间相关误差改正

1．2．3 多星座系统的异构性

1．2．4 网络通讯与数据编码技术

1．2．5 位置服务的质量控制

1．3 混合观测网络实时位置服务关键问题的提出

1．4 本文的研究目标和内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 实验条件

1．4．3 研究目标

1．4．4 研究内容

第2章 GNSS观测模型与误差分析

2．1 GNSS观测模型

2．1．1 GNSS观测方程

2．1．2 观测值的线性组合

2．2 GNSS相对定位解算模型

2．2．1 模型的建立

2．2．2 模型的质量控制

2．2．3 对比分析

2．3 空间距离相关误差

2．3．1 对流层延迟误差

2．3．2 电离层延迟误差

2．3．3 卫星轨道误差

2．4 非空间距离相关误差

2．4．1 天线相位中心偏差

2．4．2 硬件延迟

2．4．3 多路径延迟

2．4．4 观测值噪声

2．5 小结

第3章 混合观测网络的组网与解算策略

3．1 GNSS混合观测网的组网

3．1．1 观测网的构网

3．1．2 网型结构因子

3．1．3 快速设站技术

3．1．4 新增站点快速组网方法

3．2 GNSS混合观测网解算策略

3．2．1 混合观测网络基线选取

3．2．2 宽巷组合综合误差改正模型

3．2．3 网络参数估计

3．3 小结

第4章 混合观测网络的实时位置服务

4．1 虚拟参考站生成

4．1．1 虚拟单基站网络

4．1．2 虚拟观测值计算模型

4．1．3 虚拟观测值生成策略

4．2 网络RTK数据传输技术

4．2．1 Ntrip通讯协议

4．2．2 RTCM SC-104

4．2．3 NMEA 0183

4．3 小结

第5章 GNSS观测网络位置服务的性能监测

5．1 GNSS观测网站点形变监测

5．1．1 三差残差序列

5．1．2 三差残差序列时滞分析

5．1．3 改进的形态滤波方法

5．1．4 三差残差预测质量

5．1．5 强震地表运动对CORS站点的影响

5．2 GNSS数据传输质量监测

5．3 网络RTK定位质量监测

5．4 小结

第6章 GNSS观测网络服务系统试验

6．1 基站管理与服务系统

6．1．1 系统设计

6．2．2 系统实现

6．2 多星座网络RTK服务系统(VENUS)

6．2．1 与GPSNet服务的定位性能对比

6．2．2 网络RTK定位质量测试

6．3 小结

总结与展望

致谢

参考文献

科研项目、论文发表及学术活动