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浅谈GNSS差分定位及点位校正功能的实现

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  摘要:点校正就是采用一系列的数学转换,定义GNSS接收机采集的WGS-84 数据与地方坐标之间的转换关系。经过实验验证,在经过点校正模块对坐标数据的纠正转换后,能够满足实时采集所需坐标系下空间数据的需求,为移动终端其他扩展功能提供了高精度的位置定位功能。

  关键词:GNSS差分定位;数据提取;可靠性分析;点校正;

  1. GNSS差分定位原理

  差分GNSS定位技术就是将一台GNSS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时地将这一改正数发送出去。用户接收机在进行卫星观测的同时,也接收到基准站的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。

  为了消除各种误差,通过使用差分GNSS来测量地面点的坐标。差分GNSS是通过使用两个或更多GNSS接收机来协同工作。在用户接收机附近设置一个已知精度坐标的差分基准台,用GNSS基准接收机连续接收GNSS导航信号,将得到的位置或距离数据,与基准站已知位置、距离数据进行比较,确定误差,给出准确修正值。然后通过数据链将这些校正数据传输给它所覆盖的区域用户,使用户选用这些数据修正用户的定位解,从而改善其定位精度。

  根据差分GNSS基准站发送的信息方式可将差分GNSS定位分为三类,即:位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理相同,即都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行解算,以获得精确的定位结果。区别是发送改正数的具体内容不同,其差分定位精度也不同。

  2. 差分数据的形成与转发

  由于差分GNSS技术能够方便获取高精度的测量数据,已经被广泛的应用于各个领域。其中伪距差分定位技术可使定位精度达到米级以至亚米级。实时动态测量技术(RTK)的定位精度虽然能够达到厘米级, 但其精度受到距离的限制]。网络RTK的发展弥补了常规RTK测量的不足,用户可以在网络覆盖的范围内, 自由地使用RTK数据。

  本文使用的Ashtech ProMark200型移动GIS终端在不连接卫星接收天线的情况下可以进行伪距差分定位,连接卫星天线后可以实现实时载波相位差分定位。无论是伪距差分,常规RTK还是网络RTK,在进行位置解算的过程中均需要进行差分改正数据的发送与接收。

  接收机主机返回接受命令后基准站即被设置成功。GPS接收机此时将实时地观测数据通过编码形成标准RTCM电文,不间断的通过串行端口B向外进行输出,形成差分数据链。差分数据链的发送装置一般为电台、计算机网络及GPRS通讯模块三种远程通讯方式。

  3. 差分数据接收及定位数据提取

  市场上大部分提供的差分定位方式为伪距差分,部分产品支持载波相位差分定位方式。终端接收差分数据的方式一般为GPRS无线网络,在与GPS接收机组成GPS RTK时还可通过电台及计算机网络接收。目前,国内许多城市建立了GPS连续运行参考站(CORS)系统,用户可通过Internet访问其服务器获得GPS差分修正(RTCM格式)。

  GPS设备在接收到位置信息后,通过串口或蓝牙通信将其数据传递给移动GIS终端,主程序从缓冲区获取原始数据后将GPS数据进行分解,根据数据最后的校验码验证数据是否完整,然后从数据中截取原始数据中的有效数据,

  图 1 NMEA0183数据提取流程图

  4. GNSS差分数据点校正

  在测量工作中,Ashtech GPS接收机直接测得的是WGS84坐标系下的成果。虽然可以直接按照高斯投影的方式获得平面坐标,但这些坐标是以WGS-84椭球为基准。通常情况下需要RTD或RTK流动站移动GIS终端可以实时显示国家坐标系或地方坐标系的坐标数据,这就涉及坐标系之间成果转换。在测量工作之前对差分测量数据预先定义转换参数的操作就是点校正。

  点校正就是采用一系列的数学转换,定义GNSS接收机采集的WGS-84 数据与地方坐标之间的转换关系。点校正功能允许进行GNSS接收机和校正所用地方控制点的匹配。将WGS-84位置转换到地方坐标涉及两个方面的数学转换:

  1) 基准的转换:即从WGS-84纬度、经度和椭球高度坐标转换到相对于地方坐标格网的纬度、经度和椭球高度坐标。

  2) 地图投影:从地方椭球纬度和经度坐标转换到地方格网的北向和东向坐标到WGS-84高度的大地水准面模型,得到海水面上的近似高程。

  5 定位精度可靠性分析

  系统定位模块设计的目标是:经过对GNSS接收机的控制,实现基准站差分数据的发送和流动站移动GIS终端的数据接收和解算,并且系统在经过点校正之后,能够实现厘米级定位精度数据采集的功能。

  由于通讯延迟,点校正精度等因素会影响系统采集数据的精度。为了验证系统的精度可靠性,选取分布较为均匀的10个点,通过静态测量得到各点精确的BJ54坐标后用本系统采集各点数据与静态数据对比。

  将接收机连接好之后通过通讯模块对基准站进行配置,在测站坐标对话框内以ddmm.ssss即度、分、秒形式输入已知点位经纬度坐标。数据端口的配置各型号接收机各有不同。以Z-X为例,安装实际连接情况数据端口选择C端口,电台端口选择D端口,连接类型选择电缆连接。点击确定设置后,基准站就可以不断的通过电台将数据发送给流动站接收机了。流动站设置时选择相应数据端口后点击确定设置,然后返回程序主界面,点击打开采集数据菜单,在定位类型显示为“固定解”时说明流动站及基准站均设置成功。

  基准站和流动站分别设置成功,流动站移动GIS终端就会不断的接收到基准站发过来的差分数据并进行解算。在移动GIS终端连接RTK接收机时,解算成果稳定后会得到高精度的固定解,然后就可以进行正常的坐标采集工作了。首先在点校正功能模块里进行点位校正,本实验选取实验范围内相距较远的HQ01和CK03点进行参数计算。将已知坐标对分别输入至84坐标及地方坐标的文本框中,点击输入,输入后下方的显示窗口能够显示输入过的数据。然后点击计算参数按钮,系统自动计算dx,dy,k,m参数。点击加载按钮将参数加载至当前工程文件。

  图 2 点校正参数计算

  加载后系统可以实时显示当地坐标系的平面坐标并进行坐标数据保存,分别到各个已知点采集坐标数据,在定位类型显示为“固定解”时保存点位坐标。

  准备工作完成之后,到实地进行数据采集。采集时应避免高层建筑物遮挡,保存数据时注意定位类型应为“固定解”类型,“浮动解”进行保存时系统会自动提示是否保存“浮动解”数据。各已知点坐标采集后将各点坐标数据与静态数据进行比对,采集结果及坐标比对情况如下表:

  从上表可以看出,经过点校正后,系统所测得坐标与静态数据测得坐标进行比对,北方向误差(绝对值)最大为22mm,最小为3mm,平均值为12mm。东方向误差(绝对值)最大为25mm,最小为4mm,平均值为12mm。

  经过实验验证,在经过点校正模块对坐标数据的纠正转换后,能够满足实时采集所需坐标系下空间数据的需求,为移动终端其他扩展功能提供了高精度的位置定位功能。

  参 考 文 献

  1.Robert P.Biuk-Aghai, A Mobile GIS Application to Heavily Resource Constrained Devices.Geo-spatial Information Science, 2004,46-48.

  2.杨苏辉.当前土地执法监察工作面临的问题及对策[J],《资源导刊》,2011,21-23.

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  4.国土资发(2009)127号,国土资源执法检查巡查工作规范(试行)[S],2009,3-5

  5.黄福奎.论遥感技术在土地利用动态监测中的应用[J],中国土地科学,1998,12-15.

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  7.何荣花.GPS-PDA技术在沈阳市第二次土地调查中的应用研究[D],东北大学,2008.

  作者简介: 高磊、周国猛 沈阳市勘察测绘研究院 辽宁 沈阳 110004

  本文发表在《城市建设》杂志社2011年第7期上

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