VRS是Virtual Reference Station的缩写, 直接译为虚拟参考站。
该项技术是由美国的天宝公司研制。首先在一定区域内架设一定数量的基准站, 基站接收卫星信号, 然后将信息传送至信息处理中心, 移动站先将接收机的位置信息发送到数据处理中心, 数据处理中心会根据移动站的位置, 选择附近几个位置比较好的基准站信息, “虚拟”出一个参考站, 然后, 将虚拟出的参考站改正数据播发给移动站, 这个虚拟参考站的位置通常是在移动站周围5km范围内, 但是实际情况中, 一般是几米之内, 通过这项技术所获得的数据误差就减小了很多。
传统的RTK的局限性是显而易见的, 如以下几点。
(1) 需要架设本地参考站。 (2) 误差随距离的增长而增大。 (3) 误差的增长使参考站和移动站的距离受到限制。 (4) 可靠性和可行性随距离增加而降低。
与常规RTK系统相比, VRS利用多个参考站的观测数据, 精度不向传统的RTK那样随距离增加而降低, 同时广域RTK的初始化时间大大减少, 以下是VRS的主要特征有以下几点。
(1) 通过降低参考站数据的系统误差, 提高了系统的可靠性。 (2) 可以缩短初始化时间、提高定位精度、扩大有效工作范围。 (3) 测量标志维护费用大幅度降低。 (4) 排除了独立建立参考站的必要性。 (5) 可建立统一坐标框架, 实现原始观测数据的共享, 建站费用大大降低。 (6) 提高工作效率。 (7) 提供数据完整性的监控, 保证了测量数据精度的均衡性。 (8) 排除了依靠单一的参考站所带来得风险。 (9) 利用广域的差分技术, 提供高精度、动态、定位导航服务。
影响VRS测量精度的几大关键因素如图1所示。
研究表明, 确定整周模糊值 (即初始化) 的时问和可靠性, 是RTK系统能否实时、准确定位的关键。实践证明, 确定整周模糊值的时间和可靠性取决于4个因素, 即接收机类型 (单频或双频) 、所观测卫星的个数、移动站至基准站的距离及RTK软件质量。通常, 双频RTK初始化的时间比单频RTK要短, 而且与距离的关系不大;解算时采用的星数越多, RTK的精确性和可靠性越好;移动站至基准站的距离越近, 其初始化的时间也越短。
受接收机内部噪声和外界干扰等因素影响, 基准站测量数据有时会出现较大误差, 如载波相位跳周等。一般定位使用预报的卫星星历, 在某些情况下, 个别卫星播发的星历存在较大误差, 使用这种卫星的测量数据, 将恶化定位精度。虚拟基准站的差分信息是根据所有基准站的测量数据经综合处理形成的, 如果某一个基准站数据质量发生问题 (如载波相位跳周) 而没有被及时查出, 直接导致虚拟基准站差分信息精度下降, 影响流动站测量精度。基于可靠性考虑, 基准站通常冗余配置, 取消单个基准站对整个系统不会有很大影响。因此, 在某个基准站测量数据出现问题时, 若GPS网络数据处理中心能检测出来, 剔除不可靠的数据, 采用其他基准站的数据, 仍能产生符合精度要求的虚拟基准站差分信息。
系统的数据通讯包括两部分:各参考站与主控站 (数据处理中心) 之间的数据通讯、用户站和主控站 (数据处理中心) 的数据通讯。
由于用户端处于移动状态, 所以与主控站的通信必须采用无线方式, 而且必须是双向传输, 目前有GSM短信方式、WLAN (无线局域网) 方式和GPRS (通用分组无线业务) 方式。鉴于费用和传输率两方面考虑, GPRS是最好的选择, 其传输率可达100kbps, 完全可以达到要求。但是覆盖范围有一定限制, 只能在GPRS覆盖范围内有效, 但并不妨碍它在数据传输中的应用。
系统误差对于定位精度的影响主要是在双差观测方程中存在的、未消除的系统误差经过差分后的残差, 而这些误差由于在定位解算中没有考虑, 而对定位结果产生影响。这些误差包括卫星轨道误差、大气传播误差 (电离层延迟误差和对流层延迟误差) 、多路径效应以及接收机噪声的影响。
VRS技术具有实时、快捷的作业优点, 但实际作业中缺乏足够的检核条件, 个别点可能会出现粗差, 作业中应该非常注意测量成果的复核。VRS技术比静态GPS测量还多出一些误差因素, 如数据链传输误差等。因此, 与GPS静态测量相比, VRS测量更容易出错, 必须进行测量成果的精度控制。其精度控制的方法主要有以下两点。
(1) 已知控制点检核法。
在布测基础GPS控制网的同时, 用静态GPS或快速静态测量方法多测出一些控制点, 与VRS坐标成果进行比较检核。
(2) 坐标重测比较法。
在流动站初始化成功后, 先重新测量一至两个早先利用VRS技术测量过的碎部点或高精度控制点, 确认满足测量精度后才能进行VRS作业。
(1) 绘制大比例地形图高等级公路选线多是在大比例尺 (通常是1∶2000或1∶1000) 带状地形图上进行, 用传统方法测图, 先要建立控制网, 然后进行碎部测量, 绘制成大比例尺地形图。其工作量大速度慢, 花费时间长。用VRS动态测量, 构成碎部点的数据。在室内即可由绘图软件成图, 由于只需要采集碎部点的坐标和输入其属性信息, 而且采集速度快, 大大降低了测图的难度, 既省时又省力。
(2) 工程控制测量用GPS建立控制网, 最精密的方法应属静态测量。对于大型建筑物, 如特大桥、隧道、互通式立交等进行控制。宜用静态测量。而一般工程的控制测量, 则可采用VRS动态测量。这种方法在测量过程中能实时获得定位精度。当达到要求的点位精度, 即可停止观测, 大大提高了作业效率。由于点与点之间一要求必须通视, 便得测量更简便易行。
(3) 公路中线测设, 设计人员在大比例尺带状地形图上定线后, 需将公路在地面标定出来。采用VRS测量, 只需将中线柱点的坐标输入手簿中, 系统就会定出放样的点位。由于每个点位的测量都是独立的完成的, 不会产生累积误差, 各点放样精度趋于一致。
(4) 公路纵、横断面测量公路中线确定后, 利用中线桩点坐标, 通过绘图软件, 即可给出路线纵断面和各桩点的横断面。由于所用数据都是测绘地形图时采集来的, 因此不需要再到现场进行纵、横断面测量。从而大大减少了外业工作。如果需要进行现场断面测量时, 也可采用VRS测量。与传统方法相比, 在精度、经济、实用各方面都有明显的优势。
(5) 施工测量, VRS系统既有良好的硬件, 也有极丰富的软件可选择。施工中对点、线、面以及坡度等放样均很方便、快捷。精度可达到厘米级。
随着VRS技术 (俗称网络RTK) 的出现, 将使一个地区的测绘工作成为一个有机的整体, 改变了以往GPS作业单打独斗的局面, 精度和可靠性得到进一步的提高, 使许多从前难以完成的任务成为可能。由于VRS技术的种种先进性, 一经问世就受到世界各国的广泛关注, 并得到积极的实施VRS技术的发展, 标志着高精度GPS的发展进入了一个新的阶段。这种网络RTK技术集最新兴的计算机网络管理技术、INTER NET技术、无线通讯技术和TR IMBLE优秀的GPS定位技术于一身, 应用了最先进的多基站RTK算法, 是GPS技术的突破, 代表着GPS发展的方向。
摘要：本文探讨了GPS VRS的工作原理, 分析了其在公路测量中的应用及优势, 并结合笔者长期的工作经验, 给出了影响VRS测量精度的几大关键因素和精度控制策略, 相信对从事相关工作的同行能有所裨益。
关键词：GPS,VRS
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