差分增强系统：提升图像质量的实用方案

1.沿海无线电指向标（RBN-DGPS）

沿海无线电指向标差分全球定位系统（RBN-DGPS）是中国海事局在我国“九五”期间建成的当时新型、高精度、全天候的海上导航定位系统，也是我国目前沿海作业在用的一套差分改正系统，有效提高了我国沿海地区海上生产作业的导航定位精度。

1995～2000年，中国海事局组织天津海事局等15个所属单位，在我国的渤海、黄海、东海和南海四大海域，建立了由20个航海无线电指向标（RBN）播发台构成的“中国沿海RBN-DGPS系统”，各台站信息见表2-3；该系统中的每一个RBN播发台处，均设置了GPS基准站，测定各颗在视GPS卫星的伪距差分改正数，并将该DGPS数据传送到RBN播发台；以最小频移控（MSK）调制到无线电信标载波频率（283.5～325.0kHz）上，而发向各个GPS动态用户，该用户只需持有一台能够同时接受DGPS数据的GPS信号接收机，便可实现DGPS测量，而获得不低于±5m的在航定位精度（见表2-4）；从表2-4可见，用户定位精度随着DGPS距离的增长而降低。图2-11标识各个RBN播发台的DGPS播发信号覆盖（最远可达300km）和台站分布。该系统于2002年1月1日零时起全面开通，正式向公共用户无偿提供服务，而广泛应用于海域定位、航道测量、航道疏浚、船舶进出港及狭窄水道导航定位、海上交通安全管理、航标定位、海上石油勘探、海洋资源调查、海上救助捕捞、海洋渔业及其他海上作业。

表2-3 中国沿海信标RBN-DGPS台站信息表

注：各台站信息及技术参数均以中华人民共和国海事局正式公布为准。

表2-4 RBN-DGPS系统的用户定位精度及其置信度

这些信标站24h发送RTCM差分校正信息，而且免费供使用，其基本覆盖范围在海上是300km。信标差分RBN-DGPS技术原理如图2-12所示。

图2-11 中国沿海RBN-DGPS系统的DGPS播发信号覆盖和台站分布图

图2-12 信标差分RBN-DGPS技术原理图

2.广域差分增强系统（SBAS）

SBAS（Satellite-Based Augmentation System），即星基增强系统的缩写，通过地球静止轨道（GEO）卫星搭载卫星导航增强信号转发器，可以向用户播发星历误差、卫星钟差、电离层延迟等多种修正信息，实现对于原有卫星导航系统定位精度的改进，从而成为各航天大国竞相发展的手段。

SBAS主要由四部分组成，分别为地面参考基站、主控站、上传站和地球同步卫星等，其原理如图2-13所示。目前全球已经建立起多个SBAS，欧空局接收卫星导航系统EGNOS（European Geostationary Navigation Overlay Service），覆盖欧洲大陆；美国的DGPS（Differential GPS），美国雷声公司的广域增强系统（WideArea Augmentation System，WAAS），覆盖美洲大陆；日本的多功能卫星增强系统（Multi-functional Satellite Augmentation Syste，MSAS），覆盖亚洲大陆；印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GPS Aided Geo Augmented Navigation，GAGAN），各差分系统覆盖范围分布如图2-14所示，四者具有完全兼容的互操作性。

SBAS系统的主要特点如下：

1）通过GEO卫星发布包括GPS卫星星历误差改正、卫星钟差改正和电离层改正信息；

2）通过GEO卫星发播GPS和GEO卫星完整的数据；

3）GEO卫星的导航载荷发射GPSL1测距信号。

图2-13 广域差分增强系统原理图

3.星站差分系统

星站差分系统是一个全球性的网络，为用户提供差分改正值，由于差分值通过国际海事卫星组织（INMARSAT）同步卫星传播，所以用户不需要建立本地基准站，即可在全球范围内获得较高精度的定位数据。

图2-14 广域差分增强系统全球分布图

星站差分系统是一个全球性的网络，主要由五个部分组成：

1）参考站。安装有双频GPS接收机，实时接收GPS卫星信号；

2）数据处理中心。根据参考站坐标和GPS观测值，计算GPS卫星的星历修正量、时钟修正量和电离层延迟参数；

3）注入站。接收各数据处理中心发送来的数据并传输给地球同步卫星；

4）地球同步卫星。接收注入站发送来的卫星差分信号并发送给全球用户；

5）用户站。用户站的GPS接收机实际上同时有两个接收部分，一个是GPS接收机，一个是L波段的通信接收器，GPS接收机跟踪所有可见的卫星，然后获得GPS卫星的测量值，同时L波段的接收器通过L波段的卫星接收改正数据。

星站差分系统通过利用GPS卫星、L波段通信卫星和一个全球范围的参考站网络来实现高精度定位，其原理如图2-15所示。地面参考站网络由高性能的双频GPS接收机构成，不断地接收GPS卫星信号，并将数据传输到数据处理中心，演算出唯一一组GPS差分改正值，网络内的双频接收机利用这一组改正数据在网络内部进行折射改正计算，这种差分改正值利用冗余、独立的数据通信链分别传输到各个卫星注入站，再由各注入站传输到对应的地球同步卫星。这些卫星将差分改正信号发送给全球用户。装备了能够同时兼容GPS卫星和L波段的INMARSAT卫星信号的双频接收机的用户，可在全球范围内获得高精度实时定位数据。

目前，市场上已经得到广泛应用的星站差分系统主要有三家：美国的StarFire系统、荷兰的OmniSTAR系统、挪威的Veripos系统，可实现分米级甚至厘米级实时定位，但需要专门的GNSS接收机和用户缴纳相关费用方能使用。

图2-15 星站差分原理图(www.xing528.com)

（1）StarFire系统

StarFire系统是美国NAVCOM公司在1999年建立的在全球范围内提供GPS差分信号发布服务广域差分系统，它提供了极高的可靠性和分米级的定位精度，具备很高的联机可靠性。StarFireTMDGPS包括10通道（双频GPS信号接收），另外两个独立的通道，一个用于接收SBAS信号，另外一个用于接收L波段差分改正信号。设备通过两个115kbps数据传输口，原始数据的输出可达50Hz，PVT数据输出可达25Hz。改正信号通过INMARSAT卫星进行广播，无需建立测区的基准站或进行后处理。

StarFire系统自从1999年4月开始运行以来，基本上覆盖了全世界。在北纬76°到南纬76°的任何地球表面，都能提供同样的精度。目前NAVCOM提供SF3050系列和SF3040系列星站差分接收机，其中SF3040系列集成了天线和接收机，方便安置。StarFire采用四颗高频通信卫星进行通信，在国内没有基准站。

（2）OmniSTAR系统

OmniSTAR系统原属Fugro公司运营，于2011年3月出售给Trimble公司，是一套可以覆盖全球的高精度GPS增强系统。在通过卫星提供增强的GPS数据方面，OmniSTAR为世界市场的领先者，该系统通过分布在世界各地的70个地面参考站来测定GPS系统的误差，由分别位于美国、欧洲和澳大利亚的三个控制中心站对各参考站的数据进行分析和处理，并将经分析确认后的差分改正数据通过同步卫星广播给用户，实现高精度的实时定位。OmniSTAR提供测量、定位、环境，以及包括陆地和近海的卫星服务。OmniSTAR提供了空前的实时DGPS定位服务，它能够改善GPS接收机的精度，将其提高约100倍。OmniSTAR在国内有一个基准站。

OmniSTAR系统比市场上其他竞争的部分系统能提供更大地理覆盖。目前，在OmniSTAR信号覆盖范围内，可最高实现单机10cm（CEP）的实时定位精度。

OmniSTAR系统的应用横跨了众多工业，包括农业（精密耕作）、采矿业和大地测量等。OmniSTAR系统提供三种GPS差分等级的服务：VBS、HP和XP。OmniSTARVBS是一个亚米级的服务。一个典型的24h的VBS采样显示的2σ（95%）置信度下的水平位置偏差小于1m，而3σ（99%）的位置偏差接近于1m。

新的OmniSTAR HP服务在2σ（95%）的置信度下的水平位置偏差小于10cm，3σ（99%）的水平位置偏差小于15cm。其在农业机械引导和许多的测量任务方面，有着独特的应用。它操作实时，不需要当地基准站或遥感链路。在利用向前发展的精密定位方面，OmniSTAR HP比较超前。

新的OmniSTAR XP服务提供短期几英寸和长期重复性优于20cm（95%CEP）的精度，它特别适合农业自动化操纵系统，其精度比HP稍低，在全世界范围内可用；在测量方面，与地域性差分系统（如WAAS）相比，精度有所提高。用户在购买具有OmniSTAR功能的GPS接收机后，可向OmniSTAR的服务商缴纳服务费用，申请开通服务。目前在中国可支持VBS和XP两种服务。

（3）Veripos系统

Veripos系统由Subsea7公司建立，在全球建立了超过80个参考站，并在英国Aberdeen和新加坡拥有两个控制中心。控制中心监控Veripos通信系统的整体性能，也能为用户提供有关系统性能的实时信息，同时具有开启和关闭Veripos增强系统的权限。所提供的定位服务有以下几类：Veripos Apex，Veripos Ultra，Veripos Standard Plus，Veripos Standard，Veripos Glonass。Veripos在76°N到76°S之间可以获得10cm（95%）的水平精度。

Veripos Apex是最新的全球高精度GNSS定位服务，能满足海上定位导航应用。Apex使用PPP（Precise Point Positioning，绝对定位）技术，对所有GNSS误差源建模和校正，如GPS卫星轨道误差、钟差、电离层、对流层误差、多路径效应等，Apex能提供分米级精度。Veripos运营独有的轨道时钟确定系统，能通过独有算法实时校正所有在轨GPS卫星。

Apex通过6颗高功率海事卫星（INMARSAT25E，98W，109E，AORE，AORW，IOR）和1颗低功率卫星INMARSAT POR发布信息。Veripos采用7颗海事卫星进行信号广播，其中4颗高频的、3颗低频的。3颗低频的，为用户提供另一个高精度的数据备份。Veripos在上海、深圳、塘沽等地建有基准站。通常水平精度为10cm（95%）；通常垂直精度为20cm（95%）。

4.陆基差分系统

陆基差分系统目前主要包括基站式RTK和网络RTK两种，网络RTK又称为连续运行参考站（CORS系统）。基站式RTK定位精度高，作用范围小，一般在30km范围左右，随着距离基站的距离远，定位精度有所下降；网络RTK是由一系列GNSS连续运行参考站组网而成的系统，作用范围广，定位精度高，定位误差均匀，不随距离而变化。目前网络差分信号主要通过手机移动网络进行传输，在移动网络信号不好的区域，定位精度会受到一定的影响。基站式RTK和网络RTK均可实现厘米级平面和垂直定位精度。

图2-16 基站式RTK测量原理图

RTK是海缆路由勘察中登陆段测量的主要手段，可以用来导航定位，可以进行地形地貌的测量。在大陆近岸，一般可以直接使用网络RTK进行测量；在远离大陆的海岛登陆点，可以使用基站式RTK进行作业。

（1）基站式RTK

载波相位差分技术（Real-Time Kinematic），是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的GNSS测量方法。其测量原理如图2-16所示。

主要硬件构成为基站加移动台一加一方式，有主机、基座、差分天线、延长杆、三脚架、手簿、对中杆等。

RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一GNSS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GNSS差分改正值。然后将这个改正值通过数据传输传递给共视卫星的流动站，精化其GNSS观测值，从而得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。

RTK具有如下技术优点：

1）作业效率高；

2）定位精度高，数据安全可靠，没有误差积累；

3）降低了作业条件要求，全天候作业；

4）RTK作业自动化、集成化程度高，测绘功能强大；

5）操作简便，容易使用，数据处理能力强。

（2）连续运行参考站

利用多基站网络RTK技术建立的连续运行（卫星定位服务）参考站为CORS（Continuously Operating Reference Stations）系统，可定义为一个或若干个固定的、连续运行的GNSS参考站点，利用现代计算机、数据通信技术和互联网技术组成的网络，是多种高新科技多方位、深度结晶的产物。CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络（见图2-17）。系统可全自动、全天候、实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供高精度空间和时间信息，主要包括经过检验的不同类型的GNSS观测值（载波相位、伪距等）、各种改正数、状态信息以及其他有关GNSS服务。

图2-17 网络RTK（CORS系统）测量原理图

CORS系统作为一个动态、连续的定位框架基准，同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的重要的城市基础设施，其彻底改变了传统RTK测量作业方式。与传统的基站式RTK作业相比，连续运行参考站具有全自动、全天候、作用范围广、精度高、野外单机作业等众多优点。采用CORS系统测量作业，用户无需架设基站就可以随时观测，提高了工作效率，扩大了有效工作范围；CORS系统拥有完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性。

目前，我国维持CGCS2000的基准站为29个，相邻站平均距离约700km。

深圳市建立了我国第一个连续运行参考站系统（SZCORS），现多个省市均已建立类似的CORS系统，并已开始全面测量应用。在海底管线路由勘察中，登陆点测量经常使用到CORS系统进行登陆点的地形地貌测量和登陆点的确定等工作，同时，为了提高定位精度，也可为近岸水深测量提供高精度的导航定位信息。