GNSS基准站虚拟参考站技术+应用

虚拟参考站(VRS)技术由Herbert Landau(2002)于2002年提出。其基本思想为：利用地面布设的多个(三个以上)参考站组成的连续运行参考站网，通过综合各个参考站的观测信息，来建立精确的误差模型来修正距离相关误差，在用户站(即流动站)附近产生一个事实上不存在的虚拟参考站VRS。然后，利用VRS和流动站的观测值进行差分，精确确定流动站的坐标。由于VRS一般通过流动站接收机的单点定位坐标来确定，故VRS与流动站构成的基线通常只有十米左右，只要能够生成VRS的观测值或RTCM差分改正数，就可以在VRS和流动站之间直接实现常规差分解算。

图5-3　网络RTK作业范围和精度

其工作原理如下所述：

①首先参考站连续运行观测，实时将观测数据传输到控制(数据)中心。

②控制中心在线解算参考站网内各条基线的载波相位模糊度值，利用参考站相位观测值计算基线误差源的实际或综合误差影响值，并以此建立电离层、对流层、轨道误差等距离相关误差的空间参数模型。

③流动站将单点定位或DGPS确定的用户概略坐标，通过无线移动数据链路(NMEA-0183格式)传送给中心，中心在该位置创建一个虚拟参考站(VRS)，结合流动站、参考站和GPS卫星的相对几何关系，通过内插得到虚拟参考站上各误差源影响的改正值，并以RTCM格式发给流动站。

④流动站与VRS构成短基线。流动站接收中心发送的虚拟参考站差分改正参数或虚拟观测值，进行差分解算得到流动站的位置。

流动站采用无线通信方式(如CDMA、GPRS)向中心发送自己的概略位置信息，中心接收此信息进行误差计算并向流动站发送RTCM信息，其作业流程如图5-4所示(Landau，2002)。

所有参考站的数据信息融合和误差源的模型化在控制中心完成。流动站得到的虚拟参考站数据就如同一个常规RTK参考站的数据。相对于其他多基准站技术来说，VRS的优势在于只需增加一个数据接收设备，不需增加流动站设备的数据处理能力，接收机兼容性较好。另一个优势在于可以使用提供的其他信息，如预报星历；同时还给出了处理来自多个不同参考站数据的策略，在网内解求模糊度和生成虚拟参考站需要的误差模型。这些模型包含了卫星导航的主要误差源：电离层、对流层、卫星轨道和多路径等。VRS技术可以提高RTK定位收敛速度和精度，并扩大了服务范围，提高了可靠性，是目前应用较为广泛的网络RTK技术之一。

为了使传输的数据来自一个不同的位置，必须进行几何上的移动。Herbert Landau(2002)介绍了VRS中参考站数据平移的方法。

图5-4　VRS工作流程图

对于卫星到接收机的几何距离R定义为：

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式中，为信号发播时刻卫星在地固系的位置，为接收机的位置。

如果接收机的位置发生变化，信号传播的时间也会相应地发生变化，其地球自转量同样不一样。假设为原始参考站的位置，为虚拟参考站的位置，则虚拟参考站处新的几何距离近似值为：

没有改正过的卫星位置，精度只是米级的甚至更低，而伪距的精度也是米级的，可以用这个距离近似新位置的伪距：

式中，为近似新伪距，为精确的虚拟参考站几何位置，用标准的卫星轨道精化地球自转算法和伪距近似值足够确定卫星的正确位置，则新的虚拟位置的几何距离变化值为：

设参考站的载波相位方程为：

式中，为加了改正数的非差载波相位观测值，为几何距离，为电离层、对流层等误差的综合影响。在方程(5-5)的两边同时加上几何平移值ΔRs，则有：

将式(5-4)代入式(5-6)，经过变换可得：

故虚拟观测值为：