全 文 ： 第 vy卷 第 y期u s s s年 tt 月
林 业 科 学
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普通手持式 Š°≥接收机用于林区近实时
差分定位的研究
冯仲科 游先祥
k北京林业大学 北京 tsss{vl
关键词 } 手持式 Š°≥接收机 o林区定位 o实时差分定位 o后处理差分定位
收稿日期 }t|||2st2uy ∀
基金项目 }国家自然科学区资助项目的初步研究内容 o项目批准号 vsszsyt| ∀
ΣΤΥ∆Ψ ΟΝ ΦΟΡΕΣΤΡΨ ΝΕΑΡ2ΡΕΑΛ ΤΙΜΕ ∆ΙΦΦΕΡΕΝΤΙΑΛ ΠΟΣΙΤΙΟΝΙΝΓ
ΠΟΡΤΑΒΛΕ ΓΠΣ ΡΕΧΕΙς ΕΡ
ƒ ±¨ª«²±ª®¨ ≠²∏÷¬¤±¬¬¤±ª
( Βειϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγtsss{v)
Αβστραχτ : …¤¶¨§²±¦²²µ§¬±¤·¨¶§¬©©¨ µ¨±·¬¤¯ °²§¨¶o∏¶¬±ª°²µ·¤¥¯¨Š°≥ • ¦¨¨¬√ µ¨¥¼ ±¨ ¤µ2µ¨¤¯ ·¬°¨³µ²¦¨¶¶o·«¨ ³²2
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Κεψ ωορδσ: °²µ·¤¥¯¨Š°≥ µ¨¦¨¬√¨ µoƒ²µ¨¶·³²¶¬·¬²±¬±ªo• ¤¨¯ ·¬°¨ §¬©©¨µ¨±·¬¤¯ ³²¶¬·¬²±¬±ªo°²¶·2³µ²¦¨¶¶³²¶¬·¬²±¬±ª
Š°≥接收机可实时 !自动 !全天候的确定空间内任一点的 v维坐标 o因而是林业上的理想定位工
具 ∀由于美国政府实施 ≥„k≥¨¯ ¦¨·¬√¨ „√¤¬¯¤¥¬¯¬·¼ o选择可用性l政策 o使得绝大多数条件下单机定位精
度只有 ? tss °的水平 o这个精度远远不能解决绝大多数条件下的林区定位问题 ∀因而研究提高 Š°≥
定位精度的方法 o不仅有理论意义 o也有实用价值 ∀
目前 o提高 Š°≥定位精度的主要手段有 }差分法 !定轨法 !延长观测时间法 !软件处理法 ∀学者们研
究的热点仪器是 Š°≥中档次较高的单频机和双频机 o这类接收机售价很高 o在林区树冠下 Š°≥接收机
的载波相位观测会失灵 o而导致定位失败 o国内外均有这方面失败的报道 o而价格很低廉的手持式 Š°≥
接收机定位精度只有 ? tss ° o这类接收机以 ≤r„码为观测值 o可以在树冠下观测 ∀可否通过差分手段
提高其精度 o使其达到林业资源调查和环境监测的必要精度 ? x ° 的水平k李征航 ot||x ~≥¯ ∏¬·¨µo
t||vl o这则是本文所要探讨的问题 ∀
迫于全世界对于美国政府 ≥„政策的抗议 o并从美国的经济利益出发 o美国政府于 usss年 x月 t
日起取消了 ≥„政策 o同时声明 o为了美国的国家安全 o美国政府将保留对于局部地区实施 ≥„ 的权利 ∀
≥„取消后 o星历系统误差测距系统误差将被剥减 o单机实时定位精度将达到 ? vs ° o仍不能满足绝大
多数的森林资源与环境监测中定位的必要精度 ∀而差分 Š°≥定位技术研究的核心问题就是系统地提
高相对于基准站的相对精度k•  ≥l ∀因此 o≥„取消后 o通过差分 Š°≥定位技术 o可有效地消除卫星星
历 !卫星钟差 !对流层及电离层延迟等剩余系统误差 o进而提高移动站相对于基准站的定位精度 ∀
1 手持式 Š°≥差分定位方法及原理
设有一已知大地测量点 „之中国 t|{s年国家土地坐标系的高斯平面直角坐标为k Ξ„ oΨ„l{s o欲
确定另一待定点 …点的坐标k Ξ… oΨ…l{s o可用两台手持式 Š°≥ 接收机通过坐标差分方法求得k Ξ„ o
Ψ„l{s ∀其作业过程为k冯仲科 o余新晓 ot|||l }
t1t „ !…两点安置手持式 Š°≥接收机 o若接收机有 ⁄¤·¤口 o可与 °≤ p txss或 °≤ p ∞xss连接 o自动
采集 • Š≥ p {w坐标系中的大地经纬度k!…l o否则采用手工记录 ∀
t1u „ !…两点同步开机观测 ∀
t1v 计算差分改正数k ∃ξ , ∃ψ) Τ 首先将 „ !… u点的观测结果取平均 o再化算为 • Š≥ p {w坐标系之
高斯平面直角坐标系中的坐标k ξ „ oψ„l×{w和k ξ… oψ…l×{w o求得 }
∃ξ
∃ψ =
ξ „
ψ„ {s −
ξ „
ψ„ {w
(t)
t1w 将差分改正数k ∃ξ , ∃ψ) Τ 通过对讲机 !…°机 !手机 !电话等通讯工具传入待定点 o加入待定点 …
点的观测结果 o得 …点在中国 t|{s坐标系的高斯平面直角坐标系中的坐标为 }
ξ…
ψ… {s =
ξ…
ψ… {w +
∃ξ
∃ψ =
ξ „
ψ„ {s +
ξ…
ψ… {w −
ξ „
ψ„ {w
(u)
下面进一步推证坐标差分的基本原理 o某一时刻 τ o在已知点 „ o接收机与卫星­之间的伪距可以表
示为 }
ΘϕΑ(τ) = ( Ξτϕ − Ξ„)u + ( Ψτϕ − Ψ„)u + ( Ζτϕ − Ζ„)u t/ u + Χ(§Σ„#τ − §Σϕτ) + §Θϕ„#τ + Λϕ„#ιον#τ + Λϕ„#τροπ#τ
(v)
式中 } Ξϕτ !Ψϕτ !Ζϕτ : τ时刻卫星 ϕ在 • Š≥ p {w坐标系中的 v维坐标 ~ Ξ„ !Ψ„ !Ζ„ : „ 点 • Š≥ p {w
坐标系中的定位坐标 ~ Χ:电磁波传播速度 ;§Τ„#τ : τ时刻 „点接收机钟差 ;§Ττϕ : τ时刻卫星ϕ卫星钟钟
差 ;§Θ„#τϕ : τ时刻卫星ϕ星历对 „站观测伪距的影响 ;„#ιον#τϕ : τ时刻卫星ϕ穿过电离层对 „站观测伪距
的影响 ;„#τροπ#τϕ : τ时刻卫星 ϕ穿过对流层对 „站观测伪距的影响 ;
将当测的卫星个数达到 w颗k即 ϕ€ t ,u ,v ,w) o联合kvl式组成四元二次方程 o解之 o便得k Ξ„ oΨ„ o
Ζ„l ∀一般而言 ok Ξ„ oΨ„ oΖ„l可依四元二次方程表示为一线性多项式 }
Ξ„
Ψ„
Ζ„
=
α
β
χ
+
αt
βt
χt
§Σ„τ +
αtt αtu αtv αtw
βtt βtu βtv βtw
χtt χtu χtv χtw
§Σtτ
§Σuτ
§Σvτ
§Σwτ
+
αtt αtu αtv αtw
εtt εtu εtv εtw
φtt φtu φtv φtw
§Θt„τ
§Θu„τ
§Θv„τ
§Θw„τ
+
γtt γtu γtv γtw
ηtt ηtu ηtv ηtw
ιtt ιtu ιtv ιtw
Λt„#ιον#τ
Λu„#ιον#τ
Λv„#ιον#τ
Λw„#ιον#τ
+
ϕtt ϕtu ϕtv ϕtw
κtt κtu κtv κtw
λtt λtu λtv λtw
Λt„#τροπ#τ
Λu„#τροπ#τ
Λv„#τροπ#τ
Λw„#τροπ#τ
(w)
式中各矩阵的元素为某一影响因子对 Ξ„ !Ψ„ !Ζ„ 的影响系数 ∀
kwl式可进一步用矩阵表示为 }
Ξ„ = Αs + Αt§Σ„τ + Αu§Σϕ„τ + Αv§Θϕ„τ + Αw Λϕ„#ιον#τ + Αx Λϕ„#τροπ#τ (x)
同理 o对于 …点 o可以有 }
Ξ… = Βs + Αt§Σ…τ + Αu§Σϕ…τ + Αv§Θϕ…τ + Αw Λϕ…#ιον#τ + Αx Λϕ…#τροπ#τ (y)
kyl式中 oΞ… € k Ξ… oΨ… oΖ…l Τ oΒs € ( δ ε φ) Τ okyl p kxl得
∃Ξ…p „ = Βs − Αs + Αt(§Σ…τ − §Σ„τ) + Αu(§Σι…τ − §Σι„τ) + Αv(§Θ…τ − §Θ„τ) +
Αw( Λs…#ιον#τ − Λs„#ιον#τ) + Αx( Λs…#τροπ#τ − Λs„#τροπ#τ) (z)
kzl式即为同步坐标差分模型 o不难证明 o对同一颗卫星 o其钟差相同 o§Τ…τι p §Τ„τϕ€ s ∀因为卫星
平均高为 ususs ®° o当 „ !…两点之距 [ tss ®° o则有 Λ…#ιον#τι p Λ„#ιον#τι Υs , Λ…#τροπ#τι p Λ„#τροπ#τι Υ € s
k李征航 ot||xl ∀至于 §Τ…τ p §Τ„τ o则在坐标计算中 o分别做为钟差未知数予以考虑 ∀当卫星个数多
于 w颗时 o要用最小二乘原理求解 ∀
为什么通过坐标差分能使 …点的定位精度提高呢 ‚因为两台接收机在同一时间段内观测了相同
一组卫星 o„ !…两点的观测值属于相关性较高的相关观测值 o即它们都包含有部分相同的误差 o通过坐
标差分 o有效地消除和减弱了卫星钟差 !电离层对测距影响 o对流层对测距影响及卫星星历误差 o大部
分地消除了 ≥„的影响 o同时由于每个历元观测取平均值 o进一步提高了定位精度 ∀
2 手持式 ΓΠΣ差分定位点位误差分布的检验
在沈阳青年湖公园阔叶林中进行 o采用 Š¤µ°¬±wx手持式 Š°≥接收机 o预测 w{历元 o每历元取 vs
ztt y期 冯仲科等 }普通手持式 Š°≥接收机用于林区近实时差分定位的研究
¶o即观测 uw °¬±o主要结论有 }
将 w{个历元观测的数据按时序分为 y组 o每组单独解算 o求得k ∃ξ , ∃ψl{w o依巴特莱方差检验 o各
组方差均无显著差异 ~进行一元方差分析 o取显著水平 Α€ x% ,结论是各个 ∃ξ 无显著差异 , ∃ψ有显著
差异 ;由此证明 o当仅观测 {个历元时 o∃ψ中有明显的系统误差 o因此实际作业观测 {个历元是不够
的 o此时 Ρ…s € ? { q{ ° ∀
将 w{个历元观测的数据按时序分为 v组 o每组单独解算 o求得k ∃ξ , ∃ψ){w ,分别进行一元方差分
析 ,取显著水平 Α€ x% ,结论是各个 ∃ξ !∃ψ均无显著差异 ∀依巴特莱方差检验 o各组方差均无显著差
异 ∀由此证明当观测历元数达到 ty个 o观测结果已经比较稳定 o这是因为经过 ty历元k{ °¬±l观测 o卫
星已有一定的位移变化 o观测结果取平均能消除一些系统误差的影响 o此时 Ρ…s € ? z1{ ° ∀
将 w{个历元观测的数据按时序分为 u组 o每组单独解算 o求得k ∃ξ , ∃ψ){w ,依巴特莱方差检验 ,各
组方差均无显著差异 ,分别进行一元方差分析 ,取显著水平 Α€ x% ,结论是各个 ∃ξ !∃ψ均无显著差
异 ∀由此证明当观测历元数达到 uw个 o观测结果已经比较稳定 o这是因为经过 uw历元ktu °¬±l观测 o
卫星已有较大位移变化 o观测结果取平均能消除一些系统误差的影响 o此时 Ρ…s € ? y1w ° ∀
当观测历元数达 vu !ws !w{时 o定位结果进一步看好 o系统误差进一步消除 o此时 o求知点点位误差
分别达到 ? y1s ° !? x1u ° !? w1y ° ∀一般而言 o当同步观测时间超过 us °¬±后 o就能实现定位精度 [
? x °的要求 o进一步增加观测时间 o精度提高幅度有限 ∀
对数据进行均方连差检验 o未发现数据有跳跃现象 o说明过程平衡 ∀
3 我国林区应用差分 ΓΠΣ的几点思考
差分 Š°≥系统 o特别是坐标差分 o是比较易于实现的差分系统 o对环境 !硬件 !软件均要求较低 o适
合于林区定位 ∀因此 o应注意推广适合于林区的手持式近实时或者依赖于对讲机数模转化全实时的差
分 Š°≥系统 ∀目前 o我国林业资源调查 !环境监测均以 tΒxssss地形图为基本图 o其比例尺精度恰为 ?
x ° o所以 ? x °的差分定位精度完全能够解决 tΒxssss地形图的补测用图 !标定 o解决各种资源和环境
问题 ∀而且 o我们已经具备条件开发以测码伪距为观测值的实时差分林区 Š°≥定位系统 o其观测定位
时间可以减少到 x¶以内 o定位精度达到 ? kv ∗ x °l ∀引进 Š°≥的 ’∞ 板 o配置显示 !控制系统 !购置
电台 o集成后每套ku台l成本价大约在 u1s万元左右 o约为进口同类产品价格的 trts ∀
由于载波相位观测差分 Š°≥技术在林区作业易于使卫星失锁 o而需要重新初始化解算整周模糊
度 o限制了以载波相位为观测值的 • × Ž技术在林区的推广应用 ∀ • × Ž技术的定位精度可达 ? kt ∗ x
¦°l级 o因而对于/精密农业0 !/精密林业0工程至关重要 o国外学者把希望寄托于 Š°≥与 Š’‘„≥≥k俄
罗斯全球定位系统l的组合去解决林区 • × Ž问题 ∀
Š°≥测量高程一直是一个难题 o如用手持式 Š°≥机差分 w{个历元观测值 o高差的误差达 ? vs ° o
远远不能令人满意 ∀可以采用气压高程计配合 Š°≥差分技术 o使高程精度达到 ? t °甚至更高的水
平 ∀另外 o当林区高程已知点较多时 o可用高次最小二乘似合推估法建立高程异常与k ξ , ψ, Η)之关系 o
此举可使精度进一步提高到 ? kt ∗ tsl¦°级水平 ∀
差分 Š°≥从理论上讲 o比较简单 o但在具体开发上 o要涉及卫星运动 !地球坐标 !天球坐标系 !星历 !
导航电文换算 !观测值 !星历提取 !无线电数据发射与接收 !处理 !坐标系统换算等系列高新技术 o同时
要与 • ≥ !ŠŒ≥有机结合 o进而整体上解决林区资源调查与环境监测中关注对象/是什么0 !/在哪儿0 !/有
多大0 o即定性 !定量 !定位 v定解决问题 ∀
在我国林业上 oŠ°≥已用于飞播导航 !航摄方位元素确定 !• ≥技术中解释标志定位 !典型样地训练
区定位 !野生动物调查样地导航定位 !荒漠化监测 !林火监测与消防实时指挥等方面 ∀但 Š°≥在我国林
区中的应用尚处在初步探索阶段 o必须注意做好应用的基础工作 ∀
参 考 文 献
冯仲科 o余新晓 1v≥技术及其应用 1 北京 }中国林业出版社 ot|||
李征航 1 差分 Š°≥原理及方法 1 • ≥ !ŠŒ≥ !Š°≥的集成与应用 1 北京测绘出版社 ot||x
≥¯ ∏¬·¨µŒµ° Š q ׫¨ º²µ¯§²© ⁄Š°≥ q ŠŒ o ‘²qz ot||| ozkzl
{tt 林 业 科 学 vy卷