天宝 HD-GNSS 高精度处理引擎白皮书.pdf

Survey Division,10355 Westmoor Drive,Suite#100,Westminster,CO 80021,USA 2012,Trimble Navigation Limited.保留所有权利。地球三角标志与Trimble是Trimble Navigation Limited在美国专利与商标局和其它国家注册的商标。其它所有商标是各自所有者的商标。PN 022543-550-CHI(10/12)TRIMBLE HD-GNSS高精度定位处理引擎 白皮书 白皮书 TRIMBLE SURVEY DIVISION 美国科罗拉多威斯敏斯特 美国科罗拉多威斯敏斯特 2012年年9月月 摘要 摘要 自从第一种精确卫星测量算法问世以来，GNSS载波相位处理技术已经进行了重大改进。Trimble紧跟这些技术进步的步伐，新推出的HD-GNSS高精度定位处理引擎与早期的处理引擎相比，尤其是在GNSS观测 环境恶劣的情况下，明显缩短了解算收敛时间，同时显著提高了位置可靠性和精度可靠性。而在后处理过程中，Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎要求的数据过滤和用户控制却要少得多，这也是新增的一个 优点。本白皮书将全面介绍Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎的优点，以及它在外业实时测量和办公 室后处理测量中的实际应用。2 简介 简介 Global Navigation Satellite System（GNSS）全球卫星定位系统测量效率高，应用范 围广。GNSS测量不同于传统测量方法，GNSS流动站不受光学传感器视线的制约。随着永久性GNSS控制网的扩大，越来越多的测量员根本不必在外业现场建立参考站。但是，在此之前用GNSS进行精确定位受到天空可见性的制约，在大树附近和建筑密集的闹市区很难用GNSS测量，有时根本不可能用GNSS测量，致使测量员在此类视线受限的环境下不得不采用传统的光学测量法。最近几年来，GNSS信号跟踪和处理技术得到了长足发展。此外，随着新卫星通信系统的出现和现有卫星通信系统的升级改造，可供使用的卫星数量和信号数量增加了，而且还在继续增加。目前有三个全面运行的GNSS卫星通信系统：GPS，GLONASS和QZSS，还有两个正在积极部署的卫星通信系统：COMPASS（北斗）和Galileo。因此，测量员现在可以让GNSS流动站进入此前难以测量的区域进行测量。本白皮书着重介绍GNSS处理引擎取得的技术进步，这是一种软件组件根据载波相位观测计算GNSS流动站的精确位置的技术。Trimble推出的实时运动（RTK）和后处理系统现在使用最新的、最先进的处理引擎：Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎。与此前的处理引擎相比，HD-GNSS具备下列优点：在GNSS不良区域获得更可靠的位置 缩短解算收敛所需的时间 提高精度显示一致性 在实时测量应用中，用户可以感受到GNSS测量启动时间缩短了，显示的RTK精度的可靠性提高了。在后处理应用中，用户可以感受到简化后的工作流程加快了处理速度，甚至在处理之前无需进行GNSS原始数据过滤。GNSS处理理论处理理论 利用在距地面2万千米高的轨道上以1.4万千米/小时运行的多颗卫星广播的信号，实现厘米级精度的GNSS接收机定位确实是一件不可思议的事情。但是，这种定位技术的基本理论却很容易理解。如果我们知道多颗卫星所在的位置，并能计算接收机与每颗卫星之间的距离，就可以用三角测量法计算接收机位置（图1）。3 图1 用于估算自主定位接收机位置的卫星距离三角测量法 每颗GNSS卫星以星历表形式向接收机广播它所在的位置，提供卫星轨道数据和原子钟时差，可以用卫星广播的伪随机噪声（PRN）编码信号计算接收机到各颗卫星的距离。但是，由于信号传播受大气折射效应影响，而且卫星广播的星历表精度低，一台自主定位接收机的位置计算精度仅为1-5米。为了克服这些主要误差源实现厘米级定位，GNSS自主定位接收机可能要连接另一个信号 源接收非常精确的卫星位置数据和原子钟时差，并采用精确地计算模型用于所有大气折射效应的改正。在使用卫星广播的星历表时，测量员可以把流动接收机与GNSS参考站或虚拟参考站（VRS）网结合起来实现精确定位。图2 利用参考站实现流动站精确定位 4 差分GNSS处理引擎采用流动站和参考接收机提供的数据降低轨道影响和大气折射造成的计算误差，因为两种接收机的误差几乎相同（图2）。这种处理引擎采用每个卫星信号的载波相位计算流动站与卫星之间的距离，精度可以达到毫米级。由于载波相位的波长比伪随机噪声编码信号的波长小得多，所以这是可能的。伪随机噪声信号的有效波长由代码位长度决定。对于GPS粗捕捉（C/A）码，伪随机噪声信号的有效波长为300米，而GPS L1频率的载波波长仅为19厘米。因此，可以用载波相位更精确地计算距卫星的距离，这好比用刻度更细的卷尺测量更精确的尺寸。为便于讨论，可以把载波相位信号视为如图3所示的简单正弦波。载波相位测量就是比较接收机接收到的信号和接收机内置振荡器或时钟发生的等效信号之间的相位差。打开接收机时，接收机时钟相位为零，相对于卫星时钟而言是随机的。在收到卫星信号之后进行首次计算时，只能计算相位差的部分，这部分计算结果加上未知整波长数，就是卫星和流动站天线之间的距离。未知整波长数叫做整周模糊度。为了精确测量距离，处理引擎必须解算此模糊度。图3 整周模糊度是流动站和卫星之间未知整载波相位波长数 传统的GNSS处理引擎尝试用参考数据和流动站数据解算流动站和卫星之间的整波长数。在使用这种处理引擎时，解算过程通常涉及两个截然不同的步骤：1.利用伪随机噪声编码和载波相位观测生成浮点解。2.执行搜索解算整周模糊度。搜索成功即得到固定解。5 浮点解精度主要受伪随机噪声编码影响，所以浮点解质量很差。典型的浮点精度为几分米，而且在大多数测量环境下得到的值很有限。在难以测量或基线很长的环境下工作时，浮点解常常要保留相当长时间，然后瞬间切换到固定解。因此，浮点解到固定解收敛发生分化的可能性 很高。采用浮点/固定法解算整周模糊度有很多缺点。首先，在接收机找到固定解之前，用户不能得到可用位置。此外，如果处理引擎选择一组错误的整周模糊度，解算就会出错。在这种情况下，一组正确的整周模糊度被丢弃，在重新搜索之前不能选择此组整周模糊度。对RTK而言，在自动执行完好性检查之前，会把位置误报为离群位置并持续很长时间，根本无法使用。图4说明这些不同的情况，在这些情况下精度由椭圆大小决定。图4 在GNSS环境恶劣的情况下，传统GNSS处理器在解算整周模糊度时很容易得出不精确的浮点解和错误固定解 Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎在模糊度解算技术的很多方面取得了重大突破：自从开发第一种处理算法以来，大大改进了GNSS接收机硬件，最明显的是接收机随着卫星数量和可用信号数量的增加而不断改进。最初的测量级GPS接收机只能跟踪两个卫星信号：GPS L1和L2。Trimble最新推出的Trimble R10 GNSS智慧接收机容量高达440信道，可以 跟踪表1列出的16个GNSS载波。表1 Trimble R10跟踪能力 GNSS系统系统 载波信号 载波信号 频率（频率（MHz）GPS L1 1575.42 L2 1227.60 L5 1176.45 GLONASS L1 1602+0.5625*N L2 1246+0.4375*N Galileo E1 1575.42 E5 1191.795 E5a 1176.45 E5b 1207.14 6 GNSS系统系统 载波信号 载波信号 频率（频率（MHz）QZSS L1 1575.42 L2 1227.60 L5 1176.45 LEX 1278.75 Compass B1 1561.098 B2 1207.14 B3 1268.52 最新GNSS天线和接收机在减轻多路径信号干扰方面表现更突出。在进行数字化采样之后，利用专用软件处理方法大幅降低多路径误差。增强型计算能力，使用更为复杂的GNSS信号跟踪算法和RTK处理方法。Trimble R10 GNSS 智慧接收机建立在Trimble针对GNSS信号处理设计的最新Trimble Maxwell-6集成电路技术 之上。R10执行RTK计算，所用的微处理器计算能力和能源效率比此前使用的处理器高出几个数量级。对于GNSS数据后处理，普通台式机可以使用功能强大的多核微处理器进行后处理运算。上述所有改进催生出功能更强大的GNSS处理方法。为了充分利用现有的很多GNSS卫星通信系统和Trimble Maxwell技术，Trimble R10 GNSS智慧 接收机和Trimble Business Center（TBC）内业软件集成了Trimble HD-GNSS高精度定位处理引 擎。Trimble HD-GNSS技术提供一种不同于传统固定解/浮点解的全新整周模糊度解算方法。现在整周模糊度解算可以更快地得出更接近实际情况的精确解，从浮点解突然过度到固定解的历史已经一去不复返了。因此，用户再也不必关注固定解和浮点解了，他们可以把精力集中在测量上，而不是放在期望得到的解算精度上。在正常跟踪条件下，位置解收敛速度很快。在基线较长或在高大树冠附近等难以测量的环境下，收敛速度也明显加快。但即使在这样极富挑战性的环境下，在收敛过程中通常也能得出精确解，这与传统的浮点解不同。在存在多路径效应等不利测量条件的情况下，Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎也很少会得出无法预测的结果，精度 下降幅度是可以预见的。Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎可以利用参考站和流动站接收的来自至少五颗通信卫 星的多频数据解算整周模糊度。后续RTK点可以使用仅两个历元的测量数据即可实现厘米级精度。考虑到新跟踪卫星和卫星跟踪暂时中断，处理引擎要连续解算整周模糊度。在难以测量的GNSS环境下，传统处理引擎总是一成不变地过渡到浮点解，得出无法接受的位置。相比而言，Trimble 7 HD-GNSS连续提供最佳位置，可靠精度估计值与环境和卫星可见度相称。这大大提高了在困难环境 下的可用位置解算能力。图5说明Trimble HD-GNSS解与传统浮点解和固定解相比随时间而变的位置误差。在传统处理 中，在浮点收敛之后从浮点解切换到固定解，但浮点解误差依然很大。Trimble HD-GNSS解收敛速 度很快，通常比传统处理引擎快几秒钟得出固定级精度。下图同时说明传统方法很容易得出错误固定解，而且位置误差很大。在这种情况下，给用户显示的可接受精度是假的。相反，Trimble HD-GNSS高精度处理引擎在整个收敛过程中显示更可靠的精度值。图5 Trimble HD-GNSS处理引擎迅速解算整周模糊度得出固定级精度 实时应用 实时应用 通过Trimble R10 GNSS智慧接收机（图6）和Trimble Access 外业软件，使用Trimble HD-GNSS处理技术进行实时GNSS测量。用户首先会注意到RTK测量初始化速度很快。在旧RTK系统里，“初始化”这一术语描述从浮点解过渡到固定解这一传统意义。现在“初始化”指的是连接参考数据流或虚拟参考站服务器开始RTK测量这一过程，然后迅速得出厘米级精度解。8 图6 Trimble R10接收机和Trimble HD-GNSS处理引擎 由于Trimble R10 GNSS智慧接收机采用全新的Trimble HD-GNSS处理引擎，在用Trimble R10 GNSS智慧接收机进行测量时，Trimble Access外业软件显示器不再显示“固定”或“浮点”字 样。如图7所示，在快速收敛过程开始之后，一旦得出可靠精度，就显示RTK字样。在良好环境 下，通常在开始GNSS测量之后几秒钟就能得出厘米级精度，可以满足测量点测量设置的典型阈值要求。图7 当Trimble R10初始化时，Trimble Access显示RTK字样（注意Trimble Access 电子水泡显示接收机整平状态）9 在Trimble R10 GNSS智慧接收机初始化结束之后，可以进行按需测量，测量精度就是显示的 精度。这样，可以在GNSS环境恶劣的情况下操作系统，例如建筑密集、多颗卫星被建筑物遮挡的闹市区。虽然在开阔地带可以得到最精确的结果，但只要控制器显示的精度对指定的工程应用而言是可以接受的，用户仍然可以放心在这些区域进行测量。如图7所示，Trimble Access显示绿 勾表示精度符合用户指定的要求。Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎使用户可以使用已初始化的Trimble R10 GNSS智慧接收 机对地形点进行准动态测量，只需两个测量历元。当流动站处于静止和铅锤位置时（参看图7），可以利用Trimble Access集成的电子水泡功能自动捕捉点测量值，这样可以缩短准动态测量时 间，从而大幅提高测量效率。RTK精度值仍然反映卫星可见度、卫星几何位置（PDOP）和基线长度等基本概念。用户可以限制单基站RTK距离或使用虚拟参考站网来优化精度。我们仍然建议用户养成良好的测量习惯，尤其是在GNSS环境恶劣的情况下，用户应该执行首选完好性检查，例如重新测量点并检查已知点。在使用差别很大的卫星定位系统时，为了建立测量控制点，Trimble仍然建议用户对每个点观测3分钟，至少两个小时之后再对每个点进行观测3分钟。延长观测时间可以提高各个测量点的置信度。多次观测便于对控制网内符合精度和外符合精度进行独立检查。为了建立非常精确的控制网，很多用户首选先采集GNSS原始数据，然后再对这些数据进行后处理。后处理应用后处理应用 后处理GNSS测量仍然是执行控制测量所用的最精确最灵活的方法之一。这种独创性的GNSS测量形式使测量员摆脱了光学测量法的视线要求。即使是地形测量，偶尔也首选对RTK进行后处理，因为这样可以使用户在没有数据电台或无线互联网连接的情况下继续工作。图8说明在执行控制测量时，用户可以利用后处理来建立控制网，这些控制点之间内符合精度很高，相对于椭球基准精度也很高。高精度控制网可以大幅提高后续测量作业的测量效率，例如当测量团队在工地四周执行校验误差为零的放样测量时，就可以放心的使用这些控制测站。10 图8 在视线模糊的情况下，用后处理GNSS测量建立GNSS控制网 令人遗憾的是，很多测量员认为后处理GNSS测量很复杂，且容易出错，所以他们不做后处理 GNSS测量。Trimble推出的GNSS后处理应用程序Trimble Business Center（TBC）利用Trimble HD-GNSS处理引擎提高后处理性能，并降低后处理的复杂程度。在使用TBC时，用户不必人工编辑 GNSS原始数据，也不必更改默认处理设置，即可得到精度非常高的结果。建立在HD-GNSS高精度定位处理引擎基础之上的TBC后处理引擎使用与Trimble R10 GNSS智慧 接收机相同的突破性数据处理方法进行数据编辑、数据过滤、载波相位模糊度解算和精度估算。在各种观测情况下，显示的水平精度和垂直精度既可靠又始终保持一致，可以作为首选的标准处理结果。图9表明了TBC的典型基线处理结果。对于基线解，本软件继续显示“固定”和“浮点”字样，但这两个术语指的不再是在传统意义上解算的整周模糊度。相对于原来的固定解和浮点解而言，这两个术语现在描述基线解的精度。实际应用中，很多测量员认为这符合工程报告的 需求。11 图9 用Trimble Business Center处理的GNSS基线 TBC能够自动确定通过地球大气层传输信号而产生的信号延迟和信号提前的最佳处理方法。对于很短的基线，这些延迟对基站和流动站接收机而言是相同的，在处理载波相位测量时可以把它们剔除掉。对于较长的基线，这些延迟对基站和流动站接收机而言不相同，必须纳入模型中，或者采用不同的方法把它们剔除掉。对于双频载波相位测量或三频载波相位测量，如果基线很长，只需处理无电离层干扰的载波相位组合，即可最大限度地降低电离层差异。但这并不是最佳的方法，原因在于处理这种组合虽然可以最大限度地降低电离层影响，却使得噪声增大。因此，Trimble HD-GNSS高精度定位处理 引擎自动确定要用于任何动态轨迹或静态基线的最佳载波相位组合。对于很短的基线，最佳载波相位组合趋向窄路组合（载波相位噪声最小）；对于很长的基线，最佳载波相位组合趋向无电离层干扰的组合（载波相位噪声最大但无偏差）。后处理引擎把凭经验得出的延迟模型应用于通过对流层传输信号导致的信号延迟。对于所有动态时段和观测时间不足1小时的静态时段，用霍普菲尔德模型计算对流层延迟。对于在2千米以上的基线上观测时间超过1小时的静态时段，用霍普菲尔德模型和尼尔映射函数计算对流层延迟。此外，TBC可以利用载波相位测量来估算修正值，有选择地改进对流层延迟模型。这种模型和修正值组合始终可以得出最佳结果，不要求TBC用户输入任何数据。用精密卫星星历文件进行处理，可以提高20千米以上基线的解。在旧版应用程序里，下载和导入精确星历表文件既费时又复杂。用户现在可以利用TBC的Internet下载功能，单击几个按钮即 12 可访问这些文件。由于很容易下载精密星历，所以建议用户使用精密星历进行所有处理，还可以用Internet下载功能检索全球各地GNSS参考站的原始数据。图10 在Trimble Business Center上建立的GNSS控制网 平差集成Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎的TBC处理的矢量网，比以往任何时候都更加 直接了当。由于Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎得出的精度估算值提高了，使得矢量网中每 个观测的权重更加真实。当用户平差矢量网时，比较在无约束平差或最小约束平差过程中的误差估计值和矢量所需的平差量，通常会得到一个接近1.00的参考因子。这样可以避免像旧版处理引擎常见的那样过度估计乐观误差。图11 对于用Trimble HD-GNSS引擎处理的矢量，Trimble Business Center采用最小二次方平差法通常可以得到一个接 近1.00的参考因子 13 结论 结论 随着GNSS处理技术的不断进步，可以使用的卫星和信号越来越多，信号跟踪技术的不断改 进，使得在原本难以测量的环境下也可以进行GNSS测量。这些新技术的出现还降低了在实时应用和后处理应用中采用GNSS测量的复杂程度，使测量员几乎可以在所有户外环境下都能满怀信心地精确测量点位置。过去为了成功进行GNSS测量，需要进行漫长的软件培训，要求测量员熟悉非常复杂的界面，否则稍不小心就会出错。现在Trimble R10 GNSS智慧接收机和Trimble Business Center桌面软件 集成了Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎，用户可以绕过所有这些复杂步骤，只需关注显示的 精度。除了用户使用Trimble HD-GNSS高精度定位处理引擎可以获得的上述好处，过渡到这种新测量 方法还使得Trimble能随着GNSS卫星通信系统的发展得以继续提高产品性能。Trimble HD-GNSS高 精度定位处理引擎经过精心设计，可以通过固件和软件更新方式进行全面扩容。因此，可以通过它充分利用其他GNSS卫星和信号，进一步改进在日渐苛刻的工地条件下的测量作业。很显然，未来的GNSS技术仍会不断发展，测量精度和测量效率不断提高无疑会让Trimble用户受益匪浅。