试论虚拟参考站(VRS)技术在现代测量中的应用

　　摘要：虚拟参考站的出现是GPS定位的有一项突破，它标志着GPS的发展进入了一个新阶段，它不仅使GPS提高了精度，同时扩大了作业范围和应用领域。本文从介绍VRS技术的概念入手，逐步阐述VRS技术的工作原理以及其相对常规RTK技术的优势，并探讨了建设网络RTK(VRS)的有关技术要点和注意事项。

　　关键字：RTK,虚拟参考站VRS,应用

　　一、引言

　　传统的RTK技术进行高精度测量作业，测量员必须首先在测区附近建立一个基准站，然后移动站才能在基准站的有效半径范围内通过接收卫星信号和基准站数据来精确测得该点的坐标。这样的结果在目前看来很容易出现数据失真现象。

　　GPS虚拟参考站技术VRS的诞生，使得测量员一进入测区的任何一点就能立即开始GPS高精度实时动态RTK测量成为现实。这一创新的定位理论思想是采用了固定参考站网络来合成“虚拟参考站”，使测区内每个测量员都能使用，它能得到实时厘米级的精度，并大大增强系统的性能和可靠性。这种全新的RTK定位方法从根本上提高了作业效率和测量的质量。对于用户来说，它不再要求建立临时参考站，从而可以节省时间，最大限度的提高了作业效率，节约了成本。在VRS网内，等于已经建立了公用的控制点，消除了不精确的控制点所产生的误差传播。VRS技术给测量作业带来的革命性变化，使得国内很多大城市掀起了建设VRS系统的浪潮，除了应用于测绘领域外，还在气象、天文、导航和其他社会功能方面得到推广应用。

　　二、VRS技术的组成及工作原理

　　VRS是基于多参考站网络环境下的GPS实时动态定位技术，一般情况下，人们把VRS技术归为网络RTK技术的一种。虚拟参考站技术就是利用地面布设的多个参考站组成GPS连续运行参考站网络(CORS)，综合利用各个参考站的观测信息，通过建立精确的误差模型(如电离层、对流层、卫星轨道等误差模型)，在移动站附近产生一个物理上并不存在的虚拟参考站(VRS)，由于VRS位置通过流动站接收机的单点定位解来确定，故VRS与移动站构成的基线通常只有几米到十几米，移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正，实现实时RTK。

　　(一)VRS的系统组成

　　VRS技术是集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和GPS定位技术于一体的定位系统，由若干个连续运行的固定参考站、系统控制中心、用户数据中心、用户应用、数据通信五个子系统组成。

　　1、VRS固定基准站网。基准站网是由固定的基准站组成的网络，它是VRS系统的数据源,一个完整的VRS系统至少有3个固定的已知基准控制点，站与站之间的距离可达70公里。用于实现对卫星信号捕获、跟踪、记录和传输，它是分布在整个VRS网络中的个站。

　　2、VRS系统控制中心。它即是通讯控制中心，也是数据处理中心。控制中心一方面通过通讯线(光缆、ISDN或电话线)与所有固定参考站建立通讯，另一方面通过无线网络(GSM、CDMA或GPRS)与移动用户实现通讯。它依靠计算机实时系统来控制整个系统的运行。

　　控制中心的重要任务有：导入原始数据并进行质量检查;存储RINEX和压缩RINEX数据;改正天线相位中心;系统误差模型化及估算;产生数据,为流动站接收机创建虚拟基站位置;产生流动站所在位置上的RTK改正数据;发送改正数据包到野外流动站,数据包以RTCM或TrimbleCMR格式传播。

　　3、用户数据中心。它的主要功能是控制、监控、下载、处理、发布和管理各参考站GPS数据，计算网络RTK改正数据，生成各种格式的实时产品，并发送改正数。

　　4、用户应用系统(流动站)。用户部分就是流动站部分,由GPS接收机、移动电话和调制解调器等构成。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心,并接收控制中心的差分信号,生成厘米级的位置信息。这也是GPS网络RTK系统最终要得到的结果。按照应用领域,可分为测绘与工程用户(厘米、分米级),车辆导航亚米级用户系统,米级用户系统等。

　　5、数据通信网络。数据通信线路是整个系统中不可缺少的部分,它担负着联系控制中心与基准站和流动站的重大任务,保证其通畅，可提高工作效率。基准站与数据处理中心的通信线路一般通过光缆、ISDN和电话线等通讯线进行Internet连接。而流动站和数据处理中心的连接则主要通过租用通讯运营商的无线网络实现，如GSM、CDMA或GPRS等。

　　(二)VRS系统的工作原理及流程

　　与常规的RTK不同，VRS网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。同时移动用户在工作前，先通过GSM的短信息功能控制中心发送一个战略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，成生一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。

　　三、VRS工作的创新技术方法

　　1、控制中心收集各个固定参考站的观测信息并计算电离层、对流层、轨道误差和多路径效应的模型参数;

　　2、解算GPS参考站网内各条基线的双差载波相位模糊度;

　　3、利用载波相位观测值计算每条基线上各种误差源产生的实际误差的综合误差;

　　4、采用单点定位确定用户的粗略位置，利用建立的误差模型并结合用户、基站和GPS卫星的相对几何关系，通过内插计算每一颗GPS卫星到用户之间不同路径上各误差源引起的误差;

　　5、用户把自己的粗略位置通过移动电话链路传送(NMEA格式)给数据处理中心，数据处理中心就在该位置创建一个虚拟基准站。此时虚拟站距离用户站只有20-40米，与用户站构成短基线差分。用户可以把虚拟基准站当作普通基准站使用。对于实时用户，控制中心发送由虚拟基准站得到的差分数据RTCM给用户，对于后处理用户，虚拟基准站的数据可以按照RINEX格式存贮;

　　6、用户接收控制中心发送的虚拟基准站差分信息，进行差分解算得到用户的位置。

　　四、VRS的性能及优势

　　与传统的RTK相比，虚拟参考站(VRS)有明显的优势，主要表现在：

　　1、增大了流动站与参考站的作业距离，用户作业范围可扩大到50km，且完全保证精度。

　　2、费用大幅度降低，70km的边长可使GPS网络的建设费用大大降低，按70km边长计算，每个三角形可覆盖2200平方公里的面积，与传统的RTK相比费用可下降70%,用户无需架设自己的基准站。举个简单的例子，像北京市区纳闷大的面积只需一个三角形(3个站)就可以控制。

　　3、在参考站数据相同的前提下，常规RTK系统的定位精度和可靠性分布不均匀，随流动站与基站之间的距离的增加而降低，精度一般为1cm+1ppm;采用VRS技术进行网络RTK工作时，系统精度分布均匀，精度始终在1～2厘米，精度得到了提高。

　　4、由于采用多个参考站的联合数据，可靠性大大提高。

　　5、改进了初始化时间。

　　6、测量用户可通过Internet获取存贮在控制中心的历史改正值用于事后差分。

　　7、应用范围更广泛：城市测量、城市规划、GIS、市政建设、交通管理、机械控制、工程监控、船舶车辆导航、公安消防、农业、气象、生态环保等等领域。

　　五、建立VRS应注意的问题

　　1、参考站站址应满足条件。站址基础坚实稳固，远离电磁信号干扰源，交通方便，便于管理和维护。

　　2、系统运行的可靠性。对系统在运行中可能出现的各种意外情况要做详尽的分析，并有各种应急措施。

　　3、数据的可靠性和完整性。在系统中要建立监测系统，以监测数据的可靠性;为了保证数据的完整性，要随时做好数据的备份工作。

　　六、结束语

　　VRS技术的出现，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、Internet技术、无线通讯技术和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。VRS技术必将在城市经济建设中发挥重要作用，由此带给城市巨大社会效益和经济效益是不可估量的，它将为建设和谐社会起到重要作用。

　　参考文献：

　　1、戴连君等，北京市全球卫星定位综合应用服务系统.测绘通报，

　　2、陈文通，VRS-GPS网络RTK技术及应用.福建建设科技，

　　3、王志豪，虚拟参考站技术在工程测量中的应用.测绘通报，

　　本文选自《电子世界》。  《电子世界》杂志遍及全国30个省、市、自治区，全方位推崇E时代大众电子科学意识，传播电子与信息领域的新知识，新技术以及最新科研成果和技术进展，不仅包括各电子领域专家学者、各大专院校师生、研究机构资深人士，还有政府、行业主管部门领导及电子行业的企业家，因其学术性、权威性、系统性、前瞻性而广受业界人士关注。

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