摘要：傳統導航型手持GPS設備，在定位精度及工程性能上都欠佳，不能很好的滿足生產建設中對于地理空間數據采集的高精度及高時效性等要求。使用內置專業硬件的高精度GNSS采集設備并基于廣域差分增強系統的應用，可以大大提高及發揮手持GPS采集設備在經濟建設各個領域的應用性能。

　　關鍵詞：手持GPS,廣域增強,實時差分,高精度,SDAS

　　1手持GNSS設備的應用發展

　　1.1傳統手持GNSS設備的應用起源——便攜、自動化

　　空間地理信息數據采集的手段從最初經典的平板測量、全站儀測量已發展到自動化程度極高的GNSS測量。GNSS定位方式，以其自動化、全天候、便攜性等優點，被廣大測繪及地理信息工作者所接受，其效率和效益也比其他傳統手段有較大的提高。尤其手持式GNSS接收機的應用，在我國國民經濟建設中，已經有十幾年甚至更長的歷史，被廣泛的應用在國土測繪、規劃建設、林業調查、電力勘測、石油管網等領域。這種設備，被稱為 “導航型手持式GNSS接收機” 或“手持GNSS設備”。

　　1.2導航型手持GNSS設備應用的弊端——精度差、易受干擾

　　導航型手持GNSS設備，在硬件上是低端GNSS和天線模塊，為了提高靈敏度而不注重或者不進行多路徑效應的抑制處理。在導航定位技術上，屬于單點定位原理，既依靠單機的計算進行定位，未進行GNSS系統誤差的修正，所以，一般的手持GNSS設備標稱平均定位精度在5—10米，而在實際工作中，因為GNSS的系統誤差及遇到各種干擾，可能定位結果會更差。

　　1.3導航型手持GNSS設備提高精度的方法——內業后處理

　　在高精度定位設備未出現或不便于野外攜帶的時代，依靠傳統的導航型手持GNSS設備，為了提高數據的精度，能夠與原有的地形圖或原始數據吻合并符合到西安80、北京54等地方平面坐標系上，需要通過內業差分后處理的方式來消除衛星軌道誤差、鐘差及信號傳播誤差等系統誤差。這樣的后差分方式，雖然可以適當的提高手持GNSS設備定位的精度，但其不能在野外實時的獲得高精度的定位數據，而且增加了內業工作的難度，使整個作業流程變得復雜。

　　2實時高精度手持GNSS設備定位技術

　　為了能有效提高手持GNSS設備的精度，除了在終端硬件上的提升，實時改正系統的建設也是至關重要，目前存在的技術主要有三種：SBAS技術、PPP技術和RTD技術。

　　2.1熱門的星站差分技術——SBAS

　　SBAS(Satellite Based Augmentation Systems)，即基于衛星的增強系統。是利用地球靜止軌道衛星建立的地區性廣域增強系統。由已知其準確地理位置的地面固定基站系統，探測、計算出GPS信號中的誤差。并通過地球同步通訊衛星以GPS信號同樣的頻率向地面廣播增強信息，若終端的定位主板支持該增強信號的，可以實時的提高定位精度。該技術自從建立后，因為兼容GPS信號較好，很快的被應用在手持機GPS領域，成為熱門的GPS終端(手持GPS)實時改正技術。

　　SBAS系統屬于區域性的增強系統，專為指定區域的GPS終端(手持GPS)提供增強改正信息，可以提供米級的定位改正。目前全球發展的SBAS系統有：歐洲 (EGNOS);美國 (WAAS)，日本(MSAS);

　　目前我國的一部分GPS用戶可以使用到日本的MSAS系統，根據實際測試情況，中國東部可以全時搜索到該信號，最高可使GPS達到1-3米的實時定位精度，但是中、西部用戶，SBAS的可用性和可靠性較差，不能滿足要求。而且目前的SBAS主要支持GPS系統，對于新興的星系尚不支持，受到一定的局限。

　　2.2新興的精密單點定位技術——PPP

　　精密單點定位PPP(Precise Point Positioning)技術其實早在1997年就由美國提出。該技術的思路非常簡單，在GNSS定位中，主要的誤差來源于三類，即軌道誤差、衛星鐘差和電離層延時。通過給定衛星的軌道和精密鐘差，采用精密的觀測模型及算法，消除這些影響，就可以單機計算出GNSS接收機的精確位置。

　　根據PPP技術實現的要求，定位中需要系統提供“衛星的精密軌道和鐘差”。目前，只有國際GNSS服務組織(IGS)的幾個數據分析中心及少數科研機構具備這個能力提供衛星的精密軌道和鐘差，雖然現有的軌道產品能提供足夠高的精度，但是實時的高時間分辨率高精度鐘差產品仍然欠缺。此外，對比差分技術而言，PPP通常需要比較長的收斂時間(幾分鐘到十幾分鐘)達到亞米級精度。這些因素導致了現階段PPP難以大規模應用。

　　2.3成熟的實時差分技術——RTD

　　實時差分(Real Time Difference)技術，是通過移動站(既手持GNSS設備)，與基準站(CORS等)同步觀測相同的GNSS衛星的情況下，由基準站發射相關的差分改正信息，當移動站(或稱手持GNSS設備)接收到差分改正信號后，即可進行迅速解算，消除衛星的軌道誤差、鐘差，接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等，從而提高移動站(或手持GNSS設備)的實時定位精度，可以達到亞米或更高。

　　2.4三種定位技術對比

　　項目星站SBAS精密單點PPPRTD差分站

　　成熟程度較為成熟應用較少、產品化不成熟成熟應用了數十年

　　定位效果數分鐘初始化，并保持實時動態需要較長時間初始化定位迅速，僅需數十秒實現實時定位

　　定位精度平均精度米級，有一定偏差概率亞米或更高(單頻)亞米或更高(單頻)

　　環境要求處于其服務區域，不支持GNSS對搜星環境、數據質量要求高典型環境即可定位

　　手持GNSS設備終端要達到其米級、亞米級甚至更高的定位精度，必須要經過實時的誤差改正：星站差分SBAS技術有地域的局限性，精度穩定性及可靠性也不高;PPP技術目前還不成熟，可操作性較差;這樣，實時差分RTD技術成為最適合手持GNSS設備提高精度的方式。

　　3廣域差分增強系統SDAS技術原理及應用

　　3.1SDAS技術原理

　　“SDAS”采用的基礎原理為實時差分RTD技術，并以連續運行參考站系統NRS(Network Reference Station)技術作為主要依據，利用地面布設多個基準站組成的GNSS連續運行網絡，綜合利用各個基站的觀測信息，通過精確的誤差模型修正距離相關誤差，在用戶站附近產生一個物理上不存在的虛擬參考站，與用戶站構成短基線或者超短基線差分，用戶站接收該基準站的差分信息進行定位。

　　南方公司在NRS技術的基礎上進行了適應性改良，將NRS發展成為廣域網絡參考站(Wide Net Reference System，W-NRS)技術，將NRS技術有效的延伸到RTD領域，使得“網絡RTK”應用發展成“網絡RTD”應用。基于該技術，在一個較大區域內，只需要建立較少的基站就能夠有效滿足了該區域網絡RTD服務的需要。目前的技術使得基站和基站之間的距離可達數百公里。

　　基于W-NRS技術，針對手持GNSS設備用戶所使用的是RTD差分信號等特點，推出了服務高精度手持GNSS設備用戶的“廣域差分增強系統”(Wide Difference Augmentation System，SDAS)，為高精度手持GNSS設備用戶提供全時的、可靠的網絡RTD信號。

　　3.1.1手持GNSS設備在SDAS系統模式下的作業流程為

　　(1)各個參考站連續采集觀測數據,并實時傳輸到數據處理與控制中心的數據庫中,進行網絡計算;

　　(2)計算中心利用各參考站觀測值計算每條基線上各種誤差源的實際或綜合影響值,并依此建立電離層、對流層、軌道誤差等距離相關誤差的空間參數模型;

　　(3)手持GNSS用戶將單點定位或DGPS確定的用戶概略坐標(NAME—GGA格式),通過無線移動數據鏈(內置的GPRS模塊)傳送給數據處理中心,中心利用W-NRS技術在該位置創建一個虛擬參考站,利用中央計算服務器結合用戶、基站和GPS衛星的相對幾何關系,通過內插得到虛擬參考站上各誤差源影響的改正值,并按RTCM格式發給手持GNSS設備用戶;

　　(4)手持GNSS設備用戶與虛擬參考站構成短基線。用戶接收控制中心發送的虛擬參考站差分改正信息或者虛擬觀測值,進行實時差分解算得到用戶的精確位置。

　　3.2SDAS所采用的W-NRS技術優勢及特點

　　擁有自主知識產權國際領先的NRS技術，其采用先進的網絡虛擬參考站算法及深度可用站搜索技術，可以大大提高參考站網服務的距離、移動站解算的速度及差分信息的可靠性，從2008年開始，已在全國建立幾十套系統并成功通過行業驗收且持續良好運行。在此基礎之上，廣域網絡參考站(W-NRS)技術，根據RTD應用技術的特點和要求作了進一步的延伸和發展，使之可以有效的解決網絡RTD服務的問題，并將基站之間的距離提高到數百公里，系統可用性大大提高。

　　3.2.1W-NRS的技術特點

　　(1)先進性：將NRS技術有效的延伸到RTD領域，使得網絡RTK發展成網絡RTD，站與站之間數百公里的距離也能實現有效覆蓋;

　　(2)自主性：自主知識產權，利于升級維護及技術更新;

　　(3)可靠性：成熟的網絡RTD算法，確保用戶提供可靠的差分數據;

　　(4)可用性：DEEP-NRS熱冗余技術，確保全天候、全區域可用;

　　(5)安全性：領先的完好性監測技術，數據質量安全有效;

　　3.3SDAS技術的應用

　　當高精度手持GNSS設備依托實時差分RTD技術來提高定位精度成為主要條件，當自動化、高可靠性的RTD信號源成為用戶的迫切需求。SDAS系統的建立對于高精度手持GNSS設備用戶而言，可謂“如魚得水”，它必將充分發揮設備性能，就單單精度的提升和保障，就可以使原本很多不能使用或無法大范圍投入的應用成為可能，以下列舉幾個高精度手持機的功能特點及典型行業的應用案例，實際上，結合SDAS的高精度手持GNSS設備應用模式，是不勝枚舉的。

　　(1)專業級高精度定位

　　處于一個覆蓋比較好的SDAS網區域內，自動的接入了SDAS網絡差分信號，高精度手持GNSS設備真正實現了實時高精度定位，定位成果滿足國土測繪、規劃、電力GIS等對精度的高要求。

　　(2)專業的測繪軟件

　　高精度手持GNSS設備結合SDAS定位精度的應用，配備設計了專有的測繪、GIS采集軟件，精確的面積測量、地形圖測繪、地籍勘界、電力設計、GIS屬性采集，可以滿足高精度測量、GIS采集的專業需求。

　　(3)工業級高端配置

　　能夠接入SDAS的高精度手持GNSS設備，考慮到野外專業環境應用，不僅僅在定位模塊上配置專業，在功能上也配備具有工業級標準的高端配件——高速CPU和內存、高IP等級的機身設計、高亮細膩的觸摸屏、穩定多模的無線網絡模塊等，完全滿足野外作業的行業需求。

　　(4)通用的智能開放平臺

　　高精度手持GNSS設備，為了支持行業應用及二次開發設計，通常采用國際通用的平臺系統，如標準的Window操作系統平臺，標準的通訊接口及開發平臺，標準的衛星定位數據協議平臺等，為行業及高端功能定制提供良好的支撐。

　　4結束語

　　總之，使用高精度的手持GNSS采集設備，通過其內置的高精度硬件模塊及實時差分等軟件算法，可以消除傳統導航型手持機GPS的眾多不足，大大提高其專業領域的可用性，尤其再結合SDAS這樣的廣域差分增強系統，切實的消除GNSS誤差及提高精度，更或在高精度手持GNSS設備上，通過專門定制行業GIS系統。這樣，不僅僅可以滿足傳統小比例尺地形圖測量、土地規劃執法監察、電力電信GIS采集、林業水利調查、石油燃氣水務管線巡檢等行業應用，更可以使地理信息數據的高精度采集和利用，成為可行。

　　參考文獻：

　　[1] 魯輝，廣域差分GPS技術在工程中的發展和應用

　　[2]廣州南方測繪儀器有限公司，南方SDAS的建立及應用

　　[3] 曾望賢、張興旺，實時動態差分GPS(RTD/RTK)的發展及應用現狀,石油儀器,1997