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[摘要]本文在对虚拟参考站技术（VRS）进行介绍的基础上，通过某市GPS连续观测站网系统对VRS系统的工作程序进行了分析说明，提出了实际应用中存在的误差，并从计算及观测方法两方面提出了误差的改进方法，为VRS系统在实际工程中的应用提供参考。
[关键词]虚拟参考站（VRS）系统误差实验处理措施
中图分类号：S5-33 文献标识码：S 文章编号：1009―914X（2013）31―0054―01
1.VRS概念及原理
1.1 VRS概念
VRS（Virtual Reference Station）虚拟参考站是一种多基准站环境下的GPS载波相位差分定位技术，具有代表性的是GPS的网络RTK技术。VRS将一个地区的所有测绘工作整合成一个有机的整体，提高了测绘的整体性及效率，大大扩展了RTK的作业范围，也使得原来难以完成的任务能够得以完成，VRS是从常规RTK技术基础上发展起来的，一般认为是属于网络RTK技术的一种。作为GPS的单一产品，VRS与常规RTK相比具有明显的优势，其是集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，代表了继常规 RTK之后的新一代定位技术的发展方向。
1.2 VRS工作原理
虚拟参考站就是利用地面布设的多个基准站组成GPS参考站网综合利用各个基站的观测信息，通过精确的误差模型修正卫星的各种误差，在用户站附近产生一个物理上不存在的基准站，与用户站构成短基线或者超短基线差分，用户站接收该基准站的差分信息进行定位和测速。VRS技术主要利用网络内所有基准站的观测数据，结合基准站的精确坐标以及流动站的概略坐标，在流动站附近产生一个虚拟参考站，由于虚拟参考站和流动站距离较近（一般为几米到几十米），因此建立了虚拟参考站以后，流动站就可结合虚拟参考站利用常规RTK技术进行实时相位差分定位，以获得较高精度的定位结果。VRS系统由控制中心、固定参考站、数据通讯系统、用户部分四个部分组成。
2.实验及分析
2.1 实验网络
基于某市GPS连续观测站网系统，该系统具有一个GPS基准网和一个数据集成中心，参考站数量为12个，并有一定的数据传输控制系统，采用专业的系统软件对数据进行处理，数据精度能够达到厘米级，可以做到全天候、实时快速的精密定位。
2.2 VRS的工作流程
（1）通过通讯链将各个参考站的GPS卫星数据传送到控制中心，对数据进行质量检测并去除大的粗差、修正周跳并计算电离层、对流层、轨道误差和多路径效应的模型参数；
（2）通过基准站中已有的精确坐标，求解出局域差分网中的各基线载波相位整周模糊度；
（3）利用已知的载波相位观测值推算每一条基线上的各种误差源产生的实际误差，相关数据应精确到厘米级；
（4）通过单点定位方法确定用户的大致位置，利用建立的误差模型，结合流动站、基准站和GPS卫星的相对几何关系，通过数学算法计算每一颗可见的 GPS卫星到流动站之间各误差源引起的误差；
（5）通过控制中心在流动站主要位置处创建一个虚拟参考站，该参考站的位置可随流动站位置的变化而变化，始终与流动站构成短基线差分。对实时应用，虚拟基准站数据变成标准差分数据格式（如 RTCM 格式）通过蜂窝通讯设备由控制中心发送给流动站。对事后处理，虚拟参考站数据可以按RINEX（Receiver Independent Exchange）格式存储。流动站可以将虚拟参考站当作一个普通基准站使用。
（6）流动站接收机接收到虚拟参考站差分信息后，采用常规RTK技术，进行差分解算。
3.VRS系统中存在的误差
在该观测站中系统运行过程中可能一般存在电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星轨道误差、多路径效应导致的误差、卫星钟差、接收机钟差以及接收机噪声导致的误差等，其产生原因分析如下：
（1）电离层延迟。距离地表面高度为60~1000km间的大气层为电离层。在太阳紫外线、X射线、γ射线和高能粒子等的作用下，电离层中的中性气体分子被电离，产生大量密度相等的正离子和自由电子，从而形成了一个电离区域。当GPS信号通过电离层时，不仅会导致GPS信号的路径弯曲（但对测距结果所产生的影响不大，在一般情况下可不考虑），而且会引起GPS信号传播速度的变化，变化程度主要取决于电离层中的电子密度和信号频率。
（2）对流层延迟。从地面向上50km为对流层，大气层中99%质量集中在此层，大部分的气象现象也出现在此层。电磁波在其中传播速度与频率无关，而与大气的折射率以及电磁波传播方向有关。大气折射率与大气压力、温度以及湿度有关，一般将对流层中大气折射率分为干分量以及湿分量两部分。
（3）卫星轨道误差。卫星轨道误差主要源于GPS卫星轨道摄动的复杂性和不稳定性。卫星在轨位置是作为动态已知点参与导航定位解算的，是由地面监测站根据卫星星历算得到的，卫星星历含有误差，导致GPS导航定位的误差。卫星的轨道可以按照两类星历计算：广播星历和后处理星历。
（4）多路径效应。GPS卫星信号向地面发射过程中，如果接收机天线周围有高大建筑物或水面等电磁波强反射体，则接收机天线接收到的信号为卫星发射信号以及反射体反射的电磁波信号的叠加。如果用这种叠加信号作为观测量进行定位计算，就会产生误差，该误差称为多路径效应。
（5）卫星钟差。卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们也不可避免的出现误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、钟速、频漂等偏差），也包含着随即误差。
（6）接收机钟差。接收机钟差是接收机时钟与GPS系统时间的偏差。主要与接收机硬件（如晶体振荡器）有关，钟差相当大，lus钟差可以引起 300m的等效测距误差，而且接收机钟稳定性低，频率漂移速度和加速度均很快，且不稳定，所以接收机钟差不容易建模，它主要依靠双差消除。
（7）接收机噪声。接收机噪声是接受机相关误差源，它是在处理伪距以及载波观测值过程中由接收机自身产生的误差。与其他误差源相比，接收机噪声的数量级较小。但由于对消除和减弱其他误差技术的出现和不断进步，接收机噪声也成为载波相位观测中的重要误差源之一。接收机噪声与接收机硬件密切相关，但通常认为接收机噪声应小于观测信号波长的1%。
4.误差的处理方案
4.1 计算处理方案
工程应用中首先计算网中各参考站的对流层延迟，并把各条基线上的对流层延迟作为真值，利用真值采用各种内插拟合算法计算其中间基线的对流层延迟误差，并采用综合误差内插算法计算内插值，与真值比较，判断计算的综合误差的精度。当对流层距离地面高度50km以下时，其延迟值受测站高程影响较大，对流层的天顶延迟除了受大气的压力、温度、湿度等大气参数影响外，还与计算中采用的对流层改正模型、卫星的截止高度角、天顶延迟随机模型、观测时间的长短、测站高程、每个测站上天顶延迟参数的个数等条件有关。
4.2 其他方案
利用实测地区气象资料对模型进行修正，当基线较短，气象条件比较稳定时，两个测站的气象条件一致，利用基线两端同步观测求差，从而更好地减弱大气折射的影响；在计算中也可以考虑引入描述对流层影响待估参数，在数据处理中一并求得。
5.结语
与常规RTK相比，VRS技术对电离层、对流层等改正考虑较好、定位可靠性和精度较高、作用范围较大、精度分布均匀，极大地提高了工作效率，具有较好的发展空间。
[关键词]虚拟参考站（VRS）系统误差实验处理措施
中图分类号：S5-33 文献标识码：S 文章编号：1009―914X（2013）31―0054―01
1.VRS概念及原理
1.1 VRS概念
VRS（Virtual Reference Station）虚拟参考站是一种多基准站环境下的GPS载波相位差分定位技术，具有代表性的是GPS的网络RTK技术。VRS将一个地区的所有测绘工作整合成一个有机的整体，提高了测绘的整体性及效率，大大扩展了RTK的作业范围，也使得原来难以完成的任务能够得以完成，VRS是从常规RTK技术基础上发展起来的，一般认为是属于网络RTK技术的一种。作为GPS的单一产品，VRS与常规RTK相比具有明显的优势，其是集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，代表了继常规 RTK之后的新一代定位技术的发展方向。
1.2 VRS工作原理
虚拟参考站就是利用地面布设的多个基准站组成GPS参考站网综合利用各个基站的观测信息，通过精确的误差模型修正卫星的各种误差，在用户站附近产生一个物理上不存在的基准站，与用户站构成短基线或者超短基线差分，用户站接收该基准站的差分信息进行定位和测速。VRS技术主要利用网络内所有基准站的观测数据，结合基准站的精确坐标以及流动站的概略坐标，在流动站附近产生一个虚拟参考站，由于虚拟参考站和流动站距离较近（一般为几米到几十米），因此建立了虚拟参考站以后，流动站就可结合虚拟参考站利用常规RTK技术进行实时相位差分定位，以获得较高精度的定位结果。VRS系统由控制中心、固定参考站、数据通讯系统、用户部分四个部分组成。
2.实验及分析
2.1 实验网络
基于某市GPS连续观测站网系统，该系统具有一个GPS基准网和一个数据集成中心，参考站数量为12个，并有一定的数据传输控制系统，采用专业的系统软件对数据进行处理，数据精度能够达到厘米级，可以做到全天候、实时快速的精密定位。
2.2 VRS的工作流程
（1）通过通讯链将各个参考站的GPS卫星数据传送到控制中心，对数据进行质量检测并去除大的粗差、修正周跳并计算电离层、对流层、轨道误差和多路径效应的模型参数；
（2）通过基准站中已有的精确坐标，求解出局域差分网中的各基线载波相位整周模糊度；
（3）利用已知的载波相位观测值推算每一条基线上的各种误差源产生的实际误差，相关数据应精确到厘米级；
（4）通过单点定位方法确定用户的大致位置，利用建立的误差模型，结合流动站、基准站和GPS卫星的相对几何关系，通过数学算法计算每一颗可见的 GPS卫星到流动站之间各误差源引起的误差；
（5）通过控制中心在流动站主要位置处创建一个虚拟参考站，该参考站的位置可随流动站位置的变化而变化，始终与流动站构成短基线差分。对实时应用，虚拟基准站数据变成标准差分数据格式（如 RTCM 格式）通过蜂窝通讯设备由控制中心发送给流动站。对事后处理，虚拟参考站数据可以按RINEX（Receiver Independent Exchange）格式存储。流动站可以将虚拟参考站当作一个普通基准站使用。
（6）流动站接收机接收到虚拟参考站差分信息后，采用常规RTK技术，进行差分解算。
3.VRS系统中存在的误差
在该观测站中系统运行过程中可能一般存在电离层延迟误差、对流层延迟误差、卫星轨道误差、多路径效应导致的误差、卫星钟差、接收机钟差以及接收机噪声导致的误差等，其产生原因分析如下：
（1）电离层延迟。距离地表面高度为60~1000km间的大气层为电离层。在太阳紫外线、X射线、γ射线和高能粒子等的作用下，电离层中的中性气体分子被电离，产生大量密度相等的正离子和自由电子，从而形成了一个电离区域。当GPS信号通过电离层时，不仅会导致GPS信号的路径弯曲（但对测距结果所产生的影响不大，在一般情况下可不考虑），而且会引起GPS信号传播速度的变化，变化程度主要取决于电离层中的电子密度和信号频率。
（2）对流层延迟。从地面向上50km为对流层，大气层中99%质量集中在此层，大部分的气象现象也出现在此层。电磁波在其中传播速度与频率无关，而与大气的折射率以及电磁波传播方向有关。大气折射率与大气压力、温度以及湿度有关，一般将对流层中大气折射率分为干分量以及湿分量两部分。
（3）卫星轨道误差。卫星轨道误差主要源于GPS卫星轨道摄动的复杂性和不稳定性。卫星在轨位置是作为动态已知点参与导航定位解算的，是由地面监测站根据卫星星历算得到的，卫星星历含有误差，导致GPS导航定位的误差。卫星的轨道可以按照两类星历计算：广播星历和后处理星历。
（4）多路径效应。GPS卫星信号向地面发射过程中，如果接收机天线周围有高大建筑物或水面等电磁波强反射体，则接收机天线接收到的信号为卫星发射信号以及反射体反射的电磁波信号的叠加。如果用这种叠加信号作为观测量进行定位计算，就会产生误差，该误差称为多路径效应。
（5）卫星钟差。卫星上虽然使用了高精度的原子钟，但它们也不可避免的出现误差，这种误差既包含着系统性的误差（如钟差、钟速、频漂等偏差），也包含着随即误差。
（6）接收机钟差。接收机钟差是接收机时钟与GPS系统时间的偏差。主要与接收机硬件（如晶体振荡器）有关，钟差相当大，lus钟差可以引起 300m的等效测距误差，而且接收机钟稳定性低，频率漂移速度和加速度均很快，且不稳定，所以接收机钟差不容易建模，它主要依靠双差消除。
（7）接收机噪声。接收机噪声是接受机相关误差源，它是在处理伪距以及载波观测值过程中由接收机自身产生的误差。与其他误差源相比，接收机噪声的数量级较小。但由于对消除和减弱其他误差技术的出现和不断进步，接收机噪声也成为载波相位观测中的重要误差源之一。接收机噪声与接收机硬件密切相关，但通常认为接收机噪声应小于观测信号波长的1%。
4.误差的处理方案
4.1 计算处理方案
工程应用中首先计算网中各参考站的对流层延迟，并把各条基线上的对流层延迟作为真值，利用真值采用各种内插拟合算法计算其中间基线的对流层延迟误差，并采用综合误差内插算法计算内插值，与真值比较，判断计算的综合误差的精度。当对流层距离地面高度50km以下时，其延迟值受测站高程影响较大，对流层的天顶延迟除了受大气的压力、温度、湿度等大气参数影响外，还与计算中采用的对流层改正模型、卫星的截止高度角、天顶延迟随机模型、观测时间的长短、测站高程、每个测站上天顶延迟参数的个数等条件有关。
4.2 其他方案
利用实测地区气象资料对模型进行修正，当基线较短，气象条件比较稳定时，两个测站的气象条件一致，利用基线两端同步观测求差，从而更好地减弱大气折射的影响；在计算中也可以考虑引入描述对流层影响待估参数，在数据处理中一并求得。
5.结语
与常规RTK相比，VRS技术对电离层、对流层等改正考虑较好、定位可靠性和精度较高、作用范围较大、精度分布均匀，极大地提高了工作效率，具有较好的发展空间。