GPS與VRS

目錄

GPS的發展曆程

導航型GPS接收機

靜态測量型GPS接收機

動态測量型GPS接收機

網絡GPS（CORS）測量方案

網絡GPS技術和特點

1.下面我們以幾個圖來說說網絡GPS基準站點的布設

2．基于VRS技術的GPS網連接配接示意圖

3．基于廣播方式的網絡GPS

基于廣播方式的網絡GPS

1．NtripSource就是一個基準站站點

2．NtripServer就是将基準站的資料發送給資料進行中心的伺服器

3.NtripCaster是一個資料進行中心，同時它也是一個HTTP伺服器

4．NtripClient是資料接收客戶機，就是我們通常的移動站

基于VRS技術的GPS網絡

1.GPS基站資料源

2.GPS基站傳輸

3.GPS網絡資料進行中心

4.GPS客戶服務網絡

5.GPS移動站

附加部分：GPSServerWeb

總結：

附錄：

摘要：介紹最近幾年在網絡GPS的标準制定的成果，同時幫助大家認識到現在存在的幾種GPS的特點，同時介紹了我國國内的情況。

關鍵詞：GPS;GSM;GPRS;VRS;GPSNet;RTK;HTTP;NTRIP

研發部鮑志雄

GPS的發展曆程

GPS發展的曆程是測量技術發展的過程，讓我們來看看GPS接收機發展的過程：

導航型GPS接收機

GPS接收機誕生，使用者隻用一台GPS接收機就可以進行單點定位，精度達到15米，無法用于高精度的測量工作，于是誕生了可以收集觀測資料以及星曆資料的測量型接收機。

靜态測量型GPS接收機

單頻測量型GPS接收機誕生，使用者可以使用多台接收機來進行靜态測量。使用者用幾台接受機同時觀測，可以利用誤差的相關性，進行厘米級的靜态測量，但是卻不能在移動中得到較高的精度。單頻測量型的精度很高，但是因為無法解決大氣層的誤差測量是以距離不能超20KM，雖然電離層和對流層模型可以改善部分測量結果，但是可信度也隻有75%。

雙頻測量型GPS接受機誕生，雙頻接受機可以很好的解決電離層和對流層的改正，是以距離可以達到20KM。

靜态測量可以很好的用于控制等部門，但是不能用在移動的載體上，是以發展出來了動态差分模式。

動态測量型GPS接收機

動态差分模式的實作，使用者可以一台基準站，多台移動站的模式進行差分測量，精度可達1米，在這種模式下，用的是僞距來測量，精度不高，但是可以實作在移動的載體上測量，是以廣泛用于海洋測量方面。

動态載波相位測量技術的實作，使用者可以使用單頻或者雙頻接收機進行RTK測量，可以達到厘米級精度，在這種模式下，使用的是載波相位測量技術，精度很高，但是基站的建設費用也很高，同時從基準站到移動站用的電台一般都是高頻電台，距離遠，但是容易受到障礙物的遮擋，影響了實際測量效果。

網絡GPS（CORS）測量方案

随着通訊技術的發展，GSM和GPRS網絡的建立，為我們的差分改正資料提供了新的傳輸方式，利用現有的GSM和GPRS網絡來傳輸資料，使用者可以省去基準站的發射電台和移動站的接收電台，同時在城市中測量在傳輸方面更穩定。但是，基站的費用依然很高，而且衆多機關都會購買自己的基站，造成了資源的重複浪費，如果可以由一個組織統一購買基站，使用者隻需要購買移動站就可以進行高精度的測量，那該多好，事實上這就是最初的GPS的概念，但是後來的發展遠遠不止如此。

網絡GPS技術和特點

随着網絡化GPS的發展，網絡的優勢逐漸被人們所看到，他不僅僅局限在為RTK提供用網絡來傳播差分資料的俠義方式，而是用多台GPS在整個測控區域布網，形成網絡布局的GPS站點，這些站點形成了對測區的不間斷觀測，然後，任何測量機關或者渴望享有這些GPS網絡的資訊，在上面我們提到用這個網絡來建成RTK觀測網，任何網絡終端隻需要購買GPS接受機裝置，然後獲得登陸這個網絡的權限，就可以進行高精度RTK測量了，不用購買任何的基準站裝置，而且可以在這個GPS觀測站所覆寫的區域的任何地方都可以進行RTK測量。

不僅僅如此，随着網絡RTK技術發展出現了VRS技術，VRS是VirtualReferenceStation，即虛拟基準站，這個技術可以在測控區域的任何位置虛拟出一個基準站，就像架設在移動站身旁一樣。這樣移動站的初始化固定時間大大減少。還有更絕的，網絡化的GPS站點将所有資源集中起來，建立一個網站伺服器，進行播發和下載下傳，這樣不僅可以進行移動的RTK測量，還可進行測量以及靜态測量！靜态測量，是的，隻要使用者拿着一台雙頻靜态機，在網絡範圍内進行觀測和采集，然後登陸網站将網絡GPS的觀測資料下載下傳下來，就相當于一個靜态網了。

1.下面我們以幾個圖來說說網絡GPS基準站點的布設

站點被均勻的布設在控制區内，每兩個站點之間距離控制在2倍雙頻RTK靜态的距離以内，當然，布設站點的實際距離和該地區所處位置的大氣層活動有密切關系，如果該地區大氣層活動劇烈，則網絡布設的要密些，如果該地區的大氣層活動較少，則可以相應布稀疏些。

2.基于VRS技術的GPS網連接配接示意圖

可以看出，整個分為5+1個部分，

1）GPS基站資料源

2）GPS基站傳輸

3）GPS網絡資料進行中心

4）GPS客戶服務網絡

5）GPS移動站

附加的部分是GPS Server Web，下面詳細講解。

3.基于廣播方式的網絡GPS

可以看出，整個組成由四個部分

1）NtripSource

2）NtripServer

3）NtripCaster

4）NtripClient

問題似乎越來越複雜了，怎麼有兩種網絡GPS，其實這兩種GPS是統一的，都是包括了基準站資料源，基準站的傳輸通道，資料彙集進行中心和移動站接受端，隻不過彼此在傳輸方式和建立上有差別，是以有些不同，下面分别就基于廣播方式的網絡GPS和基VRS技術的網絡GPS作較詳細的說明：

基于廣播方式的網絡GPS

Ntrip這裡首先需要解釋一下Ntrip的含義，其全稱是NetworkTransportofRTCMviaInternetProtocol是一個通過Internet網傳輸全球導航衛星系統（GNSS）資料的協定，該協定是由TimbleTerrast公司與德國多特蒙德大學聯合制定的。這個協定基于HTTP/1.1，GNSS除了RTCM外，還包括其他的格式。通過移動IP，Ntrip協定支援無線網絡通路如GSM、GPRS、EDGE或者UMTS。

Ntrip由三個部分組成：NtripClient、NtripServer和NtripCaster，其中NtripCaster實際上是HTTP伺服器，而NtripClient和NtripServer都是HTTP客戶機。

下面我們分别就NtripSource，NtripClient，NtripServer，NtripCaster作說明：

1.NtripSource就是一個基準站站點

提供連續的GNSS資料，那麼一個資料源将要提供哪些資訊呢？

a）站點的位置資訊及坐标資訊；

b）站點的節點号（mountpoint），這個節點号是由NtripCaster統一配置設定的；

c）導航系統比如是（GPS，GLONASS或者GPS+GLONASS）

d）以何種格式播發，比如RTCM2.0，RTCM2.3；

e）播發哪些類型的資料比如RTCM2.3中的1，3，19

f）播發的頻率是多少，比如1号1次/秒，3号1次/30秒

這些資訊都将作為基準站點的資料被儲存在資料源表裡（Source-Table）。

資料源就以上述資訊中的格式以及頻率提供資料。

2.NtripServer就是将基準站的資料發送給資料進行中心的伺服器

它的工作順序如下：

a）要在此之前先要向資料進行中心NtripCaster申請密碼和節點。

b）發送由NtripCaster配置設定的節點号和密碼，告訴NtripCaster是我這個節點發來了資料。

c）NtripServer可以向資料進行中心NtripCaster發送資料。

d）每個NtripServer提供一個基站的資訊給NtripCaster。

NtripServer與NtripCaster的通訊擴充了HTTP協定，增加部分諸如“SOURCE“的資訊。

3.NtripCaster是一個資料進行中心，同時它也是一個HTTP伺服器

它監聽一個端口接收NtripServer或者是NtripClient的資料請求。是以他需要在所有的NtripSource和NtripClient之前運作。

在NtripCaster上維護着一個SourceTable就是基準站點的表格，就是曾經向資料中心申請了節點号和密碼的NtripSource的資訊表格。資料中心負責這個表格的更新。這個表格包括下面三個内容：

a）第一個内容是關于基準站資訊的，就是STR。上面的基準站資訊已經作了說明。

b）第二個内容是關于資料進行中心資訊的，就是CAS，它包括：

NtripCaster的IP位址或者名稱如：141.74.243.11

端口号如80，是否需要NMEA各式的資料（在VRS技術中描述）等等。

c）第三個内容是關于網絡資訊的，就是NET。

包括網絡服務商的名字，比如

資料流的通路保護級别

關于網站資訊的網絡位址

關于資料資訊的網絡位址

關于注冊的電子郵件或者網站的位址

資料進行中心負責給基準站分發節點号，上傳資料所需的密碼，移動站通路資料所需的密碼，安排順序，統計資訊等。是以這個HTTP的伺服器的設計是基于現存的一個名為“Icecast”的軟體來開發的。這個軟體其實我們大家很熟悉，就是在網上聽音樂的，其實際作用就是将幾百個資料源的資料分發給數以千計的客戶機。當然，資料進行中心重新設計了該軟體用來支援GNSS資料，而且速度也不用以前要求那麼高，NtripCaster并沒有對資料進行任何編輯或者改動，在Icecast中，有個”*.conf”，用于配置資料中心的設定，例最大的資料源，最大的客戶連接配接、驗證密碼等參數。Ntrip協定繼續使用了這個檔案，上面我們也說過了，資料進行中心還負責維護資料源表。

資料進行中心有兩種版本：标準版和專業版，差別如下：

1）在于處理資料源和分發客戶的數量級不同。标準版支援較少的資料源和客戶連接配接。

2）專業版的管理者還可以進行遠端通路，管理者可以通過輸入使用者名和密碼進行遠端登入，也可以網頁浏覽器進入Web網站來登陸。管理者有權限組織資料源的資料，允許或者禁止客戶機的通路，還可以剔除資料源，客戶機的連結，以及檢視所有客戶機（包括NtripSource和NtripClient）的統計情況。

3）專業版可以動态的修改資料源表

4）專業版可以和其他的資料進行中心連接配接

為了保證資料進行中心的長時間工作正常和準确，網絡資料螢幕（NtripMonitor）被開發出來，一個資料中心至少有三個網絡螢幕來監視，螢幕用來做以下工作。

1）每分鐘下載下傳一次資料進行中心維護的資料源表

2）如果下載下傳失敗，則嘗試連接配接資料進行中心。

3）如果沒有連通資料進行中心，則嘗試連接配接其他地方的伺服器。

螢幕同時會記錄下來這些記錄檔。螢幕可以同時監視幾個資料進行中心。

作為網絡螢幕的輔助，有些資料進行中心也可以用本地螢幕來監視。本地螢幕不是資料處理的一部分，而是一個單獨的軟體，它也負責檢查資料，在這個基礎上生成

1）NABU，即通知資料提供方（NtripSource），當資料進行中心15分鐘以上還沒有收到資料源的資料，螢幕就會用E_mail的形式通知資料提供方，同時，這個資訊也會被儲存下來供使用者從網上下載下傳。

2）每日和每月的資料傳輸損耗圖，資料傳輸損耗圖是以本地螢幕和遠端網絡螢幕每分鐘的檢查情況為依據，而不是以資料進行中心的資料發送為依據。

3）以及存在的資料源/網絡/資料進行中心分布圖，分布圖都是以資料源表為依據的，如上所述，在資料源表裡有基準站的位置資訊，資料流格式資訊，網絡資訊以及資料進行中心資訊。可以從這個表中解碼出分布圖來。

同時它也負責分析資料中心的日志，用來統計每日和每月的資料傳輸損耗以及通路資料中心的使用者的資訊，而且可以生成使用者的使用費用賬單，該帳單以CSV格式儲存為Excel表。

4.NtripClient是資料接收客戶機，就是我們通常的移動站

它與NtripCaster直接聯系，在此之前需要向NtripCaster的IP位址和端口發送資訊請求。典型的代表就是GNSSInternetRadio為代表，這個軟體可以運作在PC機上(Window98/me/2000/xp),也有運作在PocketPC上的WinCE版本，在這個軟體包裡有資料源表檔案，該資料源表就是資料進行中心維護的資料源清單，在連接配接到資料中心後，GNSSInternetRadio會首先更新資料源表，然後使用者可以選擇相應的資料源表中的資料源，軟體會讀取資料源表裡記載的資料源的IP位址以及端口号，還有開放給公共的使用者名以及密碼，這樣就可以接受到資料中心的資料了。因為是使用者測試和試驗目的的軟體，是以資料并不能保證正确性。

值得注意的是在資料源表裡有一個條目是“NMEA-GGA”,就是該資料中心是否需要客戶機使用者發送NMEA-GGA的資訊，一般網絡上的GPS都不需要使用者發送這個資訊，那麼誰要求發送GGA資訊，又有什麼用呢？下面講到的VRS會給出一個滿意的答案。

基于VRS技術的GPS網絡

如果大家注意到上一節的内容，大家可能會發現，在客戶機這一端，必須有一個可以連接配接到網絡的，而且傳輸的是以Ntrip格式化後的資料，這樣就要求有硬體或者軟體如（GNS SInternet Radio）可以将接受的資料轉換為RTCM格式，原來的裝置才可以用，而基于VRS技術的GPS網卻不需要這樣，它可以直接使用原有的RTCM或者CMR等标準格式資料。

1.GPS基站資料源

在實作VRS技術之前，首先得要有多個（至少3個）已經建立好的GPS基準站，這些基準站不間斷的将資料發送到資料進行中心。

2.GPS基站傳輸

基站傳輸的資料通路可以是多種方式，如上圖所示。可以選擇以下的方式：

1）數據機

在基準站和資料中心都有一個數據機，資料中心的調制解調可以通過序列槽連接配接上資料進行中心軟體，如果有多個鍊路，怎可以用路由器來通過區域網路傳給資料進行中心，而這卻都通過IP位址協定來完成。

2）幀中繼技術

3）DSL或者其他的傳輸技術，該技術必須用TCP/IP協定，需要在基準站有個電腦或者ComServer

3.GPS網絡資料進行中心

資料中心通過接受多個基準站的資訊後，可以生成整個測區的改正資料，這樣一旦知道測區中移動站的坐标後，就可以虛拟出一個在移動站附近的基準站，将其改正資料以标準格式發送給移動站。那麼要知道移動站的位置，就需要移動站自己先向基準站發送一個坐标資訊，而通用的坐标資訊格式就是NMEA-GGA。事實上，移動站在收到基準站的格式後就可以進行DGPS定位了，移動站再次發送一個NMEA-GGA格式的資料給基準站，注意，第一個發送的是單點定位的坐标誤差達到15m,而這次發送的坐标精度可以達到1m,這樣下面就可以進行DGPS定位，利用這個技術可以做更高的RTK解。

下面我們說一說資料進行中心的主要工作任務：

a)接收基準站發來的原始資料，并作品質檢查。

b)轉換為Rinex資料并儲存。

c)天線相位中心改正。

d)模拟和預估系統誤差

e)為移動站生成虛拟基準站。

f)生成基于虛拟基準站的RTCM的改正資訊。

g)将RTGM格式的改正資訊發送給移動站。

h)生成SAPOSFKP廣播資料。

那麼怎樣産生虛拟基準站以及其改正資訊呢？Trimble的GPSNet利用在移動站周圍的幾個基準站資訊，運用有利的線性近似值逼近和矩形排列逼近，可以内插和外插站點。

GPSNet提供三個主要的模型：

1）基本模型，

主要是收集基準站資料，計算和改正周跳，并且儲存原始資料為Rinex資料。它也提供模型産生RTCM格式的資料給移動站

2）DGPSNet

DGPSNet是在基本模型的基礎上，減少大氣層、軌道以及多路徑的誤差，它提供L1C/A碼的僞距改正資訊，以RTCM1,2,3,9格式發送給DGPS使用者。可以達到亞米級的精度。

3）RTKNet

利用VRS技術可以提供除了DGPS的RTCM格式外，還增加了RTCM 18,19,20,21以及22，23，24和CMR/CMR+的資料格式。

4.GPS客戶服務網絡

移動站與資料中心通信可以使用GSM或者GPRS，并不是所有的使用者都可以獲得資料中心發出的資料的，是以在資料中心有個通路伺服器裝置（AcessServer），該裝置提供一個統一的電話号碼給所有的移動站，注冊使用者連接配接通路伺服器裝置，伺服器裝置就會給給注冊的使用者産生一個和資料中心連接配接的IP位址。

5.GPS移動站

移動站的典型工作模式如下：

1).以實時定位模式運作移動站，撥打資料進行中心提供的統一電話号碼接入資料進行中1.GPS基站資料源在實作VRS技術之前，首先得要有多個（至少3個）已經建立好的GPS基準站，這些基準站不間斷的将資料發送到資料進行中心

2).當接入成功後，以NMEA-GGA格式發送移動站采集的大緻單點定位資料。

3).移動站就會連續的接收到資料進行中心發來的RTCM格式或者CMR2格式改正資訊。

基于VRS技術的網絡GPS還有一個好處就是可以更快的初始化固定。：

下面的圖表主要是介紹移動RTK在四種不同的情況下初始化所需要的時間，這裡解釋一下Single-base的含義，Single-base就是用一個基準站的資料，而NetWork就是用多個基準站的資料。可以明顯看出，利用了VRS技術，使用多個基準站的初始化時間要少于隻用一個基準站的初始化時間,而且距離的增加對Network的影響要小于對Single-base的影響。

附加部分：GPSServerWeb

上面介紹了典型的VRS技術實作，在國内，已經有多個城市建立了上述的連續運作的衛星定位系統，但是大都沒有建立相應的網絡GPSServerWeb服務，GPSServerWeb服務就是以廣播方式的網絡GPS的實作，它可以實時播發各個基準站的資料，使用者使用類似于GNSSInternetRadio這樣的軟體就可以選擇性的接收基準站的差分資料，前一個章節介紹的就是這個附加部分，Trimble也已經開發了整套的資料源，資料進行中心，以及接受部分（運作在其移動控制器上RTKRadio軟體），而且是完全基于Ntrip協定的。

相比于使用GSM網絡通過撥打電話接入資料進行中心而言，通過Internet通路資料進行中心的GPSServerWeb,有兩個優點：

1）資料速度快，GPRS是數字傳播方式，速度是GSM傳輸的速度的兩倍。

2）随着速度的增加，其資料延遲也降低了。

3）費用低，GPRS資料傳輸費用遠比打電話接入的費用低。

還有一點不得不提到，就是GPSServerWeb不僅可以提供實時的差分資料播發，而且還提供了基準站點的靜态觀測資料，授權使用者可以用FTP的形式登陸網站進行下載下傳，這樣使用者的用于作靜态測量，而且精度很高（因為基準站用的GPS都是雙頻的GPS）。

總結：

可以看到VRS技術和基于一般廣播網技術的最大不同在于移動站與資料進行中心的通信上，雖然Ntrip協定可以允許客戶機選擇”NMEA-GGA”來達到資料進行中心與移動站的雙向通訊，但是一般廣播網的移動用戶端都是單向隻收不發，而基于VRS技術的必須是雙向通訊。并且，Ntrip協定是基于Http協定的，是以在資料傳輸上需要經過編碼和解碼的工作才能得到真正的資料。

同時Ntrip隻是RTCM資料通過Internet網絡傳輸的協定，它沒有具體的規定資料進行中心對基站資料的處理方式以及發送給移動站資料的内容，而Trimble公司則是用VRS技術将這個空白填補了，當然其他的公司可能也有自己的方法。

附錄：

1．《NetworkedTransportofRTCMviaInternetProtocolversion1.0》2003

2.《Ntrip,Version1.0ExampleImplementation》HaraldGebhard/GeorgWeber/DenisDettmering

2004/7/8

3.《VirtualReferenceStationSystems》TrimbleTerrasatGmbH2002/11