内容简介
基准站网是全球卫星导航系统(GNSS)实现高精度导航与位置服务应用的重要基础设施。本书系统地论述了GNSS基准站网的数据处理方法和应用技术,包括基于基准站网的精密单点定位、坐标时间序列分析、地球参考框架建立、地壳运动与建筑物变形监测等技术;探讨了基准站网的服务功能和应用;并分析了其发展现状与趋势。
作者简介
姜卫平,1972年6月生,湖南溆浦人,博士,武汉大学卫星导航定位技术研究中心主任、教授、博士生导师,教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者。
目录
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 全球导航卫星系统简介
1.2.1 GPS
1.2.2 GLONASS
1.2.3 Calileo
1.2.4 北斗卫星导航系统
1.2.5 其他定位导航或增强系统
1.3 GNSS基准站网的定义与应用
1.3.1 GNSS基准站网的定义
1.3.2 GNSS基准站网的功能与应用
第2章 GNSS基准站网的发展现状与分析.
2.1 国际GNSS基准站网.
2.1.1 全球GNSS基准站网.
2.1.2 美国连续运行参考站网系统.
2.1.3 加拿大主动控制网系统
2.1.4 欧洲永久网
2.1.5 德国卫星定位与导航服务系统
2.1.6 日本CPS连续应变监测系统
2.2 中国G.NSS基准站网
2.2.1 行业级C()RS
2.2.2 城市级CORS
2.2.3 省级CORS
2.2.4 中国国家级CORS的建设现状
2.3 中国区域GNSS网现状分析及建议
2.3.1 GNSS基准站网迅速发展的必然性
2.3.2 我国连续运行基准站网建设存在的问题及思考
第3章 高精度GNSS数据处理方法
3.1 GNSS测量误差源分析
3.1.1 与卫星有关的误差
3.1.2 与传播路径有关的误差
3.1.3 与接收机、测站有关的误差
3.1.4 其他误差源
3.2 高精度GNss数据处理的定位模式及考虑的主要因素
3.2.1 高精度数据处理中常用观测值及定位模式
3.2.2 高精度数据处理中考虑的主要因素及其影响
3.3 高精度GNSs数据处理软件
3.3.1 GAMIT/GLOBK软件发展历史及现状
3.3.2 GAMIT与GLOBK软件功能及组成
3.3.3 GAMIT/GLOBK软件的安装
3.3.4 GAMIT与GLOBK数据处理流程
3.4 基于子网划分的基准站网数据处理
3.4.1 概述
3.4.2 子网划分与公共站选择一般性原则
3.4.3 子网划分方法分析
3.4.4 公共站选择方法分析
3.5 基于整体解算的GNss基准站网参数估计方法
3.5.1 现有参数估计方法评述
3.5.2 高性能法方程求逆方法研究
3.6 多系统融合数据处理
3.6.1 多系统融合定位的优势
3.6.2 多系统融合数据处理基本原理
3.6.3 多系统数据处理发展趋势
第4章 整周模糊度分离与快速固定方法
4.1 引言
4.2 常用模糊度固定方法
4.2.1 取整法
4.2.2 区间判定法
4.2.3 最小二乘模糊度降相关平差法(LAMBDA)
4.2.4 Melbourne-Wuebbena方法
4.3 参数消去.恢复法研究
4.3.1 研究背景
4.3.2 参数消去。恢复法研究现状
4.3.3 基于大规模基准站网的参数消去.恢复法
4.3.4 参数消去.恢复法解算效率与精度评判
4.4 基于参数消去.恢复法的模糊度固定策略
4.4.1 选择最优化最大无关双差模糊度映射算子d
4.4.2 基于参数消去.恢复法的模糊度固定方法
4.5 基于Carrier.range的GNss大网数据处理新方法
4.5.1 基本原理
4.5.2 大规模GNSS网数据处理新方法
4.5.3 实例与分析
第5章 GNSS网络RTK和单频精密单点定位技术
5.1 常规R1、K与网络RTK
5.1.1 常规RTK定位技术
5.1.2 网络RTK定位技术
5.2 网络RTK技术
5.2.1 虚拟参考站技术
5.2.2 区域改正参数方法
5.2.3 主辅站技术
5.2.4 综合误差内插法
5.2.5 网络RTK软件研究现状
5.3 网络R1、K系统
5.3.1 系统组成及子系统定义
5.3.2 基准站子系统
5.3.3 系统管理中心子系统
5.3.4 用户数据中心子系统
5.3.5 数据传输子系统
5.3.6 用户应用子系统
5.3.7 系统数据流
5.4 基于非差改正数的网络RTK方法
5.4.1 模型构建
5.4.2 数据处理策略
5.4.3 算例分析
5.5 基于C0RS的实时精密单点定位服务
5.5.1 构建参考网实时模型
5.5.2 单频用户实时解算模型
5.5.3 算例分析
第6章 基于Internet的精密单点定位服务
6.1 精密单点定位在线服务系统发展现状
6.1.1 CSRS.PPP
6.1.2 Auto.GIPSY
6.2 精密单点定位(PPP)的数学模型
6.2.1 基本观测方程
6.2.2 传统无电离层组合模型
6.2.3 UofC模型
6.2.4 无模糊度模型
6.2.5 模型分析
6.3 精密单点定位软件实现过程及结果分析
6.3.1 精密单点定位软件实现过程
6.3.2 精密单点定位(PPP)精度分析
6.4 Web建站基础及技术
6.4.1 Apache服务器和MySql数据库
6.4.2 HTML和PHP网页编程语言
6.4.3 数据安全传输技术VPN
6.5 基于Intemet的精密单点定位服务实现
6.5.1 网络模型服务设计
6.5.2 网站系统模块结构
6.5.3 网站后台管理功能模块
第7章 GNSS测站坐标时间序列分析
7.1 国内外研究现状
7.1.1 GNSS坐标时间序列噪声模型的建立
7.1.2 地球物理效应对基准站非线性运动的影响
7.1.3 基准站虚假非线性位移的成因研究
7.1.4 基准站非线性位移的修正
7.2 GNSS坐标时间序列分析采用的参考框架
7.3 GNSS坐标时问序列的周期特征常用分析方法
7.3.1 谱分析
7.3.2 小波分析
7.4 GNSS坐标时间序列的噪声特性常用分析方法
7.4.1 GNSS基准站坐标所涉及噪声的数学描述
7.4.2 噪声时间序列的获取
7.4.3 谱指数的计算
7.4.4 极大似然估计
7.5 环境负载造成的GNSS基准站非线性位移
7.5.1 环境负载产品
7.5.2 不同环境负载造成的基准站坐标时间序列特征
7.5.3 RMS的定义
7.5.4 最优环境负载模型的建立及分析
7.6 中国区域IGS基准站坐标时间序列特征分析
7.6.1 采用的数据
7.6.2 方案设计
7.6.3 顾及环境负载改正的中国区域IGS基准站最优噪声模型建立
7.6.4 数据分析与讨论
7.6.5 中国区域IGS基准站周期性变化的其他因素分析
第8章 基于GNSS的地球参考框架建立与维持
8.1 地球参考框架的发展现状
8.1.1 全球参考框架
8.1.2 区域地球参考框架
8.1.3 ITRF的研究进展及其局限性
8.2 利用GNSS基准站网建立与维持地球参考框架
8.2.1 地球参考系及其实现
8.2.2 基准约束
8.2.3 GNSS基准站的选择
8.2.4 GNSS技术的组合原理
8.2.5 并置站与局部连接
8.2.6 利用GNSS技术建立地心坐标参考框架的步骤
8.2.7 地球参考框架的维持
8.3 不同坐标参考框架之间的相互转换
8.3.1 基准转换方法
8.3.2 坐标移动转换方法及实例分析
8.4 毫米级地球参考框架建立方法与展望
8.4.1 顾及基准站非线性变化的地球参考框架的模型表达
8.4.2 坐标时间序列的非线性变化分析
8.4.3 顾及基准站非线性变化的毫米级地球参考框架的构建与展望
8.4.4 结束语
第9章 基于GNSS基准站网的地壳运动与建筑物变形及地质灾害监测
9.1 利用GNSS基准站网进行形变监测的发展历史与现状
9.2 全球板块构造与块体运动研究
9.2.1 发展历史与现状
9.2.2 GNSS基准站网的建立
9.2.3 数据处理与分析方法
9.2.4 计算实例
9.3 板块内部相对运动研究
9.3.1 发展历史与现状
9.3.2 GNSS基准站网的建立
9.3.3 数据处理与分析方法
9.3.4 计算实例(山西和江苏省区域)
9.4 滑坡与建筑物形变监测研究
9.4.1 发展历史与现状
9.4.2 GNSS基准站网的建立
9.4.3 数据处理与分析方法
9.4.4 计算实例
9.5 GNSS自动化形变监测系统设计
9.5.1 数据采集部分
9.5.2 数据传输部分
9.5.3 数据管理、数据处理分析与系统控制部分
9.5.4 系统运行组织管理
9.6 会战式GNSS监测网设计
9.6.1 会战式监测网设计
9.6.2 作业规程设计
第10章 GNSS基准站网系统功能与服务
10.1 GNSS基准站网系统的产品、服务及用户分类
10.1.1 基准站网系统的产品
10.1.2 GNSS基准站网系统的服务内容
10.1.3 GNSS基准站网的用户分类
10.2 实时数据服务
10.2.1 GNSS基准站网实时数据处理技术
10.2.2 GNSS基准站网实时数据服务内容及模式
10.2.3 实时数据服务收费方式
10.3 事后数据服务
10.3.1 事后数据服务系统的内容
10.3.2 事后网络服务系统授权和收费方式
10.4 GNSs基准站网的增值服务
10.4.1 坐标系统的转换及成果的动态实时发布
10.4.2 区域大地水准面精化
10.4.3 基于网络发布的在线增值服务
10.5 GNSS基准站网系统服务的发展趋势
附录 引用的缩略词
参考文献
前言/序言
《GNSS基准站网数据处理方法与应用》:一本深入探索卫星导航技术前沿的著作 在全球定位系统(GNSS)技术日新月异的今天,如何高效、精准地处理和利用海量的GNSS观测数据,是科研工作者、工程技术人员乃至行业决策者面临的重要课题。本书,《GNSS基准站网数据处理方法与应用》,正是一部为应对这一挑战而精心打造的力作。它不仅系统阐述了GNSS基准站网建设、数据采集、处理流程的科学原理,更聚焦于前沿的算法模型和实际应用案例,力图为读者构建一个全面、深入的知识体系。 本书的独特之处在于,它并非仅仅罗列枯燥的技术参数和公式,而是将理论与实践紧密结合。作者团队凭借深厚的专业积淀和丰富的实践经验,将抽象的概念转化为清晰易懂的讲解,并辅以详实的图表和数据分析,使得即便是初学者也能逐步掌握GNSS数据处理的核心要义。更难能可贵的是,本书前瞻性地分析了当前GNSS技术发展的新趋势,如多系统融合、高精度实时定位、动态监测等,并探讨了其在各个领域的潜在应用价值,为行业的未来发展指明了方向。 第一部分:GNSS基准站网的基础理论与建设 本书的开篇,从GNSS系统的基本原理讲起。它详细介绍了全球现有的四大GNSS系统——GPS、GLONASS、Galileo和北斗(BDS)——的系统构成、信号特征、定位原理以及各自的优缺点。理解这些基础知识,是后续深入学习的关键。 接着,本书将目光聚焦于“基准站网”。为何要建立基准站网?它与单点定位有何区别?书中对此进行了详尽的解释。基准站网的建设,是为了实现区域内的高精度、高可靠性的绝对和相对定位。作者深入剖析了基准站网的选址原则,包括地形地貌、电磁环境、大地水准面、地质稳定性等多种因素,并提出了具体的选址流程和评估方法。一个科学合理的基准站网布局,是后续高质量数据采集的基石。 在站网建设方面,本书还详细介绍了GNSS观测设备的类型、技术参数的选购要点、天线安装的规范以及供电和通信保障等实际操作层面的指导。此外,站网的维护管理也是本书重点关注的内容,包括设备定期检修、数据备份策略、异常情况处理等,确保了站网的长期稳定运行。 第二部分:GNSS观测数据的预处理与质量控制 GNSS观测数据,如同未经雕琢的璞玉,要成为具有价值的信息,必须经过精细的预处理和严格的质量控制。本书的第二部分,正是围绕这一核心任务展开。 数据采集与初步检查: 从基准站接收机采集的原始数据,通常包含多种格式。本书首先介绍了如何将这些原始数据导出,并进行初步的格式转换。紧接着,作者强调了数据完整性检查的重要性,例如是否存在数据空洞、观测时长是否满足要求等。 天顶延迟和对流层延迟的处理: 天顶延迟和对流层延迟是影响GNSS测量精度的重要误差源。本书详细讲解了如何利用气象模型、多普勒测量数据以及站网内其他站点的观测信息,对这些延迟进行有效建模和改正。 多路径效应的分析与抑制: 多路径效应是由于接收机信号在传播过程中受到地面反射和折射而产生的误差。书中介绍了多种识别和抑制多路径效应的方法,包括利用接收机自带的多路径指示器、以及通过分析多频率信号的差值等。 接收机和天线相位中心偏差的改正: 不同型号的接收机和天线,其相位中心的位置可能存在差异,这会引入系统性误差。本书提供了如何利用标准文件或通过实验方法确定和改正这些偏差的详细步骤。 数据质量评估与异常值剔除: 质量控制是GNSS数据处理的重中之重。本书详细介绍了多种数据质量评估指标,例如信噪比(SNR)、相位残差、模糊度固化率等。更重要的是,它提供了多种自动和半自动的异常值剔除方法,如基于统计学原理的RANSAC算法、卡尔曼滤波等,确保了最终参与处理的数据是可靠的。 第三部分:GNSS基准站网数据的高精度处理方法 掌握了预处理和质量控制的技能后,本书便进入了GNSS数据处理的核心环节。这一部分,重点在于讲解实现高精度定位的各种先进算法和技术。 差分定位技术(DGNSS): 作为最基础的高精度定位方法,差分定位被详细介绍。书中阐述了单点伪距差分(SPP-D)和实时动态差分(RTK)的基本原理,包括基准站和用户站之间的差分改正信息的传播方式,以及如何通过差分改正有效消除或削弱大部分误差。 精密单点定位(PPP): 随着GNSS技术的进步,精密单点定位(PPP)已成为实现全球范围内亚米级乃至厘米级定位的关键技术。本书深入解析了PPP的原理,包括如何利用事后精密轨道和钟差产品、以及如何处理接收机端的高精度导航电文。同时,作者还详细介绍了PPP的几种不同实现方式,如静态PPP、动态PPP以及流动站PPP(PPP-RTK),并探讨了PPP收敛时间、模糊度固定等关键技术问题。 基线解算与网络平差: 对于基准站网而言,其核心价值在于实现站点间的相对定位。本书详细介绍了基线解算的各种模型和方法,包括长基线、短基线处理的策略,以及如何利用多项式、球谐函数等模型进行大气延迟改正。更重要的是,本书强调了网络平差在提升整体精度和可靠性方面的作用。通过将所有基线解算结果纳入一个整体平差模型,可以有效顾及站点间的整体约束,获得最优的位置解。书中介绍了不同平差模型,如最小二乘平差、稳健估计等,以及如何进行平差后的精度评定。 模糊度固定技术: 模糊度固定是实现高精度GNSS定位,尤其是厘米级和毫米级定位的关键。本书系统地介绍了模糊度固定的多种策略,包括LAMBDA(Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment)算法、Ratio Test、Successive Fixing等。作者不仅解释了算法的原理,还提供了不同场景下的应用技巧和注意事项。 第四部分:GNSS基准站网在典型领域的应用 理论与方法是基础,而实际应用则体现了GNSS基准站网的价值。《GNSS基准站网数据处理方法与应用》的第四部分,将读者带入到GNSS技术生根发芽的各个应用场景。 大地测量与地球动力学监测: GNSS基准站网是实现高精度大地测量的基石。本书详细介绍了如何利用基准站网数据,进行区域性的地壳形变监测,如地震前兆、火山活动、滑坡监测等。通过长期连续的观测,可以捕捉到地表微小的位移,为地球动力学的研究提供宝贵的一手资料。 工程测量与变形监测: 在大型工程建设领域,如桥梁、大坝、隧道、高层建筑等,GNSS基准站网发挥着至关重要的作用。本书阐述了如何利用基准站网实现施工过程中的精确定位、构件安装的校准,以及工程建成后的长期变形监测。通过对工程结构的实时或定期监测,可以及时发现潜在的安全隐患,并采取相应的预防措施。 交通运输与导航应用: 随着自动驾驶和智能交通系统的发展,高精度定位已成为其核心技术。本书探讨了如何利用GNSS基准站网,为区域内的车辆、船舶、飞机提供高精度的实时导航和定位服务,从而提高交通效率和安全性。 地理信息系统(GIS)与空间信息服务: GNSS数据为地理信息系统的建设提供了高精度、时空一致性的地理坐标。本书介绍了如何将GNSS基准站网的观测成果,整合到GIS平台中,为城市规划、资源管理、环境监测等领域提供精准的空间信息服务。 新兴应用领域探索: 除了上述传统应用,本书还展望了GNSS技术在时间同步、灾害预警、精密农业等新兴领域的应用前景。作者通过分析最新的研究成果和技术发展动态,为读者呈现了一个更加广阔的GNSS应用图景。 第五部分:GNSS基准站网的未来发展趋势与挑战 技术的进步永无止境,GNSS基准站网亦是如此。本书的最后一部分,将目光投向GNSS基准站网的未来。 多系统融合与高性能接收机: 随着北斗、Galileo等系统的不断完善,多系统融合将成为未来GNSS发展的主流。本书探讨了如何有效地融合不同GNSS系统的观测数据,以提高定位精度、可靠性和可用性。同时,高性能、低功耗、多频多模的GNSS接收机将是实现这一目标的关键。 高精度实时定位与云平台: 实时动态差分(RTK)和PPP-RTK等技术将进一步发展,实现更广泛区域内的厘米级实时定位。与此相伴随的是,基于云计算和大数据分析的GNSS数据处理平台将扮演越来越重要的角色,为用户提供便捷、高效的高精度定位服务。 完好性、可靠性与安全性: 随着GNSS在关键基础设施中的应用日益广泛,其完好性、可靠性和安全性问题也愈发突出。本书讨论了如何通过多种技术手段,如差分GPS(DGPS)、增强系统(SBAS)、以及地面增强系统(GBAS),来保障GNSS定位的完好性和可靠性,并探讨了如何应对潜在的干扰和欺骗。 挑战与机遇: 尽管GNSS技术发展迅猛,但仍面临诸多挑战,如信号遮挡、电离层扰动、多路径效应等。本书深入分析了这些挑战,并提出了相应的解决策略。同时,也指出了GNSS技术在人工智能、物联网等领域的融合发展所带来的巨大机遇。 总结 《GNSS基准站网数据处理方法与应用》 不仅是一部严谨的学术专著,更是一份面向实践的宝贵指南。它以扎实的理论基础、详实的案例分析、前瞻性的技术视野,为 GNSS 领域的从业者和研究者提供了一部不可多得的参考。通过阅读本书,读者将能够深刻理解 GNSS 基准站网的价值,掌握先进的数据处理技术,并从中获得启发,共同推动 GNSS 技术在各个领域的创新应用,为社会发展贡献力量。