內容簡介
基準站網是全球衛星導航係統(GNSS)實現高精度導航與位置服務應用的重要基礎設施。本書係統地論述瞭GNSS基準站網的數據處理方法和應用技術,包括基於基準站網的精密單點定位、坐標時間序列分析、地球參考框架建立、地殼運動與建築物變形監測等技術;探討瞭基準站網的服務功能和應用;並分析瞭其發展現狀與趨勢。
作者簡介
薑衛平,1972年6月生,湖南漵浦人,博士,武漢大學衛星導航定位技術研究中心主任、教授、博士生導師,教育部長江學者特聘教授,國傢傑齣青年科學基金獲得者。
目錄
第1章 緒論
1.1 引言
1.2 全球導航衛星係統簡介
1.2.1 GPS
1.2.2 GLONASS
1.2.3 Calileo
1.2.4 北鬥衛星導航係統
1.2.5 其他定位導航或增強係統
1.3 GNSS基準站網的定義與應用
1.3.1 GNSS基準站網的定義
1.3.2 GNSS基準站網的功能與應用
第2章 GNSS基準站網的發展現狀與分析.
2.1 國際GNSS基準站網.
2.1.1 全球GNSS基準站網.
2.1.2 美國連續運行參考站網係統.
2.1.3 加拿大主動控製網係統
2.1.4 歐洲永久網
2.1.5 德國衛星定位與導航服務係統
2.1.6 日本CPS連續應變監測係統
2.2 中國G.NSS基準站網
2.2.1 行業級C()RS
2.2.2 城市級CORS
2.2.3 省級CORS
2.2.4 中國國傢級CORS的建設現狀
2.3 中國區域GNSS網現狀分析及建議
2.3.1 GNSS基準站網迅速發展的必然性
2.3.2 我國連續運行基準站網建設存在的問題及思考
第3章 高精度GNSS數據處理方法
3.1 GNSS測量誤差源分析
3.1.1 與衛星有關的誤差
3.1.2 與傳播路徑有關的誤差
3.1.3 與接收機、測站有關的誤差
3.1.4 其他誤差源
3.2 高精度GNss數據處理的定位模式及考慮的主要因素
3.2.1 高精度數據處理中常用觀測值及定位模式
3.2.2 高精度數據處理中考慮的主要因素及其影響
3.3 高精度GNSs數據處理軟件
3.3.1 GAMIT/GLOBK軟件發展曆史及現狀
3.3.2 GAMIT與GLOBK軟件功能及組成
3.3.3 GAMIT/GLOBK軟件的安裝
3.3.4 GAMIT與GLOBK數據處理流程
3.4 基於子網劃分的基準站網數據處理
3.4.1 概述
3.4.2 子網劃分與公共站選擇一般性原則
3.4.3 子網劃分方法分析
3.4.4 公共站選擇方法分析
3.5 基於整體解算的GNss基準站網參數估計方法
3.5.1 現有參數估計方法評述
3.5.2 高性能法方程求逆方法研究
3.6 多係統融閤數據處理
3.6.1 多係統融閤定位的優勢
3.6.2 多係統融閤數據處理基本原理
3.6.3 多係統數據處理發展趨勢
第4章 整周模糊度分離與快速固定方法
4.1 引言
4.2 常用模糊度固定方法
4.2.1 取整法
4.2.2 區間判定法
4.2.3 最小二乘模糊度降相關平差法(LAMBDA)
4.2.4 Melbourne-Wuebbena方法
4.3 參數消去.恢復法研究
4.3.1 研究背景
4.3.2 參數消去。恢復法研究現狀
4.3.3 基於大規模基準站網的參數消去.恢復法
4.3.4 參數消去.恢復法解算效率與精度評判
4.4 基於參數消去.恢復法的模糊度固定策略
4.4.1 選擇最優化最大無關雙差模糊度映射算子d
4.4.2 基於參數消去.恢復法的模糊度固定方法
4.5 基於Carrier.range的GNss大網數據處理新方法
4.5.1 基本原理
4.5.2 大規模GNSS網數據處理新方法
4.5.3 實例與分析
第5章 GNSS網絡RTK和單頻精密單點定位技術
5.1 常規R1、K與網絡RTK
5.1.1 常規RTK定位技術
5.1.2 網絡RTK定位技術
5.2 網絡RTK技術
5.2.1 虛擬參考站技術
5.2.2 區域改正參數方法
5.2.3 主輔站技術
5.2.4 綜閤誤差內插法
5.2.5 網絡RTK軟件研究現狀
5.3 網絡R1、K係統
5.3.1 係統組成及子係統定義
5.3.2 基準站子係統
5.3.3 係統管理中心子係統
5.3.4 用戶數據中心子係統
5.3.5 數據傳輸子係統
5.3.6 用戶應用子係統
5.3.7 係統數據流
5.4 基於非差改正數的網絡RTK方法
5.4.1 模型構建
5.4.2 數據處理策略
5.4.3 算例分析
5.5 基於C0RS的實時精密單點定位服務
5.5.1 構建參考網實時模型
5.5.2 單頻用戶實時解算模型
5.5.3 算例分析
第6章 基於Internet的精密單點定位服務
6.1 精密單點定位在綫服務係統發展現狀
6.1.1 CSRS.PPP
6.1.2 Auto.GIPSY
6.2 精密單點定位(PPP)的數學模型
6.2.1 基本觀測方程
6.2.2 傳統無電離層組閤模型
6.2.3 UofC模型
6.2.4 無模糊度模型
6.2.5 模型分析
6.3 精密單點定位軟件實現過程及結果分析
6.3.1 精密單點定位軟件實現過程
6.3.2 精密單點定位(PPP)精度分析
6.4 Web建站基礎及技術
6.4.1 Apache服務器和MySql數據庫
6.4.2 HTML和PHP網頁編程語言
6.4.3 數據安全傳輸技術VPN
6.5 基於Intemet的精密單點定位服務實現
6.5.1 網絡模型服務設計
6.5.2 網站係統模塊結構
6.5.3 網站後颱管理功能模塊
第7章 GNSS測站坐標時間序列分析
7.1 國內外研究現狀
7.1.1 GNSS坐標時間序列噪聲模型的建立
7.1.2 地球物理效應對基準站非綫性運動的影響
7.1.3 基準站虛假非綫性位移的成因研究
7.1.4 基準站非綫性位移的修正
7.2 GNSS坐標時間序列分析采用的參考框架
7.3 GNSS坐標時問序列的周期特徵常用分析方法
7.3.1 譜分析
7.3.2 小波分析
7.4 GNSS坐標時間序列的噪聲特性常用分析方法
7.4.1 GNSS基準站坐標所涉及噪聲的數學描述
7.4.2 噪聲時間序列的獲取
7.4.3 譜指數的計算
7.4.4 極大似然估計
7.5 環境負載造成的GNSS基準站非綫性位移
7.5.1 環境負載産品
7.5.2 不同環境負載造成的基準站坐標時間序列特徵
7.5.3 RMS的定義
7.5.4 最優環境負載模型的建立及分析
7.6 中國區域IGS基準站坐標時間序列特徵分析
7.6.1 采用的數據
7.6.2 方案設計
7.6.3 顧及環境負載改正的中國區域IGS基準站最優噪聲模型建立
7.6.4 數據分析與討論
7.6.5 中國區域IGS基準站周期性變化的其他因素分析
第8章 基於GNSS的地球參考框架建立與維持
8.1 地球參考框架的發展現狀
8.1.1 全球參考框架
8.1.2 區域地球參考框架
8.1.3 ITRF的研究進展及其局限性
8.2 利用GNSS基準站網建立與維持地球參考框架
8.2.1 地球參考係及其實現
8.2.2 基準約束
8.2.3 GNSS基準站的選擇
8.2.4 GNSS技術的組閤原理
8.2.5 並置站與局部連接
8.2.6 利用GNSS技術建立地心坐標參考框架的步驟
8.2.7 地球參考框架的維持
8.3 不同坐標參考框架之間的相互轉換
8.3.1 基準轉換方法
8.3.2 坐標移動轉換方法及實例分析
8.4 毫米級地球參考框架建立方法與展望
8.4.1 顧及基準站非綫性變化的地球參考框架的模型錶達
8.4.2 坐標時間序列的非綫性變化分析
8.4.3 顧及基準站非綫性變化的毫米級地球參考框架的構建與展望
8.4.4 結束語
第9章 基於GNSS基準站網的地殼運動與建築物變形及地質災害監測
9.1 利用GNSS基準站網進行形變監測的發展曆史與現狀
9.2 全球闆塊構造與塊體運動研究
9.2.1 發展曆史與現狀
9.2.2 GNSS基準站網的建立
9.2.3 數據處理與分析方法
9.2.4 計算實例
9.3 闆塊內部相對運動研究
9.3.1 發展曆史與現狀
9.3.2 GNSS基準站網的建立
9.3.3 數據處理與分析方法
9.3.4 計算實例(山西和江蘇省區域)
9.4 滑坡與建築物形變監測研究
9.4.1 發展曆史與現狀
9.4.2 GNSS基準站網的建立
9.4.3 數據處理與分析方法
9.4.4 計算實例
9.5 GNSS自動化形變監測係統設計
9.5.1 數據采集部分
9.5.2 數據傳輸部分
9.5.3 數據管理、數據處理分析與係統控製部分
9.5.4 係統運行組織管理
9.6 會戰式GNSS監測網設計
9.6.1 會戰式監測網設計
9.6.2 作業規程設計
第10章 GNSS基準站網係統功能與服務
10.1 GNSS基準站網係統的産品、服務及用戶分類
10.1.1 基準站網係統的産品
10.1.2 GNSS基準站網係統的服務內容
10.1.3 GNSS基準站網的用戶分類
10.2 實時數據服務
10.2.1 GNSS基準站網實時數據處理技術
10.2.2 GNSS基準站網實時數據服務內容及模式
10.2.3 實時數據服務收費方式
10.3 事後數據服務
10.3.1 事後數據服務係統的內容
10.3.2 事後網絡服務係統授權和收費方式
10.4 GNSs基準站網的增值服務
10.4.1 坐標係統的轉換及成果的動態實時發布
10.4.2 區域大地水準麵精化
10.4.3 基於網絡發布的在綫增值服務
10.5 GNSS基準站網係統服務的發展趨勢
附錄 引用的縮略詞
參考文獻
前言/序言
《GNSS基準站網數據處理方法與應用》:一本深入探索衛星導航技術前沿的著作 在全球定位係統(GNSS)技術日新月異的今天,如何高效、精準地處理和利用海量的GNSS觀測數據,是科研工作者、工程技術人員乃至行業決策者麵臨的重要課題。本書,《GNSS基準站網數據處理方法與應用》,正是一部為應對這一挑戰而精心打造的力作。它不僅係統闡述瞭GNSS基準站網建設、數據采集、處理流程的科學原理,更聚焦於前沿的算法模型和實際應用案例,力圖為讀者構建一個全麵、深入的知識體係。 本書的獨特之處在於,它並非僅僅羅列枯燥的技術參數和公式,而是將理論與實踐緊密結閤。作者團隊憑藉深厚的專業積澱和豐富的實踐經驗,將抽象的概念轉化為清晰易懂的講解,並輔以詳實的圖錶和數據分析,使得即便是初學者也能逐步掌握GNSS數據處理的核心要義。更難能可貴的是,本書前瞻性地分析瞭當前GNSS技術發展的新趨勢,如多係統融閤、高精度實時定位、動態監測等,並探討瞭其在各個領域的潛在應用價值,為行業的未來發展指明瞭方嚮。 第一部分:GNSS基準站網的基礎理論與建設 本書的開篇,從GNSS係統的基本原理講起。它詳細介紹瞭全球現有的四大GNSS係統——GPS、GLONASS、Galileo和北鬥(BDS)——的係統構成、信號特徵、定位原理以及各自的優缺點。理解這些基礎知識,是後續深入學習的關鍵。 接著,本書將目光聚焦於“基準站網”。為何要建立基準站網?它與單點定位有何區彆?書中對此進行瞭詳盡的解釋。基準站網的建設,是為瞭實現區域內的高精度、高可靠性的絕對和相對定位。作者深入剖析瞭基準站網的選址原則,包括地形地貌、電磁環境、大地水準麵、地質穩定性等多種因素,並提齣瞭具體的選址流程和評估方法。一個科學閤理的基準站網布局,是後續高質量數據采集的基石。 在站網建設方麵,本書還詳細介紹瞭GNSS觀測設備的類型、技術參數的選購要點、天綫安裝的規範以及供電和通信保障等實際操作層麵的指導。此外,站網的維護管理也是本書重點關注的內容,包括設備定期檢修、數據備份策略、異常情況處理等,確保瞭站網的長期穩定運行。 第二部分:GNSS觀測數據的預處理與質量控製 GNSS觀測數據,如同未經雕琢的璞玉,要成為具有價值的信息,必須經過精細的預處理和嚴格的質量控製。本書的第二部分,正是圍繞這一核心任務展開。 數據采集與初步檢查: 從基準站接收機采集的原始數據,通常包含多種格式。本書首先介紹瞭如何將這些原始數據導齣,並進行初步的格式轉換。緊接著,作者強調瞭數據完整性檢查的重要性,例如是否存在數據空洞、觀測時長是否滿足要求等。 天頂延遲和對流層延遲的處理: 天頂延遲和對流層延遲是影響GNSS測量精度的重要誤差源。本書詳細講解瞭如何利用氣象模型、多普勒測量數據以及站網內其他站點的觀測信息,對這些延遲進行有效建模和改正。 多路徑效應的分析與抑製: 多路徑效應是由於接收機信號在傳播過程中受到地麵反射和摺射而産生的誤差。書中介紹瞭多種識彆和抑製多路徑效應的方法,包括利用接收機自帶的多路徑指示器、以及通過分析多頻率信號的差值等。 接收機和天綫相位中心偏差的改正: 不同型號的接收機和天綫,其相位中心的位置可能存在差異,這會引入係統性誤差。本書提供瞭如何利用標準文件或通過實驗方法確定和改正這些偏差的詳細步驟。 數據質量評估與異常值剔除: 質量控製是GNSS數據處理的重中之重。本書詳細介紹瞭多種數據質量評估指標,例如信噪比(SNR)、相位殘差、模糊度固化率等。更重要的是,它提供瞭多種自動和半自動的異常值剔除方法,如基於統計學原理的RANSAC算法、卡爾曼濾波等,確保瞭最終參與處理的數據是可靠的。 第三部分:GNSS基準站網數據的高精度處理方法 掌握瞭預處理和質量控製的技能後,本書便進入瞭GNSS數據處理的核心環節。這一部分,重點在於講解實現高精度定位的各種先進算法和技術。 差分定位技術(DGNSS): 作為最基礎的高精度定位方法,差分定位被詳細介紹。書中闡述瞭單點僞距差分(SPP-D)和實時動態差分(RTK)的基本原理,包括基準站和用戶站之間的差分改正信息的傳播方式,以及如何通過差分改正有效消除或削弱大部分誤差。 精密單點定位(PPP): 隨著GNSS技術的進步,精密單點定位(PPP)已成為實現全球範圍內亞米級乃至厘米級定位的關鍵技術。本書深入解析瞭PPP的原理,包括如何利用事後精密軌道和鍾差産品、以及如何處理接收機端的高精度導航電文。同時,作者還詳細介紹瞭PPP的幾種不同實現方式,如靜態PPP、動態PPP以及流動站PPP(PPP-RTK),並探討瞭PPP收斂時間、模糊度固定等關鍵技術問題。 基綫解算與網絡平差: 對於基準站網而言,其核心價值在於實現站點間的相對定位。本書詳細介紹瞭基綫解算的各種模型和方法,包括長基綫、短基綫處理的策略,以及如何利用多項式、球諧函數等模型進行大氣延遲改正。更重要的是,本書強調瞭網絡平差在提升整體精度和可靠性方麵的作用。通過將所有基綫解算結果納入一個整體平差模型,可以有效顧及站點間的整體約束,獲得最優的位置解。書中介紹瞭不同平差模型,如最小二乘平差、穩健估計等,以及如何進行平差後的精度評定。 模糊度固定技術: 模糊度固定是實現高精度GNSS定位,尤其是厘米級和毫米級定位的關鍵。本書係統地介紹瞭模糊度固定的多種策略,包括LAMBDA(Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment)算法、Ratio Test、Successive Fixing等。作者不僅解釋瞭算法的原理,還提供瞭不同場景下的應用技巧和注意事項。 第四部分:GNSS基準站網在典型領域的應用 理論與方法是基礎,而實際應用則體現瞭GNSS基準站網的價值。《GNSS基準站網數據處理方法與應用》的第四部分,將讀者帶入到GNSS技術生根發芽的各個應用場景。 大地測量與地球動力學監測: GNSS基準站網是實現高精度大地測量的基石。本書詳細介紹瞭如何利用基準站網數據,進行區域性的地殼形變監測,如地震前兆、火山活動、滑坡監測等。通過長期連續的觀測,可以捕捉到地錶微小的位移,為地球動力學的研究提供寶貴的一手資料。 工程測量與變形監測: 在大型工程建設領域,如橋梁、大壩、隧道、高層建築等,GNSS基準站網發揮著至關重要的作用。本書闡述瞭如何利用基準站網實現施工過程中的精確定位、構件安裝的校準,以及工程建成後的長期變形監測。通過對工程結構的實時或定期監測,可以及時發現潛在的安全隱患,並采取相應的預防措施。 交通運輸與導航應用: 隨著自動駕駛和智能交通係統的發展,高精度定位已成為其核心技術。本書探討瞭如何利用GNSS基準站網,為區域內的車輛、船舶、飛機提供高精度的實時導航和定位服務,從而提高交通效率和安全性。 地理信息係統(GIS)與空間信息服務: GNSS數據為地理信息係統的建設提供瞭高精度、時空一緻性的地理坐標。本書介紹瞭如何將GNSS基準站網的觀測成果,整閤到GIS平颱中,為城市規劃、資源管理、環境監測等領域提供精準的空間信息服務。 新興應用領域探索: 除瞭上述傳統應用,本書還展望瞭GNSS技術在時間同步、災害預警、精密農業等新興領域的應用前景。作者通過分析最新的研究成果和技術發展動態,為讀者呈現瞭一個更加廣闊的GNSS應用圖景。 第五部分:GNSS基準站網的未來發展趨勢與挑戰 技術的進步永無止境,GNSS基準站網亦是如此。本書的最後一部分,將目光投嚮GNSS基準站網的未來。 多係統融閤與高性能接收機: 隨著北鬥、Galileo等係統的不斷完善,多係統融閤將成為未來GNSS發展的主流。本書探討瞭如何有效地融閤不同GNSS係統的觀測數據,以提高定位精度、可靠性和可用性。同時,高性能、低功耗、多頻多模的GNSS接收機將是實現這一目標的關鍵。 高精度實時定位與雲平颱: 實時動態差分(RTK)和PPP-RTK等技術將進一步發展,實現更廣泛區域內的厘米級實時定位。與此相伴隨的是,基於雲計算和大數據分析的GNSS數據處理平颱將扮演越來越重要的角色,為用戶提供便捷、高效的高精度定位服務。 完好性、可靠性與安全性: 隨著GNSS在關鍵基礎設施中的應用日益廣泛,其完好性、可靠性和安全性問題也愈發突齣。本書討論瞭如何通過多種技術手段,如差分GPS(DGPS)、增強係統(SBAS)、以及地麵增強係統(GBAS),來保障GNSS定位的完好性和可靠性,並探討瞭如何應對潛在的乾擾和欺騙。 挑戰與機遇: 盡管GNSS技術發展迅猛,但仍麵臨諸多挑戰,如信號遮擋、電離層擾動、多路徑效應等。本書深入分析瞭這些挑戰,並提齣瞭相應的解決策略。同時,也指齣瞭GNSS技術在人工智能、物聯網等領域的融閤發展所帶來的巨大機遇。 總結 《GNSS基準站網數據處理方法與應用》 不僅是一部嚴謹的學術專著,更是一份麵嚮實踐的寶貴指南。它以紮實的理論基礎、詳實的案例分析、前瞻性的技術視野,為 GNSS 領域的從業者和研究者提供瞭一部不可多得的參考。通過閱讀本書,讀者將能夠深刻理解 GNSS 基準站網的價值,掌握先進的數據處理技術,並從中獲得啓發,共同推動 GNSS 技術在各個領域的創新應用,為社會發展貢獻力量。