作者：贺 军

摘 要：随着GPS技术的进步和接收机的迅速发展，GPS在测量定位领域已得到了较为广泛的应用。VRS（virtual reference station）的意思是虚拟参考站，它所代表的是GPS的网络RTK技术。它的出现将使一个地区的所有测绘工作成为一个有机的整体，结束以前GPS作业单打独斗的局面。同时，它将大大扩展RTK的作业范围，使GPS的应用更广泛，精度和可靠性将进一步提高，使从前许多GPS无法完成的任务成为可能。最重要的是，在具备了上述优点的同时，建立GPS网络成本反而会极大的降低。下面，我以美国Trimble公司的VRS为例来讲述代表着GPS发展方向的网络RTK技术。

 关键词：GPS、RTK、VRS、

实时载波相位差分

一、RTK技术及其局限性 RTK（real-time-kinematic）技术是GPS实时载波相位差分的简称。这是一种将GPS与数传技术相结合，实时解算进行数据处理，在1-2秒的时间里得到高精度位置信息的技术。自90年代初，实时载波相位差分技术一经问世，极大的拓展了GPS的使用空间，使GPS只能做控制测量的局面中摆脱出来，而开始广泛运用于工程测量。直到今天，如果没有VRS的出现，RTK技术仍代表着高精度GPS的最高水平。 但RTK技术有着一定局限性，使得其在应用中受到限制，主要表现为： 1、用户需要架设本地的参考站； 2、误差随距离增长； 3、误差增长使流动站和参考站距离受到限制 (<15km)； 4、可靠性和可行性随距离降低。而VRS技术最大意义在于，它将克服以上的局限性，扩展RTK的作业距离。

二、VRS系统组成及工作原理 VRS的出现，得益于现在高科技的发展。Trimble VRS是集成了GPS硬件、软件和数据链的新型系统。实际上，VRS系统已不仅仅是GPS的产品，而是集internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理和GPS定位技术于一身的系统。

 VRS系统包括3个部分：控制中心、固定参考站和用户部分。（如图1、图2） 图（1） 图（2） 1、控制中心（Control center） 控制中心是整个系统的核心。它既是通讯控制中心，也是数据处理中心。它通过通讯线（光缆，ISDN，电话线）与所有的固定参考站通讯；通过无线网络（GSM，CDMA，GPRS..）与移动用户通讯。由计算机实时系统控制整个系统的运行，所以控制中心的软件GPS—NET既是数据处理软件，也是系统管理软件。 2、固定参考站 固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，一个VRS网络可包括无数个站，但最少要3个站，站与站之间的距离可达70公里（传统高精度GPS网络，站间距离不过10-20公里）。固定站与控制中心之间有通讯线相连，数据实时地传送到控制中心。 3、用户部分 用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器。根据自己的不同需求，放置在不同的载体上，如汽车、飞机、农业机器、挖掘机等等。当然测量用户也可以把它背在肩上。接收机通过无线网络将自己初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成厘米级的位置信息。

Trimble VRS是利用固定参考站上的数据对工作区域内的错误进行模型化处理，该模型用来生成一个靠近你测量位置的“虚拟”参考站，它能向流动站接收机提供“本地化”、标准格式的修正信息。如何工作：固定参考站的GPS观测数据不停地被传送到Trimble VRS中央服务器。在那儿网络处理器会对所有的GPS观测数据进行完善性检测，对每个台站的数据都要进行质量检测，以去除大的粗差并修正周跳。

误差修正：一旦完成了对数据完善性的检测，中央服务器会通过分析双差观测量来计算电离层误差、对流层误差和星历误差。这些误差对网内任一流动站的影响也被模型化，因此常规RTK定位的系统误差能被明显地剔除。 “虚拟站”的产生：网络内流动用户为得到虚拟参考站，必须向中央服务器提供自身的近似位置。这可以通过蜂窝通讯采用标准的NMEA GGA数据串来完成。中央服务器自动接收该定位信息，并对给定的位置进行几何替代处理。它内插修正过的星历误差、电离层和对流层误差，为该流动站生成一个“虚拟的参考站”，然后再生成一组标准格式的改正信息，这些信息可以通过蜂窝通讯设备由控制中心传送给流动站，就象参考站在身边一样。

中央服务器：处理参考站的卫星数据，并用流动站的近似位置来合成靠近流动站的虚拟站，通过蜂窝通讯向流动站发送修正数据。与常规RTK不同，VRS网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。同时，移动用户在工作前，先通过GSM的短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正GPS的轨道误差，电离层，对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。（如图2、图3）

VRS工作原理及流程： 图（3）从以上可以看出，VRS系统实际上是一种多基站技术。它在处理上利用了多个参考站的联合数据。

三、VRS优 势 下面，我们来探讨一下VRS技术在降低成本和提高效率上的优势。 1、VRS覆盖范围 VRS网络可以有多个站，但最少需要3个。简单的计算一下：按边长70公里计算，一个三角形可覆盖面积约为2121多平方公里。再举个简单的例子，宁波市区面积约2280.34平方公里，那么两个三角形（4个站）就完全可以控制整个宁波市区。（图4） 宁波全市总面积约9365平方公里，7个站就可以完全控制宁波全市，包括慈溪市、余姚市、奉化市、宁海县、象山县。与传统的GPS网络相比,VRS节约成本近70%。 图（4）——宁波市区图实际上，VRS系统可提供两种不同精度的差分信号，分别为厘米级和亚米级。我们所论述的是1-2个厘米的高精度，而若是用低精度，这个距离（70km）可以拓展到几百公里。 2、VRS的主要优势（1）、费用将大幅度降低 70公里的边长使建GPS网络费用大大降低，用户不再架设自己的基准站。 （2）、相对传统RTK，提高了精度。 1PPM的概念没有了，在VRS网络控制范围内，精度始终在1-2个厘米。 （3）、可靠性也随之提高 采用了多个参考站的联合数据，大大提高了可靠性。 （4）、更广的应用范围 诸如城市规划、市政建设、交通管理、机械控制、气象、环保、农业以及所有在室外进行的勘测工作均可应用该技术。 四、VRS精度评估检验 图（5） 1、VRS初始化性能测试 图（6）测试方法：移动站(距最近的参考站32 km)做初始化，每次初始化后连续输出位置30秒，然后重新启动接收机重新初始化，所有输出的位置存储在外接的计算机中，用以数据分析和统计。

   测试结果：如图4—1，512次初始化测试，平均初试化时间57秒，50%的初始化时间小于50秒，90%的初始化时间小于80秒。 2．VRS精度测试 图（7） 测试方法：在该网络中，在一段时间内，移动站（32km）采集220个初始化位置。 测试结果： 220个位置的平面标准差为1.8个厘米。其中90%的点位误差小于9mm，99%的点位误差小于21mm。 实验结论：VRS RTK 32公里基线初始化平均时间小于1分钟，标准偏差仅为1.8厘米,具有常规RTK所无法比拟的优越性。其多基站算法是GPS技术的突破。

五、结束语 高精度实时动态（RTK）GPS定位已经在测量和工程界产生了重大变革，带来了空前的高效率。但直到现在，用RTK系统来进行高精度的测量作业，还意味着你必须首先在测区附近建立一个控制点，然后在该控制点上架设参考站。想要进入测区内的任何一点就能立即开始GPS测量而无需架设参考站还只是一个梦想。现在随着虚拟参考站VRS系统的诞生这个梦想成真了，这一创新的定位理论思想是采用了固定参考站网络来合成“虚拟参考站”，使测区内每个测量员都能使用，它能得到厘米级的精度，并大大增强系统的性能和可靠性。这种全新的RTK定位方法从根本上提高了作业效率和测量的质量。它不再要求建立参考站，从而可以节省时间，也省去了购买另一台参考站接收机的费用。在VRS网内，等于已经建立了公用的控制点，因此不存在不精确的控制点所产生的误差传播。接收机初始化会更快，而且可以确信在得到结果之前所有的数据都进行了严格的质量检查。

   VRS技术的出现，标志着高精度GPS的发展进入了一个新的阶段。这种网络RTK技术，集最新兴的计算机网络管理技术、INTERNET技术、无线通讯技术和GPS定位技术于一身，应用了最先进的多基站RTK算法，是GPS技术的突破。它将使GPS的应用领域极大的扩展，业内人士认为，未来5至10年，GPS网络建设将高速发展，而这种GPS网络RTK技术，将代表着GPS发展的方向。目前我国只有深圳、北京（在建）、成都（在建）等地采用了此项技术。