摘要：传统导航型手持GPS设备，在定位精度及工程性能上都欠佳，不能很好的满足生产建设中对于地理空间数据采集的高精度及高时效性等要求。使用内置专业硬件的高精度GNSS采集设备并基于广域差分增强系统的应用，可以大大提高及发挥手持GPS采集设备在经济建设各个领域的应用性能。
关键词：手持GPS,广域增强,实时差分,高精度,SDAS
1手持GNSS设备的应用发展
1.1传统手持GNSS设备的应用起源——便携、自动化
空间地理信息数据采集的手段从最初经典的平板测量、全站仪测量已发展到自动化程度极高的GNSS测量。GNSS定位方式，以其自动化、全天候、便携性等优点，被广大测绘及地理信息工作者所接受，其效率和效益也比其他传统手段有较大的提高。尤其手持式GNSS接收机的应用，在我国国民经济建设中，已经有十几年甚至更长的历史，被广泛的应用在国土测绘、规划建设、林业调查、电力勘测、石油管网等领域。这种设备，被称为 “导航型手持式GNSS接收机” 或“手持GNSS设备”。
1.2导航型手持GNSS设备应用的弊端——精度差、易受干扰
导航型手持GNSS设备，在硬件上是低端GNSS和天线模块，为了提高灵敏度而不注重或者不进行多路径效应的抑制处理。在导航定位技术上，属于单点定位原理，既依靠单机的计算进行定位，未进行GNSS系统误差的修正，所以，一般的手持GNSS设备标称平均定位精度在5—10米，而在实际工作中，因为GNSS的系统误差及遇到各种干扰，可能定位结果会更差。
1.3导航型手持GNSS设备提高精度的方法——内业后处理
在高精度定位设备未出现或不便于野外携带的时代，依靠传统的导航型手持GNSS设备，为了提高数据的精度，能够与原有的地形图或原始数据吻合并符合到西安80、北京54等地方平面坐标系上，需要通过内业差分后处理的方式来消除卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等系统误差。这样的后差分方式，虽然可以适当的提高手持GNSS设备定位的精度，但其不能在野外实时的获得高精度的定位数据，而且增加了内业工作的难度，使整个作业流程变得复杂。
2实时高精度手持GNSS设备定位技术
为了能有效提高手持GNSS设备的精度，除了在终端硬件上的提升，实时改正系统的建设也是至关重要，目前存在的技术主要有三种：SBAS技术、PPP技术和RTD技术。
2.1热门的星站差分技术——SBAS
SBAS(Satellite Based Augmentation Systems)，即基于卫星的增强系统。是利用地球静止轨道卫星建立的地区性广域增强系统。由已知其准确地理位置的地面固定基站系统，探测、计算出GPS信号中的误差。并通过地球同步通讯卫星以GPS信号同样的频率向地面广播增强信息，若终端的定位主板支持该增强信号的，可以实时的提高定位精度。该技术自从建立后，因为兼容GPS信号较好，很快的被应用在手持机GPS领域，成为热门的GPS终端(手持GPS)实时改正技术。
SBAS系统属于区域性的增强系统，专为指定区域的GPS终端(手持GPS)提供增强改正信息，可以提供米级的定位改正。目前全球发展的SBAS系统有：欧洲 (EGNOS);美国 (WAAS)，日本(MSAS);
目前我国的一部分GPS用户可以使用到日本的MSAS系统，根据实际测试情况，中国东部可以全时搜索到该信号，最高可使GPS达到1-3米的实时定位精度，但是中、西部用户，SBAS的可用性和可靠性较差，不能满足要求。而且目前的SBAS主要支持GPS系统，对于新兴的星系尚不支持，受到一定的局限。
2.2新兴的精密单点定位技术——PPP
精密单点定位PPP(Precise Point Positioning)技术其实早在1997年就由美国提出。该技术的思路非常简单，在GNSS定位中，主要的误差来源于三类，即轨道误差、卫星钟差和电离层延时。通过给定卫星的轨道和精密钟差，采用精密的观测模型及算法，消除这些影响，就可以单机计算出GNSS接收机的精确位置。
根据PPP技术实现的要求，定位中需要系统提供“卫星的精密轨道和钟差”。目前，只有国际GNSS服务组织(IGS)的几个数据分析中心及少数科研机构具备这个能力提供卫星的精密轨道和钟差，虽然现有的轨道产品能提供足够高的精度，但是实时的高时间分辨率高精度钟差产品仍然欠缺。此外，对比差分技术而言，PPP通常需要比较长的收敛时间(几分钟到十几分钟)达到亚米级精度。这些因素导致了现阶段PPP难以大规模应用。
2.3成熟的实时差分技术——RTD
实时差分(Real Time Difference)技术，是通过移动站(既手持GNSS设备)，与基准站(CORS等)同步观测相同的GNSS卫星的情况下，由基准站发射相关的差分改正信息，当移动站(或称手持GNSS设备)接收到差分改正信号后，即可进行迅速解算，消除卫星的轨道误差、钟差，接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等，从而提高移动站(或手持GNSS设备)的实时定位精度，可以达到亚米或更高。
2.4三种定位技术对比
项目星站SBAS精密单点PPPRTD差分站
成熟程度较为成熟应用较少、产品化不成熟成熟应用了数十年
定位效果数分钟初始化，并保持实时动态需要较长时间初始化定位迅速，仅需数十秒实现实时定位
定位精度平均精度米级，有一定偏差概率亚米或更高(单频)亚米或更高(单频)
环境要求处于其服务区域，不支持GNSS对搜星环境、数据质量要求高典型环境即可定位
手持GNSS设备终端要达到其米级、亚米级甚至更高的定位精度，必须要经过实时的误差改正：星站差分SBAS技术有地域的局限性，精度稳定性及可靠性也不高;PPP技术目前还不成熟，可操作性较差;这样，实时差分RTD技术成为最适合手持GNSS设备提高精度的方式。
3广域差分增强系统SDAS技术原理及应用
3.1SDAS技术原理
“SDAS”采用的基础原理为实时差分RTD技术，并以连续运行参考站系统NRS(Network Reference Station)技术作为主要依据，利用地面布设多个基准站组成的GNSS连续运行网络，综合利用各个基站的观测信息，通过精确的误差模型修正距离相关误差，在用户站附近产生一个物理上不存在的虚拟参考站，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。
南方公司在NRS技术的基础上进行了适应性改良，将NRS发展成为广域网络参考站(Wide Net Reference System，W-NRS)技术，将NRS技术有效的延伸到RTD领域，使得“网络RTK”应用发展成“网络RTD”应用。基于该技术，在一个较大区域内，只需要建立较少的基站就能够有效满足了该区域网络RTD服务的需要。目前的技术使得基站和基站之间的距离可达数百公里。
基于W-NRS技术，针对手持GNSS设备用户所使用的是RTD差分信号等特点，推出了服务高精度手持GNSS设备用户的“广域差分增强系统”(Wide Difference Augmentation System，SDAS)，为高精度手持GNSS设备用户提供全时的、可靠的网络RTD信号。
3.1.1手持GNSS设备在SDAS系统模式下的作业流程为
(1)各个参考站连续采集观测数据,并实时传输到数据处理与控制中心的数据库中,进行网络计算;
(2)计算中心利用各参考站观测值计算每条基线上各种误差源的实际或综合影响值,并依此建立电离层、对流层、轨道误差等距离相关误差的空间参数模型;
(3)手持GNSS用户将单点定位或DGPS确定的用户概略坐标(NAME—GGA格式),通过无线移动数据链(内置的GPRS模块)传送给数据处理中心,中心利用W-NRS技术在该位置创建一个虚拟参考站,利用中央计算服务器结合用户、基站和GPS卫星的相对几何关系,通过内插得到虚拟参考站上各误差源影响的改正值,并按RTCM格式发给手持GNSS设备用户;
(4)手持GNSS设备用户与虚拟参考站构成短基线。用户接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值,进行实时差分解算得到用户的精确位置。
3.2SDAS所采用的W-NRS技术优势及特点
拥有自主知识产权国际领先的NRS技术，其采用先进的网络虚拟参考站算法及深度可用站搜索技术，可以大大提高参考站网服务的距离、移动站解算的速度及差分信息的可靠性，从2008年开始，已在全国建立几十套系统并成功通过行业验收且持续良好运行。在此基础之上，广域网络参考站(W-NRS)技术，根据RTD应用技术的特点和要求作了进一步的延伸和发展，使之可以有效的解决网络RTD服务的问题，并将基站之间的距离提高到数百公里，系统可用性大大提高。
3.2.1W-NRS的技术特点
(1)先进性：将NRS技术有效的延伸到RTD领域，使得网络RTK发展成网络RTD，站与站之间数百公里的距离也能实现有效覆盖;
(2)自主性：自主知识产权，利于升级维护及技术更新;
(3)可靠性：成熟的网络RTD算法，确保用户提供可靠的差分数据;
(4)可用性：DEEP-NRS热冗余技术，确保全天候、全区域可用;
(5)安全性：领先的完好性监测技术，数据质量安全有效;
3.3SDAS技术的应用
当高精度手持GNSS设备依托实时差分RTD技术来提高定位精度成为主要条件，当自动化、高可靠性的RTD信号源成为用户的迫切需求。SDAS系统的建立对于高精度手持GNSS设备用户而言，可谓“如鱼得水”，它必将充分发挥设备性能，就单单精度的提升和保障，就可以使原本很多不能使用或无法大范围投入的应用成为可能，以下列举几个高精度手持机的功能特点及典型行业的应用案例，实际上，结合SDAS的高精度手持GNSS设备应用模式，是不胜枚举的。
(1)专业级高精度定位
处于一个覆盖比较好的SDAS网区域内，自动的接入了SDAS网络差分信号，高精度手持GNSS设备真正实现了实时高精度定位，定位成果满足国土测绘、规划、电力GIS等对精度的高要求。
(2)专业的测绘软件
高精度手持GNSS设备结合SDAS定位精度的应用，配备设计了专有的测绘、GIS采集软件，精确的面积测量、地形图测绘、地籍勘界、电力设计、GIS属性采集，可以满足高精度测量、GIS采集的专业需求。
(3)工业级高端配置
能够接入SDAS的高精度手持GNSS设备，考虑到野外专业环境应用，不仅仅在定位模块上配置专业，在功能上也配备具有工业级标准的高端配件——高速CPU和内存、高IP等级的机身设计、高亮细腻的触摸屏、稳定多模的无线网络模块等，完全满足野外作业的行业需求。
(4)通用的智能开放平台
高精度手持GNSS设备，为了支持行业应用及二次开发设计，通常采用国际通用的平台系统，如标准的Window操作系统平台，标准的通讯接口及开发平台，标准的卫星定位数据协议平台等，为行业及高端功能定制提供良好的支撑。
4结束语
总之，使用高精度的手持GNSS采集设备，通过其内置的高精度硬件模块及实时差分等软件算法，可以消除传统导航型手持机GPS的众多不足，大大提高其专业领域的可用性，尤其再结合SDAS这样的广域差分增强系统，切实的消除GNSS误差及提高精度，更或在高精度手持GNSS设备上，通过专门定制行业GIS系统。这样，不仅仅可以满足传统小比例尺地形图测量、土地规划执法监察、电力电信GIS采集、林业水利调查、石油燃气水务管线巡检等行业应用，更可以使地理信息数据的高精度采集和利用，成为可行。
参考文献：
[1] 鲁辉，广域差分GPS技术在工程中的发展和应用
[2]广州南方测绘仪器有限公司，南方SDAS的建立及应用
[3] 曾望贤、张兴旺，实时动态差分GPS(RTD/RTK)的发展及应用现状,石油仪器,1997
