現(xiàn)代測繪理論及方法--測繪工程-1

1、CORS原理及應用老師：方源敏測繪工程 201370100摘要：隨著全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GNSS)應用的普及，CORS作為其重要的基礎設施,賃借其靈活、高效、高精度的定位服務，逐漸為人們所重視。這幾年，一種新的動態(tài)GPS技術連續(xù)運行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（CORS），在各地陸續(xù)建立，它具有操作簡便、成本低、精度高、實時性強、覆蓋率廣等優(yōu)點，特別是CORS系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡RTK測量功能的實現(xiàn)改變了傳統(tǒng)測量作業(yè)模式，較大地提高了測繪工作的效率，在城市測繪中得到越來越多的應用，正逐步取代傳統(tǒng)單基站 RTK 技術。本文簡要闡述了CORS系統(tǒng)的組成、技術特點及基本工作原理，為各類用戶提供應用參考。關鍵字：CORS；定

2、位；RTK；原理；應用CORS principles and applicationAbstract：With the popularity of the global satellite navigation system (GNSS) applications, CORS as its critical infrastructure, Dian by its flexible, efficient, high-precision positioning services, gradually paid more attention to. In recent years, a new dy

3、namic GPS technology - continuous operation of satellite positioning system (CORS), in the country have created, it is a simple, low cost, high precision, real-time, wide coverage, etc., especially CORS network RTK system to achieve the measurement function has changed the traditional measurement mo

4、de of operation, greatly improving the efficiency of surveying and mapping work, get more and more applications in urban mapping, and is gradually replacing the traditional single-base RTK technology. This article briefly describes the composition, technical characteristics and basic principle of CO

5、RS system to provide a reference for the application of various types of users.Key word：CORS；positioning；principle；application0 引言隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）技術的快速發(fā)展，特別是近幾年，實時動態(tài)差分型GPS- RTK(Real Time Kinematic)技術已完全成熟，大大提高了測繪成果的精度、實用性和高效性，但RTK也存在其自身的使用限制：用于單基站作業(yè)模式，每次測量都要重復的架設基站求取參數(shù)，而且測量的精度和可靠性也會隨著作業(yè)半徑的增大而降低。為了克服G

6、PS-RTK技術上的缺陷，這幾年，一種新的動態(tài)GPS技術連續(xù)運行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（CORS)，在各地陸續(xù)建立，它具有操作簡便、成本低、精度高、實時性強、覆蓋率廣等優(yōu)點，特別是CORS系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡RTK測量功能的實現(xiàn)改變了傳統(tǒng)測量作業(yè)模式，較大地提高了測繪工作的效率，在城市測繪中得到越來越多的應用，正逐步取代傳統(tǒng)單基站RTK技術。1 CORS概述及原理連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，簡稱CORS系統(tǒng)）可以定義為一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GPS/GNSS參考站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LANWAN)技術組成的網(wǎng)絡，實時地向

7、不同類型、不同需求、不同層次的用戶提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GPS觀測值(載波相位，偽距)，各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關GPS服務項目的系統(tǒng)。它是目前GPS測量技術發(fā)展的一個方向，是網(wǎng)絡RTK技術和GPS主板技術的發(fā)展的產(chǎn)物，它的產(chǎn)生彌補了一些傳統(tǒng)的RTK的不足，促進了GPS在測量和其他領域的應用。CORS 系統(tǒng)主要由基準站網(wǎng)，數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應用系統(tǒng) 5 個部分組成，各基準站與數(shù)據(jù)處理中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡。a) 基準站網(wǎng):基準站網(wǎng)由控制區(qū)域范圍內(nèi)均勻分布的基準站組成，負責采集GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并輸送至數(shù)據(jù)處理中心，同時提供系

8、統(tǒng)完善的監(jiān)測服務。b) 數(shù)據(jù)處理中心：數(shù)據(jù)處理中心是CORS系統(tǒng)的核心單元，也是高精度定位得以實現(xiàn)的關鍵，主要設備包括網(wǎng)絡設備，服務器、計算機，不間斷電源等構成的內(nèi)部局域網(wǎng)和系統(tǒng)軟件等，它用于接收各基準站數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，形成多基準站差分定位用戶數(shù)據(jù)，組成一定格式的數(shù)據(jù)文件，分發(fā)給用戶。c) 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：各基準站數(shù)據(jù)通過通訊專線傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)傳輸硬件設備及軟件控制模塊。d) 定位導航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)：系統(tǒng)通過移動網(wǎng)絡，UHF電臺、Internet 等形式向用戶播發(fā)定位導航數(shù)據(jù)"可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)服務單元和動態(tài)數(shù)據(jù)服務單元兩部分，靜態(tài)數(shù)據(jù)服務功能通過網(wǎng)站以http，ft

9、p等方式向用戶提供數(shù)據(jù)交換和在線計算；動態(tài)數(shù)據(jù)服務功能依靠無線通信方式（GSM、CDMA、GPRS、RDS 等）實現(xiàn)。e) 用戶應用系統(tǒng)：用戶部分就是用戶的接收機和無線通訊的調(diào)制解調(diào)器，包括用戶信息接收系統(tǒng)，網(wǎng)絡型RTK定位系統(tǒng)，事后和快速精密定位系統(tǒng)以及自主式導航系統(tǒng)和監(jiān)控定位系統(tǒng)等，接收機通過無線網(wǎng)絡將自己的初始位置發(fā)給控制中心，并接收中心的差分信號，生成位置信息。CORS技術在用途上可以分成單基站CORS、多基站CORS和網(wǎng)絡CORS。1.1 單基站CORS和多基站CORS單基站CORS：就是只有一個連續(xù)運行站。類似于一加一或一加多的RTK，只不過基準站由一個連續(xù)運行的基站代替，基站同時

10、又是一個服務器，通過軟件實時查看衛(wèi)星狀態(tài)、存儲靜態(tài)數(shù)據(jù)、實時向Internet發(fā)送差分信息以及監(jiān)控移動站作業(yè)情況。移動站通過GPRSCDMA網(wǎng)絡通訊和基站服務器通訊。多基站CORS：就是分布在一定區(qū)域內(nèi)的多個單基站聯(lián)合作業(yè)，基站與基站之間的距離不超過50公里，他們都將數(shù)據(jù)發(fā)送到一個服務器。流動站作業(yè)時，只要發(fā)送它的位置信息到服務器，系統(tǒng)自動計算流動站與各個基站之間的距離，將距離近的基站差分數(shù)據(jù)發(fā)送給流動站。這樣就確保了流動站在多基站CORS覆蓋區(qū)域移動作業(yè)時，系統(tǒng)總能夠提供離距流動站最近的基站差分數(shù)據(jù)已達到最佳的測量精度間。單基站CORS和多基站CORS解決了傳統(tǒng)RTK作業(yè)中1）用戶需要架設本

11、地的參考站，且架設參考站時含有潛在的粗差2）沒有數(shù)據(jù)完整性的監(jiān)控3)需要人員留守看護基準站，生產(chǎn)效率低4)通訊不便5)電源供給不便等問題1.1.1 單基站CORS作業(yè)原理基準站連續(xù)不間斷的觀測GPS的衛(wèi)星信號獲取該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，按照用戶要求把靜態(tài)數(shù)據(jù)打包存儲并把基準站的衛(wèi)星信息送往服務器上Eagle軟件的指定位置。移動站用戶接收定位衛(wèi)星傳來的信號，并解算出地理位置坐標，并通過GPRS/CDMA數(shù)據(jù)通訊模塊發(fā)送到服務器。移動站用戶訪問Internet從服務器獲取基準站提供的差分信息后輸入用戶單元GPS進行差分解算。移動站用戶在野外完成靜態(tài)測量后，可以到服務器下載

12、同步時間的靜態(tài)數(shù)據(jù)進行基線聯(lián)合解算。單基站CORS總體數(shù)據(jù)流程圖見圖1。圖11.1.2 多基站CORS多基站CORS作業(yè)原理和單基站相同，只是在單基站的基礎上，應用一套基站選擇軟件，將多個單基站聯(lián)合起來作業(yè)。系統(tǒng)實時計算任意一個移動站到各個基站的距離，選擇離移動站最近的基站為該移動站提供實時差分信息。單基站和多基站都具有投入較少，隨時可以升級和擴展，數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定、安全，作業(yè)范圍廣，施工周期短的特點。1.2 網(wǎng)絡CORS多參考站CORS雖然在一個較大范圍內(nèi)滿足了精度要求，但是建站的密度相對較大，需要較大的投資，且還存在區(qū)域內(nèi)精度不均勻的問題。網(wǎng)絡CORS技術的產(chǎn)生使得我們完全可以在一個較大的范

13、圍內(nèi)均勻稀松的布設參考站，利用參考站網(wǎng)絡的實時觀測數(shù)據(jù)對覆蓋區(qū)域進行系統(tǒng)誤差建模，然后對區(qū)域內(nèi)流動用戶站觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差進行估計，盡可能消除系統(tǒng)誤差影響，獲得厘米級實時定位結果，網(wǎng)絡RTK技術的精度覆蓋范圍大大增大，且精度分布均勻。1.2.1 網(wǎng)絡CORS的原理采用精密星歷和精密鐘差，采集距離最近的三個參考站的同步觀測值進行差分處理，給每個三角形產(chǎn)生一組區(qū)域改正參數(shù)，通過三角網(wǎng)模擬出該區(qū)域內(nèi)綜合誤差改正模型。模型覆蓋范圍包括三角網(wǎng)內(nèi)及網(wǎng)外30公里。利用多個基準站觀測數(shù)據(jù)對電離層、對流層、軌道誤差等綜合誤差模型進行優(yōu)化，同時連續(xù)監(jiān)控參考站數(shù)據(jù)的完整性。作業(yè)時，流動站需要把它的點位信息(GGA數(shù)

14、據(jù))，通過GPRS、CDMA 等類型的雙向數(shù)據(jù)通訊裝置發(fā)送給中央控制中心。系統(tǒng)根據(jù)流動站位置計算出該點的的GPS軌道誤差、電離層、對流層和大氣折射引起的誤差，將該位置改正的綜合誤差發(fā)給移動站。效果相當于在流動站點位上生成一個“虛擬參考站”，做短基線解算。流動站利用中央控制系統(tǒng)發(fā)回的綜合誤差的改正數(shù)實現(xiàn)實時差分定位。目前國內(nèi)外應用較廣泛的網(wǎng)絡CORS技術有前文提到的VRS技術和MAX技術,兩種技術都是將所有的固定參考站數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心,聯(lián)合解算后,以RTCM等標準格式播發(fā)到移動站的,但也存在一定的差別.a) VRS技術工作原理VRS技術原理是利用地面布設的多個參考站組成GPS連續(xù)運行參考站

15、網(wǎng)絡(CORS),綜合利用各個參考站的觀測信息,通過建立精確的誤差模式(如電離層、對流星、衛(wèi)星軌道等誤差模型),在移動站附近產(chǎn)生一個物理上并不存在的虛擬參考站(VRS),由于CRS位置通過流動站接收機的單點定位解來確定,故VRS與移動站構成的基線通常只有幾米到十幾米,移動站與虛擬參考站進行載波相位差分改正,實現(xiàn)實時RTK。其工作原理和流程如下:1）各個參考站通過Internet連續(xù)不斷地向數(shù)據(jù)控制中心傳輸觀測數(shù)據(jù)；2）控制中心實時在線解算各基準站網(wǎng)內(nèi)的載波相位整周模糊度值并建立誤差模型；3）流動站將單點定位或DGPS（偽距修正值)確定的位置坐標,通過無線移動數(shù)據(jù)鏈路(GPRS等)傳送給數(shù)據(jù)控制

16、中心,控制中心在移動站附近位置創(chuàng)建一個虛擬參考站(VRS),通過內(nèi)插得到VRS上各誤差源影響的改正值,并按RTCM格式通過NTRIP協(xié)議發(fā)給流動站用戶；4）流動站與VRS構成短基線.流動站接收控制中心發(fā)送的虛擬參考站差分改正信息或者虛擬觀測值,進行差分解算得到用戶的精確位置,得到厘米級的定位成果.b) MAX技術工作原理主輔站技術由端士徠卡測量公司提出，它是基于最新多基站、多系統(tǒng)、多頻(L1，L2，L5)和多信號非差處理算法,其基本理論是將所有相關的代表整周未知數(shù)水平的觀測數(shù)據(jù)，如彌散性的和非彌散性的差分改正數(shù)，作為網(wǎng)絡的改正數(shù)播發(fā)給流動站，它本質(zhì)上是區(qū)域改正數(shù)(FKP)的一種優(yōu)化，選擇距離流

17、動站最近的一些有效參考站作為單元進行網(wǎng)解，發(fā)送主站差分改正數(shù)和輔站與主站改正數(shù)的差值給流動站，對流動站進行加權改正,最后得到精確坐標。MAX技術的整個處理過程為：數(shù)據(jù)處理中心首先進行基準網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理，如模糊度解算、輔站相對于主站改正數(shù)差的計算，然后把主站改正數(shù)和輔站與主站改正數(shù)差發(fā)送給流動站。主輔站技術可以使用單向數(shù)據(jù)通訊和雙向數(shù)據(jù)通訊兩種方式。單向數(shù)據(jù)通訊方式下的主輔站技術Leica稱為MAX技術，雙向數(shù)據(jù)通訊方式下的主輔站技術稱為i-MAX技術。MAX技術中同一個網(wǎng)絡單元中發(fā)播同一組數(shù)據(jù),用戶接收機目前只有LEICA公司生產(chǎn)的新型接收機才能使用。i-MAX技術與VRS技術一樣,流動站必須播

18、發(fā)自己的概略位置給數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)其位置計算出流動站的改正數(shù),再以標準差分協(xié)議格式發(fā)播給流動站,流動站可以是各種支持標準差分協(xié)議格式的接收機。2 CORS系統(tǒng)的應用CORS系統(tǒng)在城市管理和運行中相比過去技術方式具有很強的優(yōu)越性，可以解決很多困擾管理人員的技術難題和管理模式瓶頸，CORS系統(tǒng)的引入必將帶來新一輪的變革。2.1 測繪作業(yè)模式轉(zhuǎn)變和測量標志管理 一般測繪的技術路線主要有兩種,一種是利用全站儀等測量儀器，從已知坐標點起算，逐步實地測量，得到待定點的準確坐標，其弊端是野外工作量大，步驟復雜；另一種是利用GNSS接收機，接收衛(wèi)星信號，依靠地面固定的已知坐標點，確定待定點的坐標

19、，其弊端是每次野外測量必須設立一個臨時基準站點，向流動站發(fā)布信號，制約了流動作業(yè)范圍,且其高程精度較低。引進CORS系統(tǒng)之后，將徹底改變傳統(tǒng)測量作業(yè)模式，用戶只要攜帶一臺GNSS接收機，通過網(wǎng)絡建立與CORS系統(tǒng)之間的聯(lián)系，就可以進行各種測繪工作，工作效率精度都將極大提高。另外，一般情況下，兩種測繪技術路線的前提都是在野外必須有大量長期保存完好的測量標志，因此，測量標志管理是測繪管理工作的重要內(nèi)容之一，耗費大量的人力、物力和財力，引進CORS系統(tǒng)以后就可以大大縮減測量標志管理工作量，測量工作已經(jīng)不依賴于大量野外測量標志，測量標志管理重點放在幾個CORS系統(tǒng)站點上。2.2實時高精度定位導航當前實

20、時定位導航的精度基本是在米級、十米級甚至更低精度范圍，無法達到實時厘米級高精度定位和導航，這是受美國、俄羅斯等導航衛(wèi)星產(chǎn)權國的政策影響，導航衛(wèi)星不對外公開發(fā)布高精度定位導航信息數(shù)據(jù)，特別是在軍事緊張時期，實時定位導航精度更低，有時甚至無法定位和導航。引進CORS系統(tǒng)之后，將解決厘米級（平面坐標位置最高精度2cm，高程精度受當?shù)厮拼蟮厮疁拭婢鹊挠绊?，一般?cm以內(nèi)）實時高精度定位導航問題，提高城市管理效率和質(zhì)量，也會促進人們生活方式的轉(zhuǎn)變。2.3實時定位導航與公共安全我們現(xiàn)在的實時定位一般都是通過接收美國和俄羅斯衛(wèi)星發(fā)射的信息數(shù)據(jù)來完成的，他們發(fā)布的都是國際坐標系（WGS84坐標系），此

21、坐標系是全球通用的，無法確保定位導航的保密性，我們必須要將地圖轉(zhuǎn)換成國際坐標系，才能實現(xiàn)定位導航與當?shù)氐貓D的匹配，按照測繪法的要求,采用國際坐標系必須經(jīng)國務院測繪行政主管部門會同軍隊測繪主管部門批準，也說明了采用國際坐標系的危險性，但是受衛(wèi)星發(fā)布數(shù)據(jù)的限制，無法自主決定，引進CORS系統(tǒng)以后,就可通過其發(fā)布當?shù)刈鴺讼祷驀医y(tǒng)一坐標系的定位導航信息數(shù)據(jù)，在保證用戶精度需求的前提下，確保了國家的安全。2.4提高氣象數(shù)據(jù)精度和工作效率 大氣溫度、大氣壓、大氣密度和水氣含量等量值是描述大氣狀態(tài)最重要的參數(shù)，無線電探測、衛(wèi)星紅外線探測和微波探測等是獲取氣溫、氣壓和濕度的傳統(tǒng)手段，但是與CORS系統(tǒng)手段相

22、比，就顯出其局限性。無線電探測法的觀測值精度較好，垂直分辨率高，但地區(qū)覆蓋不均勻，在海洋上幾乎沒有數(shù)據(jù)，被動式的衛(wèi)星遙感技術可以獲得較好的全球覆蓋率和較高水平分辨率，但垂直分辨率和時間分辨率很低,引進CORS系統(tǒng)來遙感大氣的優(yōu)點是覆蓋率高，費用低廉，精度高，垂直分辨率高，也將大大提高氣象工作效率。2.5地震與地殼變形監(jiān)測 利用CORS系統(tǒng)中建在基巖上的基準站組成地區(qū)地殼變形監(jiān)測網(wǎng)，利用基準站的觀測數(shù)據(jù)，積累地區(qū)地殼形變資料，為城市地震預報提供實測數(shù)據(jù)，CORS系統(tǒng)將是地震及地質(zhì)災害預報的重要組成部分，為城市地殼形變監(jiān)測、斷裂帶監(jiān)測、滑坡監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測提供測量基準。 CORS系統(tǒng)建設一般應采

23、用當前流行的可以接收美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO等衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)的硬件設備,同時應裝備氣象等數(shù)據(jù)接收設備，并具有同步處理多套數(shù)據(jù)的相應軟件，同時應考慮兼容我國即將推廣使用的北斗等其他衛(wèi)星信息數(shù)據(jù)的能力。盡量提高CORS系統(tǒng)站點坐標的精度和可靠性，在聯(lián)測站點坐標時，應采用不低于B級和二等水準的觀測要求，平差計算時應盡量考慮兼容性好的點起算，以最高相對精度為目標，來提高CORS系統(tǒng)發(fā)布數(shù)據(jù)的相對精度，規(guī)避傳統(tǒng)天文大地測量方法建立的起算點誤差帶來的精度損失，站點的穩(wěn)定性也應定期監(jiān)測。站點應提供有線和無線等多種數(shù)據(jù)發(fā)布模式，應將當?shù)厮拼蟮厮疁拭婢晒傻桨l(fā)布數(shù)據(jù)當中，用

24、戶可以直接得到改算后的高程值，使用戶一次性完成工作任務。一般應發(fā)布國家統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)，也可根據(jù)實際情況采用當?shù)亟?jīng)批準的相對獨立的坐標系統(tǒng)，但必須建立該系統(tǒng)與國家統(tǒng)一坐標系統(tǒng)之間的聯(lián)系，盡量避免直接發(fā)布國際坐標系統(tǒng)數(shù)據(jù)。 根據(jù)不同廠商CORS系統(tǒng)硬件的精度指標，一般實時定位在20km范圍內(nèi)水平精度應達到1cm+1ppm,2040km范圍內(nèi)水平精度應達到2cm+1ppm，4050km范圍內(nèi)水平精度應達到5cm+1ppm；高程方面應建立當?shù)馗呔人拼蟮厮疁拭妫诮紖^(qū)范圍高程精度至少應達到外檢核精度為5cm，在城區(qū)范圍高程精度至少應達到外檢核精度為3cm。3 建立CORS的必要性和意義 “空間數(shù)據(jù)基礎

25、設施”是信息社會，知識經(jīng)濟時代的必備的基礎設施。城市連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）是“空間數(shù)據(jù)基礎設施”最為重要的組成部分，可以獲取各類空間的位置，時間信息及其相關的動態(tài)變化。通過建設若干永久性連續(xù)運行的GPS基準站，提供國際通用各式的基準站站點坐標和GPS測量數(shù)據(jù)，以滿足各類不同行業(yè)用戶對精度定位，快速和實時定位，導航的要求，及時地滿足多種現(xiàn)代化信息化管理的社會要求。建立CORS的必要性和意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1） 改進了初始化時間，擴大了有效工作的范圍；可以大大提高測繪精度，速度與效率，降低測繪勞動強度和成本，省去測量標志保護與修復的費用，節(jié)省各項測繪工程實施過程中約30%的控制測量費用；連續(xù)運行參考站系統(tǒng)能夠全年365天，每天24小時連續(xù)不間斷地運行，全面取代常規(guī)大地測量控制網(wǎng)。全天候地支持各種類型的GNSS測量，定位，變形監(jiān)測和放樣作業(yè)。2）可以對工程建設進行實時，有效