VRS－GPS網(wǎng)絡(luò)虛擬參考站技術(shù)在重慶城區(qū)控制測量中的應(yīng)用與淺析

石力，葉水全，梁剛

(重慶市勘測院，重慶 400020)

VRS－GPS網(wǎng)絡(luò)虛擬參考站技術(shù)在重慶城區(qū)控制測量中的應(yīng)用與淺析

石力?，葉水全，梁剛

(重慶市勘測院，重慶 400020)

利用虛擬參考站技術(shù)VRS(Virtual Reference Stations)，結(jié)合重慶市區(qū)的特點，在區(qū)域性測區(qū)進(jìn)行控制測量，分析其精度完全能夠滿足城市三級控制點的要求。

GPS；VRS；控制測量

1 前 言

隨著重慶城市建設(shè)的飛速發(fā)展，新城區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，老城區(qū)不斷進(jìn)行改造，許多測量控制點被破壞，影響城市測量的進(jìn)度。如何快速精確地提供測量控制點，直接影響城市勘測工作的效率。常規(guī)控制測量要求點間通視，人為因素干擾較大、費時費工，而且精度不均勻；GPS靜態(tài)測量，點間不需通視且精度高，但需要事后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不能實時知道定位結(jié)果；基站RTK技術(shù)進(jìn)行測量，需要在測區(qū)附近建立一個基準(zhǔn)站，由于受到了電離層和對流層影響的限制，移動站和基準(zhǔn)站之間的距離不得不減小許多。虛擬參考站技術(shù)VRS(Virtual Reference Stations)可以使測量員進(jìn)入測區(qū)的任何一點就能立即開始GPS高精度實時動態(tài)RTK測量，這一定位理論思想采用了固定參考站網(wǎng)絡(luò)來合成“虛擬參考站”，使得系統(tǒng)誤差被減少或消除，能得到厘米級的精度，并大大增強(qiáng)系統(tǒng)的性能和可靠性。

我院利用重慶市連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CQGISS)，采用VRS－GPS網(wǎng)絡(luò)虛擬參考站技術(shù)，完成了主城區(qū)部分控制點測量，有利于工作的開展。通過內(nèi)業(yè)計算檢核以及外業(yè)實地測邊檢核，證明該測量成果精度能完全滿足地形測圖要求。

2 VRS的工作原理和方法

VRS系統(tǒng)集GPS、Internet、無線通訊和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)于一身。整個系統(tǒng)是由若干個(3個以上)連續(xù)運行的GPS基準(zhǔn)站和一個GPS網(wǎng)絡(luò)控制中心構(gòu)成。在重慶，目前有5個參考站，分布在渝北、巴南、長壽、合川和璧山氣象站，覆蓋范圍超過8000 km2，參考站間距離最長達(dá)79 km。

VRS的工作原理:固定參考站的GPS觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過通訊鏈不停地傳送到VRS中央服務(wù)器，對每臺站的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測，去除大的粗差并修正周跳，完成對數(shù)據(jù)完善性檢測，中央服務(wù)器會通過分析雙差觀測量來計算電離層誤差、對流層誤差和星歷誤差。

VRS工作的主要技術(shù)方法:

(1)控制中心收集各個固定參考站的觀測信息并計算電離層、對流層、軌道誤差和多路徑效應(yīng)的模型參數(shù)；

(2)解算GPS參考站網(wǎng)內(nèi)各條基線的雙差載波相位模糊度；

(3)利用載波相位觀測值計算每條基線上各種誤差源產(chǎn)生的實際誤差的綜合誤差；

(4)采用單點定位確定用戶的粗略位置，利用建立的誤差模型并結(jié)合用戶、基站和GPS衛(wèi)星的相對幾何關(guān)系，通過內(nèi)插計算每一顆GPS衛(wèi)星到用戶之間不同路徑上各誤差源引起的誤差；

(5)用戶把自己的粗略位置通過移動電話鏈路傳送(NMEA格式)給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心就在該位置創(chuàng)建一個虛擬基準(zhǔn)站。此時虛擬站距離用戶站只有20 m～40 m，與用戶站構(gòu)成短基線差分。用戶可以把虛擬基準(zhǔn)站當(dāng)作普通基準(zhǔn)站使用。對于實時用戶，控制中心發(fā)送由虛擬基準(zhǔn)站得到的差分?jǐn)?shù)據(jù)RTCM給用戶，對于后處理用戶，虛擬基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)可以按照RINEX格式存貯；

(6)用戶接收控制中心發(fā)送的虛擬基準(zhǔn)站差分信息，進(jìn)行差分解算得到用戶的位置。

3 VRS的在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用

我院的生產(chǎn)作業(yè)覆蓋主城區(qū)，因此以主城區(qū)內(nèi)的RTK控制測量為例。

3.1 準(zhǔn)備工作

(1)點位選擇

點位的基礎(chǔ)堅實穩(wěn)定，易于長期保留，被測衛(wèi)星的地平高度角應(yīng)大于15度，周邊無建筑物阻擋。點位應(yīng)遠(yuǎn)離高壓線、無線電發(fā)射源等(如電視、電臺發(fā)射塔、微波站等)，以避免周圍磁場對GPS衛(wèi)星信號的干擾；盡量避開大面積水域，以減少多路徑誤差的影響。

(2)儀器設(shè)備

使用美國天寶儀器公司生產(chǎn)的Trimble 5800雙頻接收機(jī)，及TSC2測量控制器手簿。正確設(shè)置GPS接收機(jī)和手簿中的各種參數(shù)，檢測各種功能。

(3)作業(yè)時段的選擇

作業(yè)前一天觀看衛(wèi)星星歷，選擇最佳的時段進(jìn)行RTK作業(yè)，以保證RTK測量精度。作業(yè)時應(yīng)查看衛(wèi)星的數(shù)量和位置，觀測時間應(yīng)選在點位幾何強(qiáng)度因子(PDOP)值小于6，同步衛(wèi)星多于5顆且分布較均勻的時間段。

3.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)

GPS所測的WGS－84大地坐標(biāo)在大多數(shù)工程應(yīng)用中沒有太大意義，實際需要將GPS觀測的WGS－84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)鬲毩⒆鴺?biāo)。對于WGS－84坐標(biāo)到重慶市當(dāng)?shù)鬲毩⒆鴺?biāo)的轉(zhuǎn)換，我們可以采用高斯投影的方法，這時需要確定WGS－84坐標(biāo)與重慶市獨立坐標(biāo)兩個大地測量基準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)(三參數(shù)或七參數(shù))，需要定義三維空間直角坐標(biāo)軸的偏移量和(或)旋轉(zhuǎn)角度并確定尺度差。對于大范圍的測區(qū)，需要采用七參數(shù)法，但通常情況下，對于一定區(qū)域內(nèi)的工程測量應(yīng)用，我們可以利用以往的控制點成果，采用三參數(shù)法求取“區(qū)域性”的地方轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(1)校正點的選擇

在測區(qū)外圍選擇分布均勻的三等及三等以上GPS點4～5個，確保平面校正點間距不大于5 km；在測區(qū)外圍選擇分布均勻的四等及四等以上高程點選擇5～6個，并在測區(qū)內(nèi)部選擇2～3個四等高程點，確保高程校正點間距不大于3 km。

(2)轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算

采用美國天寶公司GPS隨機(jī)軟件Trimble Geomatics Office(TGO)，在該軟件上建立項目，對校正點的重慶獨立系坐標(biāo)和WGS－84坐標(biāo)進(jìn)行點校正。為了檢驗校正點的兩套坐標(biāo)的兼容性，應(yīng)逐點查閱轉(zhuǎn)換到市獨立坐標(biāo)系的三維坐標(biāo)的水平分量和垂直分量殘差，建議水平分量殘差不大于5 cm，垂直分量殘差不大于2.8 cm。當(dāng)符合要求時，可以輸出轉(zhuǎn)換參數(shù)DC格式的測量控制器文件，將文件導(dǎo)入測量控制器手簿，就可在外業(yè)測量出待測點準(zhǔn)確的市獨立坐標(biāo)系坐標(biāo)。

3.3 外業(yè)測量

外業(yè)測量時，必須使用腳架對中方式，儀器必須嚴(yán)格對中整平。開機(jī)后，接收機(jī)與手簿用藍(lán)牙連接。首先用GPRS或CDMA等無線上網(wǎng)方式與參考站建立聯(lián)接，聯(lián)接成功后，RTK獲得固定解，不要馬上進(jìn)行測量，因為此時數(shù)據(jù)還不夠穩(wěn)定，所獲得的數(shù)據(jù)可能存在粗差。待觀測值穩(wěn)定后，就可以進(jìn)行RTK測量。

測量點時，必須將待測點名，編碼，儀器高輸入。建議每點測量至少25 s，也可以根據(jù)實際施測條件，適當(dāng)延長觀測時間。當(dāng)觀測值水平分量推算中誤差小于15 mm和垂直分量推算中誤差小于20 mm時，可以保存。連續(xù)測量測出一組數(shù)據(jù)后，斷開聯(lián)接，重新完成初始化，再測量一組數(shù)據(jù)。根據(jù)誤差理論，去除一部分較差較大的觀測值，再取剩下觀測值的平均值。

3.4 成果分析

為了保證成果的可靠性，我們可以使用全站儀(如Licia TCR406)對相鄰控制點進(jìn)行測邊檢校，與RTK所測坐標(biāo)反算出的距離和高差進(jìn)行比較。

表1是按均勻分布、隨機(jī)抽取的RTK反算邊長及高差與全站儀測量的邊長及高差的對比表。

RTK反算與全站儀測量結(jié)果對比表 表1

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根據(jù)《城市測量規(guī)范》，在1∶500測圖中，要求控制點相對于起算點的點位誤差不超過50 mm；高程中誤差不得大于測圖基本等高距的1/10，即50 mm。通過表1可以看到，利用VRS所測的坐標(biāo)反算距離與用全站儀測得的相鄰點間距的比較量都在規(guī)定的限差之內(nèi)，因此平面至少能滿足城市三級控制點的要求。而高差較差最大為30 mm，也能滿足測圖的需要。

RTK檢校點精度統(tǒng)計表 表2

由于衛(wèi)星狀態(tài)、參考站狀況、天氣因素、GPRS信號以及地形影響，利用VRS測量出的數(shù)據(jù)具有8%左右的失敗率，為了杜絕錯誤，我們還需要對已知點進(jìn)行檢校，就是與已知點的獨立坐標(biāo)進(jìn)行對比。

檢校點一般取城市一級導(dǎo)線點及一級以上的靜態(tài)GPS點，特殊情況下，檢校城市二級導(dǎo)線點也可以。表2是RTK測量坐標(biāo)與已知控制點坐標(biāo)的對比。

由表2可以看到，RTK測點坐標(biāo)與原坐標(biāo)平面互差均小于50 mm，平面均方差為15.4 mm；高程互差小于55 mm，平面均方差為18.6 mm，因此證明利用VRS測量的數(shù)據(jù)是可靠的。

4 結(jié) 論

利用VRS作控制測量，相比傳統(tǒng)的控制測量更方便、更有效率，還能大大節(jié)省人力，而且誤差分布均勻，不存在誤差積累，其優(yōu)點是顯而易見的。但是在山區(qū)，由于高程異常，存在較大誤差，精度也不均勻，這就要求不斷加密高程控制網(wǎng)。在對高程精度要求較高的地方，還是需要采用常規(guī)水準(zhǔn)測量。在城市高樓林立的地方，或者在郊區(qū)GPRS信號不好的地方，RTK是很難進(jìn)行測量的，因此，RTK配合常規(guī)控制測量是必要的。

[1]王廣運，郭秉義等.差分GPS定位技術(shù)與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，1996

[2]劉業(yè)光，歐海平.GPS網(wǎng)絡(luò)RTK虛擬參考站技術(shù)在廣州的應(yīng)用前景初探.城市勘測，2002(2):5～8

[3]重慶市勘測院作業(yè)文件技術(shù)規(guī)范.2007.8

[4]周忠謨，易杰軍，周琪.GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用[M].北京:測繪出版社，1997

[5]CJJ8－99.城市測量規(guī)范[S].

[6]魏二虎，黃勁松.GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2004

[7]孔祥元，郭際明，劉宗泉.大地測量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2001

The Application and Analysis of VRS－GPS Network Virtual Reference Station Technology in the Control Survey of the Chongqing Urban Area

Shi Li，Ye ShuiQuan，Liang Gang
(ChongQing Survey Institute，ChongQing 400020，China)

According to the specification of Chongqing urban area，the control survey in a regional coverage by utilizing the technology of virtual reference station VRS，the accuracy can completely meet the require of the level 3 urban control stations.

GPS；VRS；The Control Survey

1672－8262(2010)02－84－04

P228

A

2009—08—19

石力(1981—)，男，工程師，主要從事工程測量技術(shù)工作。