CORS技術在數字城市測量中的應用

摘 要:連續運行衛星定位系統(CORS)具有操作簡便、成本低、精度高、實時性強、覆蓋率廣等優點，特別是CORS系統內網絡RTK測量功能的實現改變了傳統測量作業模式，可以極大地提高測量的工作效率。本文對CORS在數字城市地理空間框架建設的測量部分中各工序的應用情況進行了具體地分析，與傳統測量方法比較有哪些優勢，對其使用過程中需要注意的事項進行了說明。

關鍵詞:CORS 網絡RTK 數字城市 多基準站式 網絡RTD

中圖分類號:TP3文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)11(c)-0103-02

引言

隨著全球導航衛星系統(GNSS)技術的快速發展，特別是前幾年，實時動態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。但常規RTK也存在其自身的使用限制:單基站作業模式，測量的精度和可靠性隨著作業半徑的增大而降低。為了克服常規RTK技術上的缺陷，這幾年，一種新的GNSS技術—連續運行衛星定位系統(CORS)，在各地陸續建立，它具有操作簡便、成本低、精度高、實時性強、覆蓋率廣等優點，特別是CORS系統內網絡RTK測量功能的實現改變了傳統測量作業模式，較大的提高了測繪工作的效率。在城市測量工作中得到越來越多的應用，正逐步取代傳統單基站RTK技術。

1 CORS的工作原理

CORS是在一個較大的區域內均勻的布設多個永久性的連續運行GNSS參考站，構成一個參考站網，各參考站按設定的采樣率連續觀測，通過數據通信系統實時的將觀測數據傳輸給系統控制中心，系統控制中心首先對各個站的數據進行預處理和質量分析，然后對整個數據進行統一解算，實時估算出網內的各種系統誤差改正項(電離層、對流層、衛星軌道誤差)獲得本區域的誤差改正模型。然后向用戶實時發送GNSS改正數據，用戶只需要一臺GNSS接收機，便可實時或事后得到高精度的可靠的定位結果。

CORS目前主要的幾種網絡 RTK技術有虛擬參考站(VRS)技術、主輔站技術(MAC)、區域改正參數(FKP)技術和綜合誤差內插法技術等，在實際應用中我們主要采用虛擬參考站(VRS)技術，在這里主要對(VRS)技術做具體闡述。

VRS技術是現有網絡RTK技術的代表。采用VRS技術的條件是:基準站網子系統必須包含三個以上的連續運行基準站，數據中心才能通過組合所有基準站的數據，確定整個CORS覆蓋區域的電離層誤差、對流層誤差、軌道誤差模型等。流動站作業時，首先通過GPRS、CDMA或WCDMA(3G)等無線通訊網絡向數據中心發出服務請求，并將流動站的概略位置回傳給數據中心，數據中心利用與流動位置最近的三個基準站的觀測數據及誤差模型，生成一個應用于流動站的概略位置的虛擬基準站(VRS)，然后將這個虛擬基準站的改正數信息發送給流動站，最后流動站結合自身的觀測數據實時解算出其所在位置的精確坐標。其工作模式見圖1。

與傳統RTK測量作業方式，其主要優勢體現在:1)覆蓋面積更廣、作業距離更長，一般其服務半徑可以達到40km左右;2)采用連續基站，用戶隨時可以觀測，使用方便，提高了工作效率;3)擁有完善的數據監控系統，由于消除或削弱各種系統誤差的影響，可獲得更高精度和可靠性的定位結果;4)用戶不需架設參考站，真正實現單機作業，減少了架設的費用;5)使用固定可靠的數據鏈通訊方式，減少了噪聲干擾;6)提供遠程INTERNET服務，實現了數據的共享，可為高精度要求的用戶提供下載服務。

CORS定位精度和可靠性隨距離的增加衰減較小，而常規RTK定位的精度和可靠性與流動站、基準站之間的距離呈線性相關。以下是CORS與常規RTK兩種作業方式的作業距離變化與精度變化的關系如圖2。

從圖2可以看出采用常規RTK定位方式作業，隨著距離的增加其精度、可靠性和有效性有明顯地降低。

2 CORS技術在數字城市地理空間框架建設的應用

連續運行衛星定位系統(CORS)能夠全年365天，每天24小時連續不斷地運行，全面取代常規大地測量控制網。用戶只需一臺GNSS接收機即可進行毫米級、厘米級、分米級、米級的實時、準實時的快速定位、事后定位。因其高效率、高精度、高可靠性和低成本的特點，在數字城市地理空間框架建設項目的測量部分中，得到了廣泛的應用。

2.1 基礎控制測量

城市基礎控制一般包括四等GNSS網、城市一級GNSS網、有必要時還需聯測四等水準網。GNSS靜態、快速靜態相對定位測量無需點間通視能夠高精度地進行各種控制測量，但是需要大量的時間進行數據處理，且不能實時地知道定位精度，內業處理后發現精度不合要求必須進行補測。

2.1.1 四等GNSS控制網

一般采用GPS靜態定位技術施測，同步作業圖形之間采用同步圖形擴展式布網方式來實施觀測。如今大多數地區都相繼建立了當地的CORS系統，這為我們觀測四等GNSS提供一種新的觀測方案，即利用已有的CORS基準站連續運行的特點，采用多臺GNSS接收機進行多基準站式布網靜態觀測。即采用多臺GNSS接收機在CORS基準站周圍相互之間進行同步觀測，待一個時段完成后將所有接收機統一遷到下一時段進行同步觀測，然后匯總所有的觀測數據交給予CORS服務中心進行數據處理，或在CORS系統服務網站下載參考站的數據，經解算和平差獲得高精度的四等GNSS成果。

此種觀測模式的優點主要有:

1)CORS基站具有連續工作的特點，全天無論任何時候，GNSS點都可同CORS基站構成同步基線和同步環，故不需要花費更多精力去聯測已知點;

2)CORS站的建設從環境選擇、建設規模和質量都遠遠高于傳統控制點的建設，所以不必擔心已知點的可靠性;

3)對接收機的數量沒有要求，可以采用一臺或兩臺GNSS接收機就能進行靜態觀測;

4)不需要考慮同步環與同步環之間構網，這樣既節省來回導站的時間，又易于操作。

此種觀測模式在操作時應注意:

1)每臺GNSS接收機的采樣間隔應與CORS基準站提供數據的采樣間隔保持一致;

2)每天觀測結束后，應將全部數據雙備份，并應清空接收機儲存器，及時對數據進行處理，剔除不合格數據;

3)應適當地對國家高等級控制點進行聯測，以此來檢驗該模式作業的精度和可靠性。

2.1.2 四等以下級別控制測量

一級、二級、三級、圖根GNSS點都可直接采用網絡RTK中的VRS技術，觀測方式和常規RTK方式差不多，只要在電子手簿上選擇“VRS”模式即可。其點位精度通過常規靜態GNSS觀測檢測，均能滿足規范精度要求，且在《衛星定位城市測量技術規范》和《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范》中均有具體操作要求。在觀測中應注意如下幾點:

1)作業前必須對測區內的國家等級點進行檢測，檢測時確保接收機配置、儀器高設置、CORS系統和通訊信號等均處于正常狀態;

2)測量時應采用三腳支架方式架設天線進行作業，測量過程中儀器的圓氣泡應嚴格穩定居中;

3)控制點應采用常規方法進行邊長、角度或導線聯測檢核，或采用衛星定位GNSS靜態(快速靜態)進行坐標檢核，檢核點數不少于總點數的10%。

4)對于通訊信號較弱的地方，可以用GNSS快速靜態模式作業。

2.2 像控點測量

在數字城市地理空間框架的建設中，一般采用航測數字化成圖方式，像控點的測量工作是相當多的，而采用傳統RTK方式測量，由于測區面積大、作業距離長，需要頻繁地遷移基站，因此極大地影響效率。根據《城市測量規范》規定像控點測量達到圖根精度即可，隨著CORS系統的建立和CORS技術的普遍應用，用VRS技術觀測各類像控點，既能實時知道定位結果并能滿足其精度要求，又可極大地提高其作業效率。

在具體觀測實施中應注意幾點:

1)首先要對儀器進行設置，數據采樣間隔一般設為2～5秒，模糊度置信度應設為95%以上;然后要對手簿進行設置，經、緯度取位到0.00001″，平面坐標和高程記錄到0.001m;控制點的平面收斂精度應≤±2cm，高程收斂精度應≤±3cm;

2)開始作業前，應至少在1個已知控制點上進行校核，平面位置不應大于5cm;

3)每測回觀測前要對儀器進行初始化，觀測值應在得到網絡RTK固定解，且收斂穩定后開始記錄;每測回的自動觀測個數不應少于20個，并取平均值作為定位結果;

4)每個點的觀測次數要≥2次，平面和高程成果應在限差之內，取各測回結果的平均值作為最終觀測成果;

5)當初始化時間超過5分鐘仍不能獲得固定解時，宜斷開通信鏈接，重啟GNSS接收機，再次進行初始化操作;

6)當重新啟動3次仍不能獲得固定解時，應選擇其他位置進行測量，或采用快速靜態事后處理的方式進行測量。

2.3 碎部點測量

地形、地物補測等碎部點測量是數字城市中外業部分，除像片調繪以外工作量最大的一項工序。用常規的測圖方法通常是首先布設控制網點，這種控制網一般是在國家高等級控制網點的基礎上加密次級控制網點，然后依據加密的控制點和圖根控制點，測定地物點和地形點在圖上的位置，最終通過成圖軟件編繪出賦予不同屬性的地形圖。

應用CORS下的網絡RTK新技術，可以不布設各級控制點，作業員直接用流動站便可以高精度、快速地測定地形點、地物點的坐標，利用電子手簿中的測圖軟件可以在野外一次性測繪成電子地圖，從而真正的實現野外數字測圖的自動化和一體化。此種作業方式具體有如下優點:

1)因為不需要架設基站，野外作業只需要一臺GNSS接收機和一臺電子手簿，就能實現野外數字測圖;

2)由于點號和位置在手簿上實時地顯示，可以實地觀測的同時完成簡單的圖形編輯，因此降低了出錯率;

3)減少了室內編輯的工作量。由于在野外觀測時就進行了簡單的編輯，在室內通過數據傳輸后，只需進行格式轉換，再進行極少室內編輯即可。

2.4 城市部件調查

市政部件是數字城市系統平臺中的基本載體，是真正屬于城市的不可移動的要素。。傳統城市部件測量主要是通過全站儀測量出部件在大比例尺地形圖上的位置。外業數字化測量調查有兩種方法:一種是先控制后碎部的測量調查方法，即先布設圖根控制點，然后測量部件;另一種是直接進行碎部的測量調查方法，即用圖上已有的地物特征點作控制，確定部件圖上位置。一般說來，前者精度高，但效率低，后者的精度主要取決于作為控制點的地物特征點的選擇。

網絡RTD市政部件采集，主要運用的是網絡RTD技術，即網絡偽距相位差分(RTD-Real Time DGPS)技術，它是網絡RTK的補充。在CORS下網絡RTD的作業，非常適用于城市部件調查。在CORS支持下，采用帶實時差分功能或后差分的GNSS手薄，可以單人、單機對數據進行采集，只需把儀器放在部件位置中停留幾秒鐘即可測量出部件的坐標，并通過手簿直接輸入相關信息。在內業處理的時候，也只需要把帶有屬性的數據從手簿中導到相應軟件中即可，不需要二次錄入。

CORS與傳統部件數據采集方式與傳統部件數據采集方式相比較，網絡RTD具有以下優勢:

1)減少了作業人員數量，用網絡RTD手簿進行部件采集只需要1名工作人員即可，而傳統的全站儀測量則需要2～3名工作人員;

2)網絡RTD的定位精度完全能滿足城市部件調查的測量精度要求，從而可以替代全站儀進行數據采集;

3)在CORS服務區域內進行部件數據采集不需要再進行控制測量，直接拿手簿即可進行;

4)在全站儀進行部件測量時，在一些拐角地方需要移動儀器，重新架站，從而容易產生積累誤差，影響測量精度。RTD手簿則完全不需要架站，它即拿即用的功能，省去了架站這一環節，加快了工作速度;

5)傳統部件測量對工作底圖的要求較高，工作人員在測量時需隨身攜帶，并隨時進行標注和判斷。用網絡RTK進行部件測量時，工作人員可以不依賴工作底圖，只要把指定范圍內的部件記錄下來即可。

3 結語

CORS系統的建立為數字城市測繪工作提供了一種全新的測繪技術手段，在前期的控制測量、像控點聯測中，和后期的碎部點測量、城市部件調查中，都將得到了廣泛的應用。CORS技術的應用極大地提高了在測量中的作業效率，隨著我國的“數字城市”建設開始進入實質性的啟動階段，CORS技術的應用將大大地加快數字城市的建設步伐。

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