CORS系統虛擬觀測應用

周曉衛，胡明，匡志威，劉鵬程

(長沙市規劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

GPS全球定位系統具有精度高、全天候以及不受測點通視條件限制的特點，已廣泛應用于工程測量、大地測量、航空航天測量、遙感等各個測量領域[1]。特別是在控制測量工作中，GPS幾乎完全取代了常規測量方法[2]。

實際應用表明，GPS控制測量精度主要受三方面因素的影響：基線的測量精度、控制網的幾何圖形強度和地面起算點的精度[3～7]。基線測量精度的提高，可以通過延長觀測時間獲得；網的幾何圖形的增強，可通過增加控制點個數及優化控制網網型獲得。而延長觀測時間或增加控制點個數，勢必增加測量成本，影響經濟效益。

當地面起算點坐標含有粗差或精度較低時，不僅會使單位權方差估值不準確，而且還會使GPS觀測得到的高精度成果受到歪曲。起算點坐標的誤差對待定點的影響是系統性的[8]，起算點誤差越大，待定點誤差也越大，同時帶有誤差的起算點個數及分布不同對GPS網點的平差坐標影響也不同。因此，提高起算點的精度和準確度，對控制測量工作至關重要。

隨著GPS技術的發展，很多省份或地區都布設了CORS系統，實現了高精度、實時的數據傳輸及應用。而通過CORS基站的精確坐標、長時間觀測的原始數據以及空間相關誤差理論[8]，推估生成網內任意虛擬測站，作為工程控制網的起算點或者結點，不僅提高了起算點的可靠性，優化了控制網的網型，而且也減少了觀測成本，提高了工作效率和經濟效益。

本文針對CORS系統虛擬測站觀測數據的生成原理，結合工程實例，詳細分析了該方法的測量精度和可靠性，對相關工作起到參考作用。

2 虛擬測站觀測數據的生成原理及實現

2.1 虛擬測站觀測數據的生成原理

GPS虛擬測站觀測數據的生成是GPS定位的逆過程[9]。在生成GPS虛擬測站觀測值時，首先利用CORS基站的原始觀測數據，計算任意歷元GPS衛星的三維位置、對流層延遲及電離層延遲等模型誤差；再根據虛擬測站的三維坐標和設定的衛星截止高度角計算該虛擬測站可觀測到的GPS衛星，并計算出虛擬測站和可視衛星之間的距離，獲取GPS模擬觀測值的真值；然后根據虛擬測站的位置以及參考站網絡的空間誤差線性內插得到空間相關誤差；并在距離真值上添加空間相關誤差、觀測噪聲、粗差及周跳等。最后根據觀測時間、采樣率等輔助信息把模擬得到的GPS觀測值以指定的數據格式輸出，其基本流程如圖1所示。

圖1 虛擬觀測數據生成流程

2.2 虛擬觀測數據的生成

長株潭連續運營參考站系統(CZTCORS)，采用Trimble公司的Trimble Pivot Platform(TPP)作為系統運營管理軟件。TPP軟件包含多個模塊，其中DataShop模塊可以根據指定的虛擬測站坐標，生成虛擬觀測值。具體實現如下，在TPP軟件中選擇DataShop列表，在彈出的選擇框中輸入虛擬測站點的WGS84空間直角坐標，擬生成觀測數據的采樣間隔，起始時間和時間長度，輸出的數據格式等信息，即可快速生成指定點的GPS雙頻觀測數據，如圖2所示。

圖2虛擬測站觀測數據的生成

3 實驗分析

為驗證CORS系統生成的虛擬測站靜態觀測數據應用于GPS網平差方法的可靠性和可行性，利用長沙市地鐵6號線的平面控制測量觀測數據進行驗證。該項目按照技術設計要求，根據地鐵線路走向，共布設C級精度的控制點43個，利用周邊已有高等級控制點6點。布設控制網如圖3所示。利用Trimble Business Center 2.60進行基線解算，并利用科傻GPS數據處理系統進行網平差，并以此結果作為參考值進行方案論證。

圖3 地鐵線路平面控制網示意圖

在原有的平面控制網四周，利用CZTCORS系統生成了10個虛擬測站(VR01至VR10)的觀測數據，如圖4所示。并按照以下方案進行了比較分析。

方案一：利用測區周邊的6個已知點，求解全網的未知點坐標，并以求解的未知點坐標作為參考值。

方案二：利用測區周邊的6個已知點，求解虛擬測站的坐標，并與虛擬測站的真值進行比較，如表1所示。

方案三：利用測區周邊的10個虛擬測站作為已知點，將測區周邊的6個已知點作為未知點，求解6個已知點的坐標，并將求得的已知點坐標與原值進行比較，如表2所示。

方案四：利用測區周邊的6個已知點和10個虛擬測站點共同作為已知點，求解全網的未知點坐標，并與方案一進行比較，如表3所示；

方案五：利用測區周邊的10個虛擬測站點作為已知點，求解全網的未知點坐標，并與方案一進行比較，如表3所示；

方案六：利用測區周邊的部分已知點(A，C，D三點)和10個虛擬測站點，如圖5所示，求解全網的未知點坐標，并與方案一進行比較，如表3所示。

圖4 增加虛擬測站的平面控制網示意圖

圖5 虛擬測站和含有部分已知點的平面控制網示意圖

虛擬站點位坐標真值與計算值的差值統計表 表1

控制網中未知點點位坐標差值對比統計表 表3

方案四至方案六解算的未知點平差結果精度統計如表4所示。

平差結果精度統計表 表4

如表1和表2所示，利用CORS系統生成的虛擬站的觀測數據，與測區周邊已知點的觀測數據聯合平差，方案二和方案三的平差結果一致。即可以用虛擬測站替代已有控制點，參與控制網平差。

如表4所示，四種方案的最弱點中誤差精度都達到mm級，最弱邊相對中誤差也小于規范[10]規定的十萬分之一的要求；方案四、五、六求得的未知點坐標值與方案一求得的坐標值的較差都很小，坐標差值的均方根誤差小于 10 mm，坐標差值最大值為 13.5 mm，小于規范[10]規定的‘重合點坐標較差≤25mm’的要求；方案六，即組合測區內部分已知點和虛擬點，共同作為已知點參與網平差，其結果與方案一更接近。

對比圖3、圖4和圖5可知，利用虛擬測站作為已知點進行GPS網平差，已知點分布更加均勻，網型更加優化。

4 結 論

對于工程測量中的中小型GPS控制網，可以通過CORS站生成虛擬測站作為起算點，其平差精度與傳統方法一致，精度可達mm級；而利用虛擬測站可以不需要在已知點上架設GPS，并且不受已知點位置和精度的限制，可以盡可能地增強控制網幾何圖形強度，同時減少外業工作量，提高工作效率。而CORS系統生成的虛擬測站與測區的距離對控制網精度的影響大小，以及CORS系統覆蓋區域內和區域外生成的虛擬測站對控制網精度的影響大小，尚須作進一步的研究。