CORSRTK技術在地表移動觀測中的應用

程詩廣

摘 要：CORS RTK（Real Time Kinematic，實時動態）測量技術是基于載波相位觀測值的實時動態定位技術，能夠實時提供GPS流動站在特定坐標系中的三維坐標，在有效測量范圍內精度可達到厘米級。其中，綜合了現代計算機、互聯網數據通訊技術的連續運行衛星定位服務系統（Continuously Operating Reference System，簡稱CORS系統），較傳統GPS-RTK大大提高了RTK數據傳輸效率、傳輸范圍和測量精度。CORS系統由于具有建站成本低、實用性強、建站方法相對簡單等特點，劉莊煤礦從實用性、經濟性、可靠性綜合考慮，建立了單基站CORS測量系統。在劉莊煤礦西三采區171306工作面地表移動觀測站建立中，通過實例探討了CORS RTK技術在本礦區的實際定位精度，論證了CORS RTK測量在平面精度能夠滿足地表移動觀測站控制點連接測量及監測點首次全面觀測精度要求，解決了GPS靜態觀測無法實時獲得測點的當地坐標等缺點，在礦區具有良好的運用效果。本文對RTK技術的測量精度控制進行了初步分析，并對RTK測量的質量控制提出了相應措施，對CORS實時動態RTK模式作業具有一定的指導意義。

關鍵詞：CORS RTK；單基站；坐標轉換；地表移動觀測站；質量控制

1 緒論

劉莊煤礦位于淮南煤田西部，東西走向長16km，南北寬35～8km，面積約82.2km2。本礦區為淮河沖積平原，地形平坦，村莊較密，濟河流經本區東北部，流向東南。井田范圍內，口孜東-劉莊-板集鐵路橫跨西一、西三、西四、東一采區。

本礦區巖移參數采用八十年代潘謝礦區移動觀測站獲取的移動參數，但由于地質采礦條件變化，為了研究巨厚松散層下采煤引起的地表移動變形規律及求取相關移動參數，更準確的對塌陷下沉進行預測預計，保障礦區鐵路正常運行，應當建立地表移動觀測站開展地表移動觀測。傳統的觀測方法主要采用全站儀配合水準儀進行平面和高程測量來獲取測點三維坐標。由于塌陷觀測的時效性。平面、高程需要同步進行觀測，需要大量的測繪人員，且測量效率低，制約了開采沉陷觀測工作的有序開展。將RTK測量技術應用于地表移動觀測，是目前移動觀測發展的重要方向。本文通過對RTK技術進行精度分析，討論滿足于地表移動觀測的測量方法。通過對單基站CORS RTK測量技術在劉莊礦區地表移動觀測中的應用分析，提出可行的解決方法。

2 RTK定位技術分析

2.1 傳統 RTK定位技術分析

實時動態（RTK）定位是以載波相位觀測值為根據的實時差分GPS技術，它是GPS技術在測量應用中的一個重要突破。實時動態定位（RTK）測量系統由基準站、流動站和數據通訊組成，建立無線數據通訊是實時動態測量的保證，其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準點，安置一臺接收機作為參考站，對衛星進行連續觀測，流動站上的接收機在接收衛星信號的同時，通過無線電傳輸設備接收基準站上的觀測數據，流動站上的手簿根據相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標和測量精度。[1]

無論靜態測量定位，還是準動態測量定位等作業模式，得到的都是WGS-84坐標，須進行室內數據處理，進一步坐標轉化才能得到當地坐標。由于滯后數據處理模式，無法實時解算測點坐標，并且無法對觀測成果數據進行檢驗，難以保障觀測數據的有效性。在實際測量過程中常常出現由粗差引起的不合格觀測成果需要重測返工。目前，主要解決方法就是延長測點數據采集時間、選擇作業時間窗口來保障測量數據的可靠性。然而，這樣就降低了測量的工作效率。RTK技術的發展極大的改進了GPS定位測量模式，比較傳統測量作業模式不但滿足全天候作業，而且實時顯示測量成果，以及實時顯示數據觀測質量，根據待測點的精度指標，選擇合理的觀測時間，可以有效減少冗余觀測，大大提高了工作效率，降低了成本。在測圖、放樣等傳統測量中發揮了及其重要的作用。

但RTK測量技術也同樣存在自身缺點，由于RTK測量模式是通過差分方法來消除流動站和基準站之間的共有誤差，隨著流動站與基準站之間距離的增加，二者之間的相關性會逐步衰減，當距離超過5公里或者更遠時，會出現整周模糊度無法固定，測量成果精度迅速下降的現象。[2]并且無線電臺的發射功率與距離成反比，會隨著距離的增加而信號衰減，導致RTK流動站接收不到差分數據。因此，作業半徑成為制約RTK 的重要因素。另外，每次外出作業，需要架設基準站并進行校核，需要攜帶移動電源、腳架等大量設備，增加了大量的準備工作。

2.2 CORS RTK技術分析

近年來，連續運行衛星定位服務系統（Continuously Operating Reference System，簡稱CORS）成為GPS測量現代發展的重點，特別是基于單基站CORS 的RTK測量模式發展較為成熟，較常規GPS-RTK測量，其使用更方便，測量精度更高，覆蓋范圍更廣。

單基站CORS-RTK較傳統GPS-RTK的優勢：（1）GPS-RTK由于受基準站作業半徑限制，需要頻繁移動設置基準站。而CORS RTK基準點為永久點，標稱作業半徑一般為50公里，減少了GPS-RTK模式頻繁架設基準站所產生的誤差環節。（2） GPS-RTK模式測量作業，數據發射電臺需要外接移動電源來發送差分改正數據，電源有效時間素會影響作業有效時間。而CORS基準站能夠實現全天候作業。（3）傳統GPS-RTK采用無線發射電臺發送差分改正數據，無線電臺信號易受干擾，且信號隨距離而衰減，信號轉播距離有限。而CORS RTK采用GPRS/CDMA通訊，數據穩定、距離不受限制，只要有手機信號的地方就能接收到基準站的通訊數據。（4）傳統GPS-RTK流動站每次測量作業前，都需要找已知控制點進行校正，控制點的選擇，對測量成果起決定性作用。對于沒有控制點的測區須進行控制測量。而CROS-RTK系統則無需校正，只需一次建立CROS基準站，選擇測區轉化參數即可，可輕松實現單人隨時進行測量作業。

隨著數字化礦山的發展，礦山測量任務越來越多。其中對于礦區地表移動觀測站的建立和觀測，使用傳統的全站儀導線測量和靜態GPS觀測，在每個測點上花費時間太長，且內業數據處理工作量大，經濟效益較低，并且對于數量較多的監測點，如果不能在一天內觀測完，將不利于觀測點移動數據分析，而RTK定位每個點只需幾秒鐘或幾分鐘，無需數據后處理，給這種快速的數據采集提供了有效途徑。但是利用CORS RTK定位技術測量是否能夠滿足相應等級的精度要求，本文通過實例實驗分析，對CORS RTK在地表移動觀測站建立中的觀測精度進行了分析，從而指導RTK作業。

3 礦區CORS基準站的建立

中煤新集劉莊煤礦位于阜陽市潁上縣，井田區域為淮河沖積平原，地形平坦，且礦區周圍布設有均勻分布的等級控制點。根據測量技術的發展及實際生產需要，2010年8月礦建立單基站CORS系統。GPS基準站的選址關系到參考站系統質量，根據覆蓋礦區范圍、視野開闊、遠離強電磁干擾，方便維護與管理等原則。劉莊煤礦CORS基準站選址于礦內2#公寓樓樓頂，并與井田范圍附近已知北京54坐標的控制點進行坐標聯測，GPS控制網形如圖一，其中宿舍樓為CORS基準點。

以上四個點均為2005年安徽省地質測繪院布設的C級GPS 點，其中許莊、高莊為三等水準點，顧莊、李莊為四等水準點。都具有北京54 坐標系下的平面坐標和85 國家高程。采用三臺接收機每個點同步觀測一小時，觀測結束后，采用徠卡公司LGO軟件進行基線解算，網平差，精度評定和坐標轉換后確定基準站的北京54坐標和85高程。然后將平差得到的各點WGS-84平面坐標和橢球高與已知的北京54平面坐標和高程輸入手簿，采用一步法七參數轉換模型，求得劉莊礦區的坐標轉換七參數，指導CORS RTK作業。

坐標轉換參數求解方法：CORS RTK首先測得的坐標是WGS-84坐標系下的坐標，實際應用中一般需要當地坐標系下的坐標，如北京54坐標系下的坐標，這就需要求解坐標轉換參數進行坐標轉換。坐標轉換參數一般根據兩個以上控制點的兩套坐標，建立兩坐標系間的坐標轉換模型，然后采用最小二乘法求解轉換參數，并對轉換參數的顯著性進行檢驗。[3]根據控制點求解轉換參數的方法一般有兩種：一種是點校正法，即流動站不設置轉換參數，直接測出已知控制點的WGS-84坐標，再將相應的當地坐標輸入手簿，根據隨機軟件轉換模型求取轉換參數；一種是已知區域內多個控制點的WGS-84坐標和地方坐標，根據兩套坐標及相應的轉換模型，求解轉換參數。其中包括四參數法（即平移參數，旋轉角 和尺度因子 ）和七參數法（即平移參數，旋轉參數，和尺度參數k），四參數法是求解同一橢球內不同坐標系之間的平面轉換參數，要求至少兩個及以上已知點坐標，七參數法求解的是兩個不同橢球間的坐標轉換關系，要求至少三個及以上已知點坐標。

對于四參數法，其應用較為靈活方便，但控制范圍較小，對于大范圍控制的參數求解，應采用七參數法，并要求參與求解的已知點要均勻分布在測量區域內，能夠覆蓋整個區域，以達到更好的轉換效果。劉莊煤礦西一、西三、東一、東二采區處于四個控制點構成的封閉圖形內部。

4 實例應用分析

口孜東-劉莊鐵路線貫穿劉莊煤礦西三（17）采區，將受171305工作塌陷影響。因此，171305工作面回采前須建立地表移動觀測站。該采區地面地形平坦，多為農田，分布兩個村莊。地面標高在25.0m～26.5m之間，適合RTK作業。根據設計，171305工作面地表移動觀測站有走向控制點6個，監測點60個，傾向控制點6個，監測點83個。采用CORS RTK進行放樣埋點，待標石穩定后，進行連接測量和全面觀測。為確定CORS RTK測量精度能否滿足連接測量及全面觀測精度要求。首先對觀測站控制點進行了測量比較。

4.1 實例應用分析

本次實驗目的是采用CORS RTK定位測量技術測定點位坐標，探討其精度如何，是否能夠代替GPS靜態和全站儀進行地表移動觀測站的連接測量和首次全面觀測。本次實驗流動站徠卡GPS接收機2臺，用腳架代替對中桿實時動態定位。在171305工作面地表移動觀測線已知控制點上架設GPS流動站接收機，每站分別觀測3分鐘，5分鐘和10分鐘，每站各獨立觀測14次，以控制點已知平面坐標和高程作為參考，取其中一點（已知坐標為X：30315.870，Y：3179.585，Z：26.7843）為例，其CORS RTK作業模式的平面成果與已知坐標較差如圖二、圖三、圖四，高程成果對比如表一。

二到圖四分別為觀測三分鐘、五分鐘和十分鐘時，CORS RTK測量的平面坐標與實際坐標的點位較差，可以看出，定位精度基本在2cm以內，可應用于城市、礦山等區域性的控制測量、工程測量和地籍測量（根據測量規范規定，四等平面控制網最弱點的相對點位中誤差不超過±5cm）。另外，從圖中可以看出，觀測三分鐘時，點位誤差波動較大，而觀測五分鐘和十分鐘時，波動相對平滑，取平均值后精度得到提高，并且對于地表移動觀測站重復觀測求取相對移動變形量，這種方法更為適用，所以綜合考慮測量精度和工作效率，本次移動觀測站連接測量平面控制部分采取CORS RTK動態觀測五分鐘，獨立觀測2次，并取平均值做為定位結果，當出現較差超限，增加觀測次數。

根據表一數據及相關文獻資料可知，CORS RTK測量平面精度受外界影響因素較小，而高程精度受影響較大。表一中，CORS RTK高程數據與實際高程較差部分很小，但某些時刻卻相差很大，如三分鐘時的3.67cm，五分鐘時的2.27cm及十分鐘時的-1.13cm等，

主要是受儀器高量取誤差、電離層折射、多路徑效應及地球高程異常等因素的影響，高程精度無法滿足連接測量高程要求。決定觀測站控制點高程連接測量采用三等水準觀測，12個測線控制點按兩條符合水準路線聯測許莊、高莊已知水準點。全面觀測采取四等水準。

為試驗目的，后期在兩條測線兩端各取一個高程控制點，對轉換模型再次擬合測區的似大地水準面。

4.2 移動監測

在應用CROS-RTK進行全面觀測過程中，為了提高內部符合精度，每測站觀測2次，每次觀測時間為1分鐘，儀器用腳架、對點器進行對中整平。為檢驗CROS-RTK高程數據的精度，采用四等水準測量方法對局部視線條件良好的16個監測點進行了水準觀測。經測量成果分析，CORS-GPS擬合高程與水準測量高程較差為2-10mm之間，完全滿足四等水準的精度要求。

本次監測工作目前已進行6期（兩次連接測量，四次全面觀測），連接測量觀測時采用三腳架對中，每站觀測三分鐘。全面觀測每站觀測1分鐘。總計155個觀測點，利用現有的兩臺CROS-RTK流動站兩人兩天就可以完成，較傳統方法，極大的提高了工作效率。

4.3 數據分析

通過對6期觀測成果資料的整理分析，H方向測量標準差最大為2.7 mm，最小為0.2 mm，點位中誤差見表2；可知RTK觀測滿足精度要求，而且其誤差分布均勻、穩定。

5 總結

通過CORS-RTK測量方法在171306工作面的實踐經驗可知：

（1）CORS RTK技術可以快速、準確地獲得測點平面位置，精度可達厘米級，完全能夠滿足礦山測量控制點的精度要求，且不需數據后處理直接得到測點的當地坐標，省去大量內業工作，極大提高了工作效率。

（2）使用CORS RTK定位時，當測區超出所建坐標轉換參數適用范圍時，應重新選擇均勻分布于測區外圍三個以上的高等級控制點求解相應的轉換參數。在高程方面，高程的轉換必須精確，要求盡量在測區內分布均勻的控制點上聯測，建議用水準測量提高高程測量精度，以求得比較精確的高程轉換參數。可以采用GPS水準擬合的方法得到高精度的區域似大地水準面。CORS-RTK擬合高程測量可以達到四等水準測量精度要求。精度滿足地表沉降觀測全面觀測及日常巡視測量的要求。

（3）CORS RTK可以部分取代常規測量方法進行礦區開采沉陷監測，其具有的高效、簡便、高精度、不必控制測量等優勢，使得礦區開采沉陷監測的效率得到了極大的提高，應用前景必將十分廣闊。但是，要注意在局部障礙地區初始化時間長或不能初始化，在信號不好的時候，無法固定解時。須配合常規測量方法，以避免出現較大測量誤差。

參考文獻：

[1]劉茂海.GPS技術在公路測量中的應用.呼倫貝爾學院學報，2004.02.29.

[2]王智超.單基站CORS-RTK精度測試與分析.大連理工大學碩士論文，2013，06，01.

[3]陳帥.基于RTK技術的開采沉陷監測系統的設計及實施.安徽理工大學碩士論文，2012，06，01.