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

石力，葉水全，梁剛

(重慶市勘測(cè)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(cè)量中的應(yīng)用與淺析

石力?，葉水全，梁剛

(重慶市勘測(cè)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(diǎn)，在區(qū)域性測(cè)區(qū)進(jìn)行控制測(cè)量，分析其精度完全能夠滿(mǎn)足城市三級(jí)控制點(diǎn)的要求。

GPS；VRS；控制測(cè)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(cè)量控制點(diǎn)被破壞，影響城市測(cè)量的進(jìn)度。如何快速精確地提供測(cè)量控制點(diǎn)，直接影響城市勘測(cè)工作的效率。常規(guī)控制測(cè)量要求點(diǎn)間通視，人為因素干擾較大、費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且精度不均勻；GPS靜態(tài)測(cè)量，點(diǎn)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(shí)時(shí)知道定位結(jié)果；基站RTK技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，需要在測(cè)區(qū)附近建立一個(gè)基準(zhǔn)站，由于受到了電離層和對(duì)流層影響的限制，移動(dòng)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(cè)量員進(jìn)入測(cè)區(qū)的任何一點(diǎn)就能立即開(kāi)始GPS高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK測(cè)量，這一定位理論思想采用了固定參考站網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(jí)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(yùn)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(diǎn)測(cè)量，有利于工作的開(kāi)展。通過(guò)內(nèi)業(yè)計(jì)算檢核以及外業(yè)實(shí)地測(cè)邊檢核，證明該測(cè)量成果精度能完全滿(mǎn)足地形測(cè)圖要求。

2 VRS的工作原理和方法

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

VRS的工作原理:固定參考站的GPS觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過(guò)通訊鏈不停地傳送到VRS中央服務(wù)器，對(duì)每臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，去除大的粗差并修正周跳，完成對(duì)數(shù)據(jù)完善性檢測(cè)，中央服務(wù)器會(huì)通過(guò)分析雙差觀測(cè)量來(lái)計(jì)算電離層誤差、對(duì)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(gè)固定參考站的觀測(cè)信息并計(jì)算電離層、對(duì)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(cè)值計(jì)算每條基線上各種誤差源產(chǎn)生的實(shí)際誤差的綜合誤差；

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

(5)用戶(hù)把自己的粗略位置通過(guò)移動(dòng)電話(huà)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(gè)虛擬基準(zhǔn)站。此時(shí)虛擬站距離用戶(hù)站只有20 m～40 m，與用戶(hù)站構(gòu)成短基線差分。用戶(hù)可以把虛擬基準(zhǔn)站當(dāng)作普通基準(zhǔn)站使用。對(duì)于實(shí)時(shí)用戶(hù)，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(hù)，對(duì)于后處理用戶(hù)，虛擬基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)可以按照RINEX格式存貯；

(6)用戶(hù)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(hù)的位置。

3 VRS的在實(shí)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(cè)量為例。

3.1 準(zhǔn)備工作

(1)點(diǎn)位選擇

點(diǎn)位的基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長(zhǎng)期保留，被測(cè)衛(wèi)星的地平高度角應(yīng)大于15度，周邊無(wú)建筑物阻擋。點(diǎn)位應(yīng)遠(yuǎn)離高壓線、無(wú)線電發(fā)射源等(如電視、電臺(tái)發(fā)射塔、微波站等)，以避免周?chē)艌?chǎng)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)的干擾；盡量避開(kāi)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(guó)天寶儀器公司生產(chǎn)的Trimble 5800雙頻接收機(jī)，及TSC2測(cè)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(cè)各種功能。

(3)作業(yè)時(shí)段的選擇

作業(yè)前一天觀看衛(wèi)星星歷，選擇最佳的時(shí)段進(jìn)行RTK作業(yè)，以保證RTK測(cè)量精度。作業(yè)時(shí)應(yīng)查看衛(wèi)星的數(shù)量和位置，觀測(cè)時(shí)間應(yīng)選在點(diǎn)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(shí)間段。

3.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)

GPS所測(cè)的WGS－84大地坐標(biāo)在大多數(shù)工程應(yīng)用中沒(méi)有太大意義，實(shí)際需要將GPS觀測(cè)的WGS－84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)。對(duì)于WGS－84坐標(biāo)到重慶市當(dāng)?shù)鬲?dú)立坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，我們可以采用高斯投影的方法，這時(shí)需要確定WGS－84坐標(biāo)與重慶市獨(dú)立坐標(biāo)兩個(gè)大地測(cè)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(duì)于大范圍的測(cè)區(qū)，需要采用七參數(shù)法，但通常情況下，對(duì)于一定區(qū)域內(nèi)的工程測(cè)量應(yīng)用，我們可以利用以往的控制點(diǎn)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(diǎn)的選擇

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

(2)轉(zhuǎn)換參數(shù)的解算

采用美國(guó)天寶公司GPS隨機(jī)軟件Trimble Geomatics Office(TGO)，在該軟件上建立項(xiàng)目，對(duì)校正點(diǎn)的重慶獨(dú)立系坐標(biāo)和WGS－84坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)校正。為了檢驗(yàn)校正點(diǎn)的兩套坐標(biāo)的兼容性，應(yīng)逐點(diǎn)查閱轉(zhuǎn)換到市獨(dú)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(shí)，可以輸出轉(zhuǎn)換參數(shù)DC格式的測(cè)量控制器文件，將文件導(dǎo)入測(cè)量控制器手簿，就可在外業(yè)測(cè)量出待測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的市獨(dú)立坐標(biāo)系坐標(biāo)。

3.3 外業(yè)測(cè)量

外業(yè)測(cè)量時(shí)，必須使用腳架對(duì)中方式，儀器必須嚴(yán)格對(duì)中整平。開(kāi)機(jī)后，接收機(jī)與手簿用藍(lán)牙連接。首先用GPRS或CDMA等無(wú)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(cè)量，因?yàn)榇藭r(shí)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(cè)值穩(wěn)定后，就可以進(jìn)行RTK測(cè)量。

測(cè)量點(diǎn)時(shí)，必須將待測(cè)點(diǎn)名，編碼，儀器高輸入。建議每點(diǎn)測(cè)量至少25 s，也可以根據(jù)實(shí)際施測(cè)條件，適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。當(dāng)觀測(cè)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(shí)，可以保存。連續(xù)測(cè)量測(cè)出一組數(shù)據(jù)后，斷開(kāi)聯(lián)接，重新完成初始化，再測(cè)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(cè)值，再取剩下觀測(cè)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(duì)相鄰控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)邊檢校，與RTK所測(cè)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(zhǎng)及高差與全站儀測(cè)量的邊長(zhǎng)及高差的對(duì)比表。

RTK反算與全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比表 表1

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根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》，在1∶500測(cè)圖中，要求控制點(diǎn)相對(duì)于起算點(diǎn)的點(diǎn)位誤差不超過(guò)50 mm；高程中誤差不得大于測(cè)圖基本等高距的1/10，即50 mm。通過(guò)表1可以看到，利用VRS所測(cè)的坐標(biāo)反算距離與用全站儀測(cè)得的相鄰點(diǎn)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(mǎn)足城市三級(jí)控制點(diǎn)的要求。而高差較差最大為30 mm，也能滿(mǎn)足測(cè)圖的需要。

RTK檢校點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表 表2

由于衛(wèi)星狀態(tài)、參考站狀況、天氣因素、GPRS信號(hào)以及地形影響，利用VRS測(cè)量出的數(shù)據(jù)具有8%左右的失敗率，為了杜絕錯(cuò)誤，我們還需要對(duì)已知點(diǎn)進(jìn)行檢校，就是與已知點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

檢校點(diǎn)一般取城市一級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)及一級(jí)以上的靜態(tài)GPS點(diǎn)，特殊情況下，檢校城市二級(jí)導(dǎo)線點(diǎn)也可以。表2是RTK測(cè)量坐標(biāo)與已知控制點(diǎn)坐標(biāo)的對(duì)比。

由表2可以看到，RTK測(cè)點(diǎn)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(cè)量的數(shù)據(jù)是可靠的。

4 結(jié) 論

利用VRS作控制測(cè)量，相比傳統(tǒng)的控制測(cè)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(diǎn)是顯而易見(jiàn)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(duì)高程精度要求較高的地方，還是需要采用常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量。在城市高樓林立的地方，或者在郊區(qū)GPRS信號(hào)不好的地方，RTK是很難進(jìn)行測(cè)量的，因此，RTK配合常規(guī)控制測(cè)量是必要的。

[1]王廣運(yùn)，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(cè)，2002(2):5～8

[3]重慶市勘測(cè)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(cè)量原理與應(yīng)用[M].北京:測(cè)繪出版社，1997

[5]CJJ8－99.城市測(cè)量規(guī)范[S].

[6]魏二虎，黃勁松.GPS測(cè)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(cè)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(cè)量技術(shù)工作。