單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS適用性比較

苗長青

（淮北礦業(yè)股份有限公司桃園煤礦地測科，安徽 淮北235000）

1 引 言

隨著無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和普及，應(yīng)用差分GPS定位技術(shù)而產(chǎn)生的連續(xù)運行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System）已成為獲取城市地理地理信息的基礎(chǔ)設(shè)施［1］.

作為目前進(jìn)行實時GPS定位應(yīng)用和研究熱點的相位差分是差分GPS技術(shù)的一種，基本上可分為二種類型，即廣域差分GPS和局域差分GPS.單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS分別是目前應(yīng)用較為廣泛的局域差分和廣域差分技術(shù)的兩種形式，RTK （Real Ti me Kinematic）是兩種系統(tǒng)在生產(chǎn)與生活中的主要應(yīng)用手段之一.

空間數(shù)據(jù)的實時獲取是建設(shè)數(shù)字城市的關(guān)鍵.大中城市、中小城市選擇單基站CORS或者網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)作為城市地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施，在對系統(tǒng)為建立數(shù)字城市而獲取空間地理數(shù)據(jù)和特征的要求外，還對信息數(shù)據(jù)采集的精度和實時性有較高的要求，以及這樣的設(shè)施能夠符合城市自身的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)狀況和發(fā)展規(guī)劃.

單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS在原理與建設(shè)費用等方面的巨大差異，使得它們不能單一的作為符合所有城市獲取空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的要求，自身的特點符合不同等級的城市對信息化的需求.比較單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS的優(yōu)缺點，分析測量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、精度，有一定的理論與實用價值.

2 單基站CORS的優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)是指在較大地域范圍內(nèi)布設(shè)多個 （三個或以上）基準(zhǔn)站，組成基準(zhǔn)站網(wǎng).通過無線網(wǎng)絡(luò)，以這些基準(zhǔn)站網(wǎng)中的一個或多個為參考站，計算和發(fā)送差分信息，對一定行政區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進(jìn)行實時改正的差分定位方式.單基站CORS系統(tǒng)是由一個連續(xù)運行基準(zhǔn)站組成，基準(zhǔn)站作用于一定作用范圍內(nèi)的GPS用戶.

通過數(shù)據(jù)中心，借助于無線網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給GPS用戶.與單基準(zhǔn)站CORS相比，該方法的主要優(yōu)點為覆蓋面廣、定位精度高.對RTK用戶而言，單基站CORS系統(tǒng)服務(wù)半徑目前可以在50 k m范圍內(nèi)達(dá)到厘米級定位.比較網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)，單基站CORS系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1）系統(tǒng)之間的兼容性較好；

2）系統(tǒng)容易進(jìn)行升級和擴(kuò)展；

3）系統(tǒng)建立、維護(hù)的成本低；

4）適合中小城市對信息化建設(shè)硬件設(shè)施的要求；

5）數(shù)學(xué)模型成熟；

6）系統(tǒng)運行更加安全、穩(wěn)定.

3 CORS系統(tǒng)適用性分析

3.1 轉(zhuǎn)換模型的比較

無論是單基站CORS系統(tǒng)，還是網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)，其定位都是相對于WGS－84地心坐標(biāo)系而言的，這對于中國所采用的北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系這兩種參心坐標(biāo)系而言，都需要對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用較為廣泛的有七參數(shù)模型［2］、四參數(shù)模型［3］，其數(shù)學(xué)模型分別為：

七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的轉(zhuǎn)換參數(shù)由已知點的空間坐標(biāo)求解，即空間三維直角坐標(biāo)或者大地坐標(biāo) （大地經(jīng)緯度、大地高）.中國現(xiàn)行的兩套參心坐標(biāo)系統(tǒng) （北京54、西安80）是用常規(guī)技術(shù)測設(shè)的二維坐標(biāo) （對于中國新一代地心坐標(biāo)系CGCS2000不做探討），點的坐標(biāo)用大地經(jīng)緯度或高斯平面坐標(biāo)來表示.點的大地高由地面點的正常高加概略的高程異常所得，已知橢球面上的大地高只有數(shù)米的精度，點間的大地高差精度也僅有米級.所以地面控制網(wǎng)的已知點中，只能提供一個點 （位置基準(zhǔn)點）的三維坐標(biāo)，其余已知點僅能提供經(jīng)緯度或高斯平面坐標(biāo)來作轉(zhuǎn)換［4］.

因此，由位置基準(zhǔn)點上的兩組三維坐標(biāo)可以確定兩類坐標(biāo)系之間的3個平移參數(shù)，余下的3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)及1個尺度參數(shù)是不可能利用七參數(shù)模型同時獨立求定的.對于中國兩套參心坐標(biāo)系，運用七參數(shù)模型并不能實現(xiàn)嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換.因此，在實際生產(chǎn)實踐及應(yīng)用中，對WGS－84定位成果進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時，是分為平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和似大地水準(zhǔn)面擬合單獨進(jìn)行［5］.平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換常選用上述四參數(shù)模型進(jìn)行.

3.2 實測數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)換模型適用性分析

CORS系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)控制中心設(shè)置，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的轉(zhuǎn)換精度直接影響用戶獲得的點位精度.大中城市的城市行政區(qū)域多達(dá)上萬平方公里，中小城市的城市行政區(qū)域多為千百平面公里.

為了驗證易于實現(xiàn)的四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型是否適用于CORS系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，運用實測數(shù)據(jù)對模型適用性進(jìn)行分析.在六千多平方公里的區(qū)域內(nèi)，對已知坐標(biāo)的控制點進(jìn)行GPS控制測量，獲得控制點在WGS－84坐標(biāo)框架下的坐標(biāo)；用分布于不同區(qū)域的控制點以三個為一組，按最小二乘算法，求解轉(zhuǎn)換模型的參數(shù)，其它已知點用來檢核坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度；以 （式3）［6］評定模型的內(nèi)符合精度，（式4）［6］評定模型的外符合精度：

控制點的已知坐標(biāo)與WGS－84坐標(biāo)框架下的空間三維直角坐標(biāo)經(jīng)高斯投影后的平面坐標(biāo)如表1［7］：模型轉(zhuǎn)換的精度如表2［7］：

表1 已知坐標(biāo)與投影后的平面坐標(biāo)

表2 模型轉(zhuǎn)換的精度

第一組數(shù)據(jù)的三個已知點5、3、8位于測區(qū)的東北角，第二組數(shù)據(jù)的三個已知點5、4、7均勻分布于測區(qū).比較兩組數(shù)據(jù)，檢核點的外符合精度較高，說明三個已知點求解模型參數(shù)時，均勻分布在測內(nèi)的控制點獲得的參數(shù)能更好的控制測區(qū).

由于已知點間的相對點位精度不一致，引起模型的內(nèi)符合精度并不是太高.模型求解的外符合精度隨著測區(qū)與控制點的距離呈衰減趨勢，因此，檢核點離已知點越遠(yuǎn)，點位中誤差越大.

上述分析說明，四參數(shù)模型只能在一定的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)較高精度的轉(zhuǎn)換，對于上萬平方公里的大中城市，網(wǎng)絡(luò)CORS的控制中心不宜選擇四參數(shù)模型做為坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型.而單基站CORS的RTK作業(yè)模式標(biāo)稱精度能夠在50 k m范圍內(nèi)實現(xiàn)厘米級定位，在這一區(qū)域范圍內(nèi)，通過表2的數(shù)據(jù)驗證，四參數(shù)模型適合單基站CORS坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換.

3.3 實測數(shù)據(jù)對單基站CORS適用性分析

表3 坐標(biāo)及中誤差

CORS系統(tǒng)作為城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施，要求它能在城市行政區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)實時厘米級定位精度，即RTK的測量精度應(yīng)達(dá)厘米級，甚至更高的精度.對于受到大中城市青睞的網(wǎng)絡(luò)CORS能夠達(dá)到這一要求，如廣州網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)能夠在城區(qū)8 000 k m2范圍內(nèi)實現(xiàn)實時厘米級定位精度［8］.但網(wǎng)絡(luò)CORS由于在建設(shè)經(jīng)費等方面的因素并不適合中小城市對城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的要求，相對于單基站CORS標(biāo)稱能夠在50 k m范圍內(nèi)實現(xiàn)厘米級定位精度，單基站CORS更適合中小城市的發(fā)展.利用已有的控制點，運用單基站CORS－RTK系統(tǒng)，對已有控制測量成果的控制點坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測，將控制坐標(biāo)作為RTK觀測值的期望值，進(jìn)行精度比較，統(tǒng)計它們的點位中誤差 （式3），如表3［7］所示.表中的觀測坐標(biāo)已運用CORS系統(tǒng)控制中心轉(zhuǎn)換模型實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換模型為四參數(shù)數(shù)學(xué)模型 （式2）.經(jīng)過坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的單基站CORS－RTK觀測數(shù)據(jù)，能夠在幾千平方公里范圍內(nèi)達(dá)到厘米級定位精度，而且它的建設(shè)成本低廉，比較適合中小城市的應(yīng)用.

4 結(jié) 論

根據(jù)實測數(shù)據(jù)對四參數(shù)模型是否適用于單基站CORS系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，對于中小城市選用單基站CORS而言，四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型簡便、易于實現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換.對于求解模型參數(shù)的公共點，應(yīng)選擇均勻分布于城市行政區(qū)域的控制點.對于單基站CORS實時定位精度，用RTK實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證，能夠滿足中小城市對數(shù)據(jù)的精度要求.

此外，單基站CORS系統(tǒng)具有建設(shè)、維護(hù)費用低、易于升級、安全、穩(wěn)定等方面的優(yōu)勢.就CORS而言，單基站CORS更適合中小城市的應(yīng)用.

［1］ 劉經(jīng)南，劉輝.連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)—城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施 ［J］.武漢大學(xué)學(xué)報：信息科學(xué)版，2003，（03）：259－264

［2］ 劉大杰，施一民.全球定位系統(tǒng)的原理與數(shù)據(jù)處理 ［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1996

［3］ 姚宜斌.平面坐標(biāo)系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換的一種簡便算法 ［J］.測繪與信息工程，2001，（01）：1－3

［4］ 施一民.現(xiàn)代大地控制測量 ［M］.北京：測繪出版社，2003：5－39

［5］ 周志富.阜新市區(qū)似大地水準(zhǔn)面擬合研究 ［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007

［6］ 武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ) ［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2003

［7］ 陶葉青.單基站CORS－RTK精度分析與測量數(shù)據(jù)處理 ［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2010

［8］ 楊光，方鋒，祁芳.GZCORS系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用 ［J］.地理空間信息，2007，（03）：20－22