應(yīng)用CORS技術(shù)的城市工程測(cè)量技術(shù)研究

姜波　劉琪

摘 要：該文基于筆者多年從事城市工程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以某1：500測(cè)量任務(wù)為工程背景，探討了基于CORS系統(tǒng)的RTK測(cè)量誤差的來源、質(zhì)量控制的方法與精度分析評(píng)價(jià)，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：CORS系統(tǒng) RTK作業(yè) 質(zhì)量控制 精度分析

中圖分類號(hào)：TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）03（c）-0-02

成都幅員面積12390 km2；管轄9個(gè)區(qū)、6個(gè)縣，代管4個(gè)縣級(jí)市；常住人口14047625人，名列副省級(jí)城市第一。2007年6月7日，成都市全國(guó)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)正式獲得國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，成為繼上海市浦東新區(qū)和天津市濱海新區(qū)之后的又一個(gè)全國(guó)統(tǒng)籌城鄉(xiāng)綜合配套改革試驗(yàn)區(qū)。為了滿足測(cè)繪生產(chǎn)與城市信息化的需要，建立了成都衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行定位系統(tǒng)（CORS）。

1 CORS系統(tǒng)中RTK作業(yè)誤差的影響因素

在CORS系統(tǒng)中影響RTK實(shí)時(shí)定位測(cè)量精度的可能因素有測(cè)站衛(wèi)星分布情況（可用衛(wèi)星數(shù)和衛(wèi)星天空幾何分布）、通信質(zhì)量狀況（是否收到VRS改正信息）、系統(tǒng)定位算法的優(yōu)劣等。

1.1 系統(tǒng)處理軟件算法的優(yōu)劣

CORS系統(tǒng)中有幾大網(wǎng)絡(luò)誤差算法，主要代表是Trimble公司的VRS（虛擬參考站）技術(shù)，Leica公司的主副站技術(shù)以及武漢大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)綜合誤差內(nèi)插法。這幾個(gè)算法各有其特點(diǎn)，并且都有成功應(yīng)用案例，尤其是VRS技術(shù)和主副站技術(shù)已經(jīng)在世界多個(gè)城市、地區(qū)級(jí)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中得到普及應(yīng)用。不論哪種CORS算法，它們都是采用同一種思想，就是將全網(wǎng)架設(shè)的所有基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，經(jīng)過解算，然后統(tǒng)一發(fā)送改正數(shù)據(jù)。

1.2 GPS衛(wèi)星誤差影響

同靜態(tài)GPS觀測(cè)、常規(guī)RTK作業(yè)一樣，CORS中RTK作業(yè)也受到GPS衛(wèi)星的各項(xiàng)誤差影響，有GPS衛(wèi)星信號(hào)傳輸上產(chǎn)生的對(duì)流層、電離層以及多路徑影響，也有因?yàn)镽TK作業(yè)時(shí)上空收到的GPs衛(wèi)星分布以及衛(wèi)星數(shù)目的影響，而且衛(wèi)星分布與衛(wèi)星數(shù)目對(duì)于這種瞬時(shí)的RTK作業(yè)來說，產(chǎn)生的影響更大于靜態(tài)GPS觀測(cè)。在同個(gè)測(cè)量點(diǎn)因?yàn)椴煌^測(cè)時(shí)刻衛(wèi)星分布產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果較差最大可以達(dá)到分米級(jí)。所以選擇良好的觀測(cè)時(shí)段、衛(wèi)星觀測(cè)窗口尤為重要。

1.3 數(shù)據(jù)通信質(zhì)量的好壞

CORS中的數(shù)據(jù)通信鏈路包括兩方面，一是基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸，另一就是數(shù)據(jù)中心到RTK用戶的無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路?；鶞?zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸量大，一般采用專線或者數(shù)字電路等方式，對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性要求非常高，VRS數(shù)據(jù)處理軟件要求基準(zhǔn)站到數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)要小于200 ms。在CORS中，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通信租用光纖專線。數(shù)據(jù)中心將網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)據(jù)發(fā)送回用戶采用無線通信方式，無線通信的質(zhì)量會(huì)很大影響中心的數(shù)據(jù)能否及時(shí)、可靠地傳輸給用戶。目前較為理想的無線通信方式有GPRS和CDMA，但在移動(dòng)或者聯(lián)通個(gè)別信號(hào)基站覆蓋薄弱地區(qū)，都會(huì)使得CORS中RTK作業(yè)無法進(jìn)行。從這個(gè)角度來看，CORS網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用很大程度上還依賴于通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的發(fā)展、普及程度，我們可以預(yù)想隨著3G技術(shù)的到來，會(huì)打開這個(gè)瓶頸。

2 質(zhì)量控制方法

在常規(guī)邊角控制網(wǎng)中，我們使用測(cè)邊、測(cè)角中誤差、邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差以及環(huán)線、附和線路閉合差等進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。靜態(tài)GPs控制網(wǎng)可以從環(huán)閉合差、點(diǎn)位中誤差、基線相對(duì)精度來對(duì)GPs控制網(wǎng)進(jìn)行檢定。CORS系統(tǒng)中流動(dòng)站測(cè)量的控制點(diǎn)具有相對(duì)的獨(dú)立性，和網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的關(guān)系是非線性的，使得測(cè)量工作中，如何控制測(cè)量精度具有難度。在CORS系統(tǒng)中RTK作業(yè)的質(zhì)量控制主要從CORS系統(tǒng)設(shè)置、作業(yè)方法、輔助觀測(cè)方法檢測(cè)3個(gè)部分進(jìn)行。CORS系統(tǒng)設(shè)置主要利用CORS數(shù)據(jù)中心管理軟件以及系統(tǒng)監(jiān)控站進(jìn)行（如圖1所示）。

2.1 CORS系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行可靠性監(jiān)測(cè)

在CORS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)建設(shè)一個(gè)永久性流動(dòng)站，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)算可靠性。監(jiān)控站設(shè)在數(shù)據(jù)中心大樓頂，便于和數(shù)據(jù)中心有線連接。監(jiān)控站設(shè)備為一臺(tái)Trimble R7流動(dòng)站儀器。大樓天面的觀測(cè)墩上安置Trimble zephyr Geodetic天線，天線通過線纜接入到擱置在數(shù)據(jù)中心R7接收機(jī)數(shù)據(jù)端口。數(shù)據(jù)中心管理軟件設(shè)置一個(gè)COM口輸出的RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)生器，差分?jǐn)?shù)據(jù)通過線纜直接接入到接收機(jī)的Port3口，RTK手簿控制接收機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，接收機(jī)主機(jī)的Port 2口設(shè)置為輸出NMEA格式的定位坐標(biāo)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的監(jiān)控分析軟件實(shí)時(shí)跟蹤分析監(jiān)控站的差分定位結(jié)果，當(dāng)監(jiān)控站定位結(jié)果超過限差值時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2 CORS RTK作業(yè)方法控制

CORS系統(tǒng)中可以改進(jìn)RTK作業(yè)方法來提高RTK作業(yè)精度。通過大量的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，RTK作業(yè)過程中通過優(yōu)化作業(yè)過程，可以適時(shí)發(fā)現(xiàn)儀器擺設(shè)、接收機(jī)整周模糊度解算錯(cuò)誤以及電離層誤差等影響。采用的優(yōu)化作業(yè)方法有：

（1）成都地區(qū)處于低緯度電離層活躍帶，尤其夏秋季節(jié)因電離層擾動(dòng)頻繁嚴(yán)重影響RTK實(shí)時(shí)作業(yè)精度。觀察CORS系統(tǒng)管理軟件中對(duì)網(wǎng)絡(luò)電離層影響跟蹤分析圖，避開電離層影響峰值時(shí)段。（2）在RTK控制點(diǎn)測(cè)量模式下，我們要求測(cè)量員擺設(shè)腳架，基座對(duì)中整平，減少因RTK對(duì)中桿傾斜造成的儀器對(duì)中誤差。（3）上點(diǎn)測(cè)量時(shí)，先進(jìn)行整周模糊度首次解算，不記錄該次固定解結(jié)果，手簿記錄第二次固定解的結(jié)果，避免剛上點(diǎn)時(shí)固定解解算的整周模糊度錯(cuò)誤。記錄連續(xù)2次重新初始化后的固定解值，根據(jù)CORS系統(tǒng)2006年9～11月份大量測(cè)試數(shù)據(jù)論證，同時(shí)段2次觀測(cè)值較差應(yīng)該達(dá)到平面≤±3 cm，高程較差≤±4 cm，超出較差的點(diǎn)需要重新觀測(cè)檢核，取2次測(cè)量控制點(diǎn)平均值作為結(jié)果。（4）每個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)2次以上的固定解測(cè)量，并且選擇50%以上的RTK點(diǎn)，間隔4 h以上重復(fù)上點(diǎn)測(cè)量，避免因衛(wèi)星分布、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)目等因素造成的影響，重復(fù)測(cè)量與上個(gè)時(shí)段測(cè)量的較差平面≤±5 cm，高程較差≤±7 cm。

2.3 輔助觀測(cè)手段進(jìn)行檢測(cè)

在城市測(cè)量中，RTK控制點(diǎn)很大程度是為滿足圖根導(dǎo)線布設(shè)需要，所以在應(yīng)用中，我們建議采用全站儀作為RTK測(cè)量結(jié)果檢測(cè)的輔助觀測(cè)手段進(jìn)行。全站儀觀測(cè)RTK對(duì)點(diǎn)的邊長(zhǎng)、高差以及3個(gè)點(diǎn)以上互為通視時(shí)的夾角。成對(duì)布設(shè)的控制點(diǎn)作為起算點(diǎn)時(shí)需要使用全站儀進(jìn)行邊長(zhǎng)和高差檢核，根據(jù)《城市測(cè)量規(guī)范》中一級(jí)圖根控制點(diǎn)要求，邊長(zhǎng)相對(duì)誤差較差≤±1/5 000，檢測(cè)高差與CORS測(cè)設(shè)較差≤±0.4×5 m（5為觀測(cè)斜距，單位為km），3個(gè)以上點(diǎn)需要檢測(cè)角度較差，角度較差≤±60″。

3 測(cè)量結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)站24 h連續(xù)進(jìn)行實(shí)時(shí)RTK測(cè)量，測(cè)量的時(shí)間間隔為5 s，記錄RTK結(jié)果值，由監(jiān)測(cè)站的已知坐標(biāo)，計(jì)算各個(gè)歷元定位結(jié)果的誤差值，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)平面3 cm精度、高程5 cm精度作為限差，統(tǒng)計(jì)誤差值超過限差的定位坐標(biāo)個(gè)數(shù)，計(jì)算超限定位觀測(cè)數(shù)量占全部觀測(cè)數(shù)量的百分比。

將記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行圖上展點(diǎn)，可以得到圖l所示的記錄點(diǎn)分布示意圖。以已知點(diǎn)位為圓心，作半徑為3 cm的圓形，可以發(fā)現(xiàn)記錄點(diǎn)位匯集在圓心位置。

按照<0.010 m、0.010-0.030 m、0.030～0.050 m、>0.050 m等區(qū)間對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，約96.8%的平面偏差小于0.030 m，約95.1%點(diǎn)位的垂直偏差小于0.050 m?；緷M足全天RTK作業(yè)可用性為95%的指標(biāo)要求。

3.2 RTK作業(yè)結(jié)果分析

測(cè)量作業(yè)隊(duì)于2010年5～6月份采用CORS RTK作業(yè)方式完成了17 km2的1：500數(shù)字化地形圖控制點(diǎn)測(cè)量任務(wù)，共測(cè)量一級(jí)圖根控制點(diǎn)245點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)分析圖根控制點(diǎn)的二次測(cè)量較差、全站儀檢測(cè)邊長(zhǎng)、高差、角度等較差，從比較的結(jié)果來看，采用的質(zhì)量控制措施可以保證RTK作業(yè)的點(diǎn)位精度。

（1）在該次作業(yè)中，我們檢測(cè)了10%數(shù)量的已知點(diǎn)，比對(duì)RTK測(cè)量結(jié)果和已知點(diǎn)的較差，依舊采用靜態(tài)GPS測(cè)量或者導(dǎo)線測(cè)量得到的坐標(biāo)值作為已知值，平面較差中誤差統(tǒng)計(jì)公式為，高程較差中誤差統(tǒng)計(jì)公式為：控制點(diǎn)觀測(cè)結(jié)果與已知值較差，凡為統(tǒng)計(jì)點(diǎn)個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)較差中誤差如表1下。

（2）RTK控制點(diǎn)中選取了50%以上的測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行了多時(shí)段的重復(fù)測(cè)量，比較重復(fù)測(cè)量結(jié)果，平面較差中誤差統(tǒng)計(jì)公式為：，高程較差中誤差統(tǒng)計(jì)公式為：，△′為RTK控制點(diǎn)間隔時(shí)段觀測(cè)結(jié)果與首次測(cè)量結(jié)果較差。統(tǒng)計(jì)所有重復(fù)測(cè)量檢測(cè)較差中誤差得平面較差中誤差為±0.012 m，高程較差±0.014 m。由RTK點(diǎn)較差比較結(jié)果得到平面較差最大為0.033 m，高程較差最大為0.038 m，全部小于質(zhì)量控制較差的限值。

（3）采用全站儀觀測(cè)作為輔助檢測(cè)手段，分析檢測(cè)邊長(zhǎng)j高差、角度3項(xiàng)的中誤差及最大較差值，全站儀共檢測(cè)邊長(zhǎng)85條，高差85個(gè)，角度23個(gè)，以中誤差統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算各項(xiàng)檢核中誤差，△′為RTK測(cè)量點(diǎn)對(duì)計(jì)算邊長(zhǎng)、高程較差及3個(gè)以上點(diǎn)夾角與利用全站儀觀測(cè)得到的邊長(zhǎng)、高差、角度比較差值，從檢測(cè)比較的結(jié)果來看，CORS RTK測(cè)量點(diǎn)可以達(dá)到一級(jí)圖根控制點(diǎn)的精度要求。

4 結(jié)語

CORS中RTK作業(yè)精度受到多方面因素的影響，為了確保實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)位精度，我院采用了多方面措施完善系統(tǒng)作業(yè)。系統(tǒng)監(jiān)控站可以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的算法可靠性，監(jiān)控站的監(jiān)測(cè)結(jié)果說明系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的差分處理是穩(wěn)定可靠的；野外作業(yè)采用更為合理的作業(yè)手段，減少因衛(wèi)星分布、通信延時(shí)、電離層影響等因素產(chǎn)生的精度損耗；采用全站儀的輔助手段也是為了進(jìn)一步檢測(cè)測(cè)量結(jié)果的可靠性。如此種種手段，會(huì)增加一定程度的作業(yè)量，但是CORS RTK作業(yè)是一種新見的作業(yè)方式，是測(cè)量手段的一次巨大變革，在相應(yīng)的規(guī)程確定前，我們采用的質(zhì)量控制方法確保了實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)位的精度。

參考文獻(xiàn)

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