應用大連CORS的工程測量案例分析

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

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

中圖分類號：TB22 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-0-02

大連市連續(xù)運行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務系統(tǒng)建設完成后開始在城市測量中進行試運行作業(yè)。在CORS系統(tǒng)中流動站測量點位精度受到衛(wèi)星分布、電離層干擾、基準站數(shù)據(jù)等多因素的影響，相比于常規(guī)光電測量方法、靜態(tài)GPS測量，更加具有質(zhì)量控制不確定性?，F(xiàn)行的城市測量規(guī)范或者是國家全球定位系統(tǒng)等各類技術(shù)規(guī)程，對于RTK測量尤其是CORS RTK測量質(zhì)量控制問題缺乏可循條文。

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實時定位測量精度的可能因素有測站衛(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。如圖1所示。

圖1 CORS系統(tǒng)中RTK作業(yè)誤差的影響因素

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)以及武漢大學的網(wǎng)絡綜合誤差內(nèi)插法。這幾個算法各有其特點，并且都有成功應用案例，尤其是VRS技術(shù)和主副站技術(shù)已經(jīng)在世界多個城市、地區(qū)級網(wǎng)絡建設中得到普及應用。不論哪種CORS算法，它們都是采用同一種思想，就是將全網(wǎng)架設的所有基準站的數(shù)據(jù)發(fā)送到一個數(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)。

CORS采用VRS技術(shù)，它是當RTK用戶在工作前，先通過無線網(wǎng)絡發(fā)送GGA格式的概略坐標給控制中心，控制中心收到這個位置信息后，根據(jù)用戶位置，由計算機自動選擇最佳的一組固定基準站，根據(jù)這些站發(fā)來的信息，整體的改正GPs的軌道誤差、電離層、對流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號發(fā)給移動站。

1.2 GPS衛(wèi)星誤差影響

同靜態(tài)GPS觀測、常規(guī)RTK作業(yè)一樣，CORS中RTK作業(yè)也受到GPS衛(wèi)星的各項誤差影響，有GPS衛(wèi)星信號傳輸上產(chǎn)生的對流層、電離層以及多路徑影響，也有因為RTK作業(yè)時上空收到的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)目對于這種瞬時的RTK作業(yè)來說，產(chǎn)生的影響更大于靜態(tài)GPS觀測。在同個測量點因為不同觀測時刻衛(wèi)星分布產(chǎn)生的測量結(jié)果較差最大可以達到分米級。所以選擇良好的觀測時段、衛(wèi)星觀測窗口尤為重要。

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?；鶞收镜綌?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)處理軟件要求基準站到數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡延時要小于200 ms。在CORS中，基準站數(shù)據(jù)通信租用光纖專線。數(shù)據(jù)中心將網(wǎng)絡差分改正數(shù)據(jù)發(fā)送回用戶采用無線通信方式，無線通信的質(zhì)量會很大影響中心的數(shù)據(jù)能否及時、可靠地傳輸給用戶。

2 質(zhì)量控制方法

在常規(guī)邊角控制網(wǎng)中，我們使用測邊、測角中誤差、邊長相對中誤差以及環(huán)線、附和線路閉合差等進行質(zhì)量檢驗。靜態(tài)GPs控制網(wǎng)可以從環(huán)閉合差、點位中誤差、基線相對精度來對GPs控制網(wǎng)進行檢定。CORS系統(tǒng)中流動站測量的控制點具有相對的獨立性，和網(wǎng)絡基準站的關系是非線性的，使得測量工作中，如何控制測量精度具有難度。在CORS系統(tǒng)中RTK作業(yè)的質(zhì)量控制主要從CORS系統(tǒng)設置、作業(yè)方法、輔助觀測方法檢測3個部分進行。CORS系統(tǒng)設置主要利用CORS數(shù)據(jù)中心管理軟件以及系統(tǒng)監(jiān)控站

進行。

2.1 CORS系統(tǒng)設置進行系統(tǒng)運行可靠性

監(jiān)測

在CORS網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)建設一個永久性流動站，監(jiān)控系統(tǒng)的運算可靠性。監(jiān)控站設在數(shù)據(jù)中心大樓頂，便于和數(shù)據(jù)中心有線連接。監(jiān)控站設備為一臺Trimble R7流動站儀器。大樓天面的觀測墩上安置Trimble zephyr Geodetic天線，天線通過線纜接入到擱置在數(shù)據(jù)中心R7接收機數(shù)據(jù)端口。數(shù)據(jù)中心管理軟件設置一個COM口輸出的RTCM差分數(shù)據(jù)發(fā)生器，差分數(shù)據(jù)通過線纜直接接入到接收機的Port3口，RTK手簿控制接收機的作業(yè)狀態(tài)，接收機主機的Port 2口設置為輸出NMEA格式的定位坐標到計算機，計算機的監(jiān)控分析軟件實時跟蹤分析監(jiān)控站的差分定位結(jié)果，當監(jiān)控站定位結(jié)果超過限差值時自動發(fā)出報警信號。

2.2 CORS RTK作業(yè)方法控制

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

（1）大連地區(qū)處于低緯度電離層活躍帶，尤其夏秋季節(jié)因電離層擾動頻繁嚴重影響RTK實時作業(yè)精度。觀察CORS系統(tǒng)管理軟件中對網(wǎng)絡電離層影響跟蹤分析圖，避開電離層影響峰值時段。

（2）在RTK控制點測量模式下，我們要求測量員擺設腳架，基座對中整平，減少因RTK對中桿傾斜造成的儀器對中誤差。

（3）上點測量時，先進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，避免剛上點時固定解解算的整周模糊度錯誤。

2.3 輔助觀測手段進行檢測

在城市測量中，RTK控制點很大程度是為滿足圖根導線布設需要，所以在應用中，我們建議采用全站儀作為RTK測量結(jié)果檢測的輔助觀測手段進行。全站儀觀測RTK對點的邊長、高差以及3個點以上互為通視時的夾角。成對布設的控制點作為起算點時需要使用全站儀進行邊長和高差檢核，根據(jù)《城市測量規(guī)范》中一級圖根控制點要求，邊長相對誤差較差≤±1/5 000，檢測高差與CORS測設較差≤±0.4×5 m（5為觀測斜距，單位為千米），3個以上點需要檢測角度較差，角度較差≤±60″。

3 測量結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測站監(jiān)測結(jié)果分析

監(jiān)測站24 h連續(xù)進行實時RTK測量，測量的時間間隔為5 s，記錄RTK結(jié)果值，由監(jiān)測站的已知坐標，計算各個歷元定位結(jié)果的誤差值，以系統(tǒng)設計平面3 cm精度、高程5 cm精度作為限差，統(tǒng)計誤差值超過限差的定位坐標個數(shù)，計算超限定位觀測數(shù)量占全部觀測數(shù)量的百分比。

將記錄數(shù)據(jù)進行圖上展點，以已知點位為圓心，作半徑為3 cm的圓形，可以發(fā)現(xiàn)記錄點位匯集在圓心位置。

按照<0.010 m、0.010～0.030 m、0.030～0.050 m、>0.050 m等區(qū)間對定位結(jié)果進行統(tǒng)計，結(jié)果表明，約96.8%的平面偏差小于0.030 m，約95.1%點位的垂直偏差小于0.050 m。基本滿足全天RTK作業(yè)可用性為95%的指標要求。

3.2 RTK作業(yè)結(jié)果分析

測量作業(yè)隊于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)字化地形圖控制點測量任務，共測量一級圖根控制點245點，統(tǒng)計分析圖根控制點的二次測量較差、全站儀檢測邊長、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)的點位精度。

（1）在該次作業(yè)中，我們檢測了10%數(shù)量的已知點，比對RTK測量結(jié)果和已知點的較差，依舊采用靜態(tài)GPS測量或者導線測量得到的坐標值作為已知值，平面較差中誤差統(tǒng)計公式為，高程較差中誤差統(tǒng)計公式為：控制點觀測結(jié)果與已知值較差，凡為統(tǒng)計點個數(shù)，統(tǒng)計較差中誤差如表1所示。

（2）RTK控制點中選取了50%以上的測量點進行了多時段的重復測量，比較重復測量結(jié)果，平面較差中誤差統(tǒng)計公式為：，高程較差中誤差統(tǒng)計公式為：

△′為RTK控制點間隔時段觀測結(jié)果與首次測量結(jié)果較差。統(tǒng)計所有重復測量檢測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）采用全站儀觀測作為輔助檢測手段，分析檢測邊長j高差、角度3項的中誤差及最大較差值，全站儀共檢測邊長85條，高差85個，角度23個，以中誤差統(tǒng)計公式

計算各項檢核中誤差，△′為RTK測量點對計算邊長、高程較差及3個以上點夾角與利用全站儀觀測得到的邊長、高差、角度比較差值，從檢測比較的結(jié)果來看，CORS RTK測量點可以達到一級圖根控制點的精度要求。

4 結(jié)語

CORS中RTK作業(yè)精度受到多方面因素的影響，為了確保實時測量點位精度，我院采用了多方面措施完善系統(tǒng)作業(yè)。系統(tǒng)監(jiān)控站可以實時監(jiān)控系統(tǒng)的算法可靠性，監(jiān)控站的監(jiān)測結(jié)果說明系統(tǒng)長時間的差分處理是穩(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、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一步檢測測量結(jié)果的可靠性。如此種種手段，會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，是測量手段的一次巨大變革，在相應的規(guī)程確定前，我們采用的質(zhì)量控制方法確保了實時測量點位的精度。

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