廈門市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（XMCORS）建設(shè)與應(yīng)用

李威

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廈門市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（XMCORS）建設(shè)與應(yīng)用

李威

（福建省鼎堅建設(shè)發(fā)展有限公司 福建廈門 361006）

城市區(qū)域CORS系統(tǒng)的建立，為城市測繪提供了參考基準(zhǔn)，同時也實現(xiàn)了全天候不間斷RTK定位差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)。現(xiàn)以廈門市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（XMCORS）為例，介紹了系統(tǒng)建設(shè)的一般過程，通過實測檢驗系統(tǒng)運行的正確和穩(wěn)定性，對CORS系統(tǒng)的再建及RTK作業(yè)有一定的參考意義。

CORS RTK

1 引言

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（CORS）是在研究區(qū)域范圍內(nèi)，建立由若干個連續(xù)運行參考站、通信鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶終端構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)，實時地向用戶提供不同類型的GNSS觀測值（載波相位、偽距）等，以及其他服務(wù)的系統(tǒng)[1]。

目前，全國已有多個區(qū)域、多個行業(yè)的CORS系統(tǒng)，多數(shù)地區(qū)未能實現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)的聯(lián)網(wǎng)。廈門市趁著福建省CORS建設(shè)的東風(fēng)，于2010年建成了市級的CORS網(wǎng)絡(luò)并運行至今，取得了良好的效果。

2 參考站的選址和建設(shè)

2.1 參考站選址

參考站的選址十分重要，因其觀測質(zhì)量直接影響到差分?jǐn)?shù)據(jù)生成及RTK定位精度，除了滿足參考站網(wǎng)之間構(gòu)成良好的幾何圖形外，應(yīng)根據(jù)以下原則進(jìn)行[2]：

1）遠(yuǎn)離周邊的高大建筑、樹、水體、海灘和易積水地帶，其距離不小于200m；

2）遠(yuǎn)離電磁干擾區(qū)（微波站、無線電發(fā)射臺、高壓線穿越地帶等）和雷擊區(qū)，其距離不小于200m；

3）應(yīng)有10°以上的地平高度角衛(wèi)星通視條件；

4）參考站應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域：斷層破碎帶，易于發(fā)生滑坡、沉陷等局部變形的地點（如采礦區(qū)、油氣開采區(qū)、地下水漏斗沉降區(qū)等），易受水淹或地下水位變化較大的地點。

此外，選點時應(yīng)考慮到便于接入公共通信網(wǎng)絡(luò)，具有穩(wěn)定、安全可靠的交流電電源以及交通便利，便于人員往來和車輛運輸。圖1為最終選址后的參考站點分布圖，北部地處山區(qū)，網(wǎng)點間距略大于南部城區(qū)范圍，網(wǎng)點間平均間距26公里。

2.2 站點硬件設(shè)備架設(shè)

各站點的主要任務(wù)是將連續(xù)觀測的GPS/GLONASS衛(wèi)星信號，通過光纖傳回控制中心。因此，其應(yīng)滿足不間斷電源供應(yīng)、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)等基本條件，同時應(yīng)滿足防雷、防電涌等要求。圖2為各站點硬件設(shè)備構(gòu)成。

站點建設(shè)的重點之一是防雷，雷擊很容易擊穿天線，造成設(shè)備無法正常工作，特別是位置較高的山頭，需要一套有效的防雷系統(tǒng)。另外電涌也是電子設(shè)備的“殺手”，在市電不穩(wěn)定的地區(qū)，UPS（不間斷電源）穩(wěn)壓系統(tǒng)也是必不可少。

3 網(wǎng)絡(luò)的選擇及控制中心的架設(shè)

3.1 網(wǎng)絡(luò)的選擇

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)的核心單元，同時也是關(guān)鍵部分，其服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）將直接決定CORS系統(tǒng)的可靠性、可用性。根據(jù)XMCORS總體設(shè)計方案，通信網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求如下：

1）可靠性大于或等于95％。

2）日可用性大于或等于95％。

3）參考站端接入帶寬大于或等于512kbps，控制中心端接入帶寬大于4M。

4）誤碼率小于10-8。

目前，流動端用戶可通過移動的GPRS或電信的CDMA2000接入XMCORS專網(wǎng)，其傳輸速率完全滿足RTK實時定位的要求。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的冗余性給用戶提供了選擇，同時也較大程度上保證了系統(tǒng)服務(wù)的可靠性。

3.2 控制中心軟件

控制中心的最重要工作是收集觀測數(shù)據(jù)并生成虛擬觀測值，虛擬觀測值的生成技術(shù)有VRS（代表有Trimble的GPSNET軟件）、FKP等[3]。其關(guān)鍵是如何將與位置相關(guān)的改正，如幾何相關(guān)項改正、電離層延遲改正、對流層延遲改正、軌道誤差改正、多路徑延遲改正等分離并建模，形成“原始”的非差相位虛擬觀測值。

虛擬觀測值的質(zhì)量好壞直接關(guān)系到定位結(jié)果。XMCORS的各參考站天線為天寶的Choke Ring扼流圈天線，相應(yīng)的控制中心軟件為天寶的GPSNET。同時，XMCORS已完成了大地水準(zhǔn)面的精化工作，通過開發(fā)第三方軟件及增設(shè)中間服務(wù)器將水準(zhǔn)面精化成果內(nèi)插并發(fā)送到流動站，RTK用戶通過參數(shù)轉(zhuǎn)換和投影直接獲得平面坐標(biāo)和水準(zhǔn)高程[4]。

4 流動端連接

流動站與服務(wù)器間通信過程大致如下：

1）流動站將NMEA格式單點定位坐標(biāo)發(fā)送到服務(wù)器；

2）服務(wù)器在該坐標(biāo)處生成虛擬觀測值，通過NTRIP協(xié)議傳送到流動站；

3）流動站實時求解模糊度，得到固定解。

作業(yè)過程中服務(wù)器根據(jù)流動站返回的位置信息及虛擬參考站之間的距離判斷是否需要重新生成虛擬觀測站（值），直至作業(yè)結(jié)束。

5 平面及高層參數(shù)轉(zhuǎn)換

按照國家規(guī)定，2008年之后的測繪成果都必須采用2000國家坐標(biāo)。XMCORS各參考站采用2000地心坐標(biāo)系，然而現(xiàn)存的大量測繪成果及控制點皆為廈門地方坐標(biāo)（北京54橢球，獨立中央子午線）。為實現(xiàn)兩不同橢球之間的轉(zhuǎn)換，需要采用一些重合點求解七參數(shù)，然而一個問題是重合點的54大地高不準(zhǔn)確。不過研究和試驗表明，高程方向盡管有誤差，轉(zhuǎn)換后的平面精度影響很小。為此根據(jù)轉(zhuǎn)換殘差盡量小的原則選取了5個重合點求取七參數(shù)，流動站端只需輸入七參數(shù)，選擇地方橢球和中央子午線后投影即可獲得高精度的地方平面坐標(biāo)。高程的問題前已述及，通過精化后的似大地水準(zhǔn)面，服務(wù)器端實時計算虛擬參考站的高程異常，對其坐標(biāo)進(jìn)行改化，使其直接“平移”到大地水準(zhǔn)面，從而實現(xiàn)各流動站大地高到正常高的轉(zhuǎn)換。

6 系統(tǒng)測試

為測試系統(tǒng)運行效果，在水準(zhǔn)面精化及區(qū)域統(tǒng)一轉(zhuǎn)換參數(shù)求解工作完成后對覆蓋全市的24個B級GPS點進(jìn)行了RTK檢測，各點均聯(lián)測了二等水準(zhǔn)。測試儀器為Leica1250，測量時間60s，測試結(jié)果見表1。

表1：RTK實測平面高程與已知點差值（單位：cm）

從表中可以看出，RTK平面精度很高，達(dá)到厘米級，經(jīng)過精化后的RTK正常高在觀測條件良好的情況下能達(dá)到5cm。

7 結(jié)束語

傳統(tǒng)單基站RTK隨著離基站的距離越遠(yuǎn)，定位精度越低，因其電離層、對流層延遲等隨著距離加大，誤差相關(guān)性變?nèi)酢Ｕ`差得不到消除，定位精度將呈線性下降趨勢。若要得到厘米級的定位精度，一般流動站與單基站之間的距離不應(yīng)超過20km。

網(wǎng)絡(luò)RTK很好地克服了這個缺點，使得基站網(wǎng)內(nèi)的作業(yè)不再受距離的限制，且精度分布均勻。通過較長時間的外業(yè)使用，提出以下幾點經(jīng)驗：

1）手機(jī)信號的好壞對測量結(jié)果特別是高程方向的影響較大，在信號不好的偏遠(yuǎn)山區(qū)，高程方向的浮動能達(dá)到20cm，選擇一個穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)十分重要。

2）電離層對外業(yè)測量影響較大，特別是低緯度地區(qū)電離層活動高峰時段，定位精度降低甚至不能固定模糊度，流動站長時間初始化得不到固定解?？刂浦行目梢愿鶕?jù)軟件對電離層進(jìn)行監(jiān)測，大致預(yù)報出不適宜作業(yè)的時段。

3）GDOP（衛(wèi)星幾何圖形強度因子）也是影響定位精度的重要因素。GDOP值與衛(wèi)星分布及接收機(jī)位置有關(guān)。用戶可以使用隨機(jī)軟件及預(yù)報星歷，查看作業(yè)范圍處的GDOP值，從而避開不宜作業(yè)的時段。

隨著我國北斗系統(tǒng)的發(fā)布和完善，可用衛(wèi)星數(shù)將會越來越多，部分流動設(shè)備已能接收北斗信號，相應(yīng)的XMCORS系統(tǒng)的硬件和軟件也需要不斷地更新升級，以便為用戶提供更好的服務(wù)。

[1] 黃俊華，陳文森．連續(xù)衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2009.

[2] CH/T 2008-2005,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范[S].

[3] 郭際明，張紹成，孟祥廣.VRS與FKP定位模式的研究與比較[J].測繪通報，2011(1)：4-5.

[4] 歐陽欣,江春發(fā),郭垂注. VRS模式下流動站獲取正常高的方法和實踐[J].地理空間信息,2014(1):140-141.