基于GPS測量技術(shù)的CORS高精度測量系統(tǒng)研究

，

(青海省柴達木綜合地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，青海 格爾木 816099)

0 引言

隨著國際大地測量技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用普及，CORS系統(tǒng)在資源勘察、城市環(huán)境保護以及運載丁具導(dǎo)航等多個領(lǐng)域中的作用已越來越不可忽視[1-2]。連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)是快速、高精度獲取空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最重要的構(gòu)成部分，逐漸成為定位測量領(lǐng)域發(fā)展熱點之一[3]。連續(xù)運行參考站系統(tǒng)能夠向用戶提供實時和事后的高精度定位服務(wù)，能夠滿足各類應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ξ恢?、空間信息實時獲取的要求，并且具有覆蓋范圍廣、作業(yè)成本低、定位精度高等優(yōu)點[4]。在CORS系統(tǒng)中測量點的定位精度容易受到測量站衛(wèi)星分布、電離層干擾以及基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)等多方面影響，相比常規(guī)測量方法具有測量質(zhì)量控制不確定性[5]?，F(xiàn)行的CORS系統(tǒng)處理軟件采用VRS技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送特定格式的概略坐標(biāo)至控制中心，通過用戶位置，由計算機自適應(yīng)選取最優(yōu)基準(zhǔn)站，根據(jù)接收的測量信息修正測量站衛(wèi)星分布、電離層引起的誤差，將高精度的差分信號傳送至移動站，構(gòu)建一個虛擬的參考基站，可解決RTK測量作業(yè)距離上的問題，但測量工作效率低，且因環(huán)境以及地形等外界環(huán)境的影響，測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站信號傳輸受到極大的影響，系統(tǒng)測量穩(wěn)定性較差[6]。為此，如何解決野外環(huán)境下無線網(wǎng)絡(luò)的信號盲區(qū)、作業(yè)環(huán)境以及高程錯誤等系統(tǒng)性問題，實現(xiàn)CORS系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行，成為測繪行業(yè)亟待解決的主要問題，受到了廣泛關(guān)注[7]。

針對目前CORS系統(tǒng)測量精度方面的諸多不足，相關(guān)專家學(xué)者針對其影響方面進行了深入研究，例如CORS測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列中的共性誤差，文獻[8]提出了一種優(yōu)化方案，通過利用區(qū)域疊加濾波法提取CORS測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列中的共性誤差，計算去除共性誤差后CORS測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列的周期功率譜圖，分析系統(tǒng)測量誤差對坐標(biāo)時間序列的影響，最后采用最大似然法確定估計CORS測量系統(tǒng)測量誤差的基準(zhǔn)站坐標(biāo)時間序列噪聲模型，并通過相關(guān)方案消除電離層折影對測量精度的影響，但該方案測量工作效率低。文獻[9]針對CORS測量系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換存在的諸多不足，提出一種CORS測量系統(tǒng)設(shè)計方法，采用狄洛尼三角形建立CORS測量基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，以實時獲取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)來得到CORS系統(tǒng)高精度平面坐標(biāo)，該方法較為簡單，但難以克服測量站衛(wèi)星分布、電離層干擾以及基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)等多方面影響，系統(tǒng)響應(yīng)性較差。文獻[10]針對CORS系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，進行了相關(guān)闡述，通過CORS測量系統(tǒng)衛(wèi)星精密單點定位獲得了載波相位觀測量的殘差時間序列，對多個測量站獲得的多路徑誤差進行建模，通過設(shè)定一定約束關(guān)系的格網(wǎng)，計算落入該格網(wǎng)的載波相位觀測量驗后殘差的均值及標(biāo)準(zhǔn)差，作為CORS測量系統(tǒng)載波相位觀測量在該方向的多路徑誤差，對CORS測量系統(tǒng)定位觀測量進行質(zhì)量控制，以該方法為基礎(chǔ)的CORS測量系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制精度較高，但傳輸測量數(shù)據(jù)有延遲。

針對上述問題，本文結(jié)合相關(guān)先驗知識，介紹GPS測量技術(shù)在CORS測量系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對其測量精度進行深入分析，實驗結(jié)果表明，采用該測量系統(tǒng)完全可以符合相關(guān)規(guī)范要求，可在無人值守的情況下穩(wěn)定運行，并有效提升工作效率。

1 基于GPS測量技術(shù)的CORS高精度測量系統(tǒng)

1.1 CORS高精度測量系統(tǒng)軟硬件原型構(gòu)架

CORS高精度測量系統(tǒng)采用GPS測量技術(shù)，依據(jù)實際應(yīng)用需求組建連續(xù)運行參考站，采用計算機、數(shù)據(jù)通信技術(shù)將參考站與CORS系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)中心構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，CORS高精度測量系統(tǒng)由測量數(shù)據(jù)中心、基準(zhǔn)站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)4個部分構(gòu)成，各個子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)互聯(lián)，構(gòu)成一個分布控制區(qū)域的局域網(wǎng)。CORS高精度測量系統(tǒng)框架如圖1。

圖1 CORS高精度測量系統(tǒng)建設(shè)結(jié)構(gòu)圖

1.2 組成CORS高精度測量系統(tǒng)的硬件環(huán)境

CORS高精度測量系統(tǒng)有基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、控制中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)4部分構(gòu)成，下面分別對各個子系統(tǒng)做下簡單的介紹。

1.2.1 CORS高精度測量基準(zhǔn)站子系統(tǒng)

基準(zhǔn)站主要多個均勻分布的CORS參考站構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)GPS衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的采集和將采集的測量數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心或是測量數(shù)據(jù)傳播中心，各個基準(zhǔn)站配置后備電源，可在意外斷電情況下，依據(jù)后備電源維持測量數(shù)據(jù)采集以及傳輸工作，各個基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)中心對接，通過數(shù)據(jù)中心對其進行監(jiān)控管理，對接過程利用公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對向傳輸，通過定時自動對設(shè)備進行檢測，具備CORS系統(tǒng)檢測功能，可在整個數(shù)據(jù)對接過程出現(xiàn)問題時及時報警，CORS測量系統(tǒng)的基準(zhǔn)站服務(wù)器以及管理軟件采用Eagle，數(shù)據(jù)傳輸與采集選用Base Trans軟件，具體建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CORS高精度測量系統(tǒng)建設(shè)結(jié)構(gòu)圖

在CORS高精度測量基準(zhǔn)站建設(shè)過程中，如果測量設(shè)備遭受雷電擊中將會影響CORS測量系統(tǒng)中控制中心、數(shù)據(jù)通訊接收端等相關(guān)設(shè)備的使用壽命，為了減少被雷電擊中的概率，在合適區(qū)域安裝了相應(yīng)的避雷針，CORS測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站的建設(shè)要求要滿足關(guān)于國土資源管理所涉及到的各類測量定界，衛(wèi)星接收選用美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，同時基準(zhǔn)站設(shè)置在給定區(qū)域露天制高點。

1.2.2 CORS高精度測量控制中心子系統(tǒng)

控制中心是CORS測量系統(tǒng)各個子系統(tǒng)的服務(wù)中心，是CORS測量系統(tǒng)的保障，主要負(fù)責(zé)對各個基準(zhǔn)站的GPS觀測數(shù)據(jù)進行接收、處理、發(fā)布和存儲，控制中心選用Trimble的GPS Tream和GpsNet軟件利用服務(wù)器、磁盤陣列實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)存儲，分析觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，對其參建單位通過網(wǎng)絡(luò)傳輸專線和數(shù)據(jù)中心相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸接收，并設(shè)定存儲設(shè)備采集TJCORS基準(zhǔn)站的原始觀測數(shù)據(jù)，對采集的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解算，實時估計出CORS測量系統(tǒng)殘差，對其進行修正，將修正后的測量數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)播發(fā)中心傳輸給用戶，用圖3進行描述。

圖3 CORS高精度測量控制中心子系統(tǒng)

1.2.3 CORS高精度測量數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)

測量數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)由各個基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的傳輸以及GPS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)布兩部分構(gòu)成，一部分選用E1-PRI數(shù)字中繼線路，可實現(xiàn)多路用戶實時接入；另一部分按照GPS網(wǎng)絡(luò)形式向注冊用戶傳遞測量和數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站與測量數(shù)據(jù)處理中心之間選用SHD網(wǎng)絡(luò)，通過注冊用戶可以采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)播中心以及用戶端進行雙向通訊，通訊選用GSM，GPRS，CDMA等形式，獲得GPS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。在測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)播中心設(shè)定無線中繼站，可采用此鏈路實現(xiàn)RDS的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)播，并配置UHF/VHF設(shè)備，可以進行CORS高精度測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站差分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)播，如圖4所示。

圖4 CORS高精度測量控制中心子系統(tǒng)

1.2.4 CORS高精度測量用戶應(yīng)用子系統(tǒng)

用戶通過GPS接收機接收衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)，并與基準(zhǔn)站以及數(shù)據(jù)播發(fā)中心進行數(shù)據(jù)對接，通過CORS高精度測量系統(tǒng)的事后數(shù)據(jù)可達到毫米級定位精度，目前CORS高精度測量系統(tǒng)最主要服務(wù)目標(biāo)為測繪類用戶和導(dǎo)航類用戶，CORS高精度測量用戶應(yīng)用子系統(tǒng)考慮了符合上述用戶需求的多種GPS接收機的兼容性，選用已通過測試的Trimble和Javad雙頻GPS接收機，與數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)間的通信鏈路通過GSM數(shù)據(jù)通信，CORS高精度測量系統(tǒng)用戶單元結(jié)構(gòu)圖見圖5。

圖5 CORS高精度測量用戶應(yīng)用子系統(tǒng)

2 CORS高精度測量系統(tǒng)軟件環(huán)境

考慮到對相關(guān)專業(yè)軟件的兼容性，實現(xiàn)CORS高精度測量系統(tǒng)實時定位的前提條件基準(zhǔn)站的參數(shù)測量，軟件部分對此進行深入研究。

首先需要準(zhǔn)確固定基準(zhǔn)站的整周模糊度，在確定該值后計算測量區(qū)域誤差改正數(shù)，理論上分析載波相位的模糊度為整數(shù)，然而在CORS高精度測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站間距離較長的情況下，CORS高精度測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站之間的雙差電離層延遲、對流層延遲等綜合誤差的影響隨著基準(zhǔn)站間的距離的增大而逐漸增大，可采用GPS載波相位觀測值和P碼偽距綜合的組合觀測值計算基準(zhǔn)站間雙差寬巷整周模糊度，利用公式(1)計算CORS高精度測量系統(tǒng)基準(zhǔn)站間寬巷模糊度的初值：

(1)

結(jié)合上述硬件描述的基準(zhǔn)站的建設(shè)要求，選用較好的天線，可在一定程度上減少相位多路徑效應(yīng)，采用CORS基準(zhǔn)站多路徑效應(yīng)的周期性減少多路徑的影響，利用下式給出CORS基準(zhǔn)站A、B對GPS衛(wèi)星p、q的雙差載波相位觀測方程：

(2)

(3)

CORS基準(zhǔn)站的載波相位整周模糊度確定后，采用最小二乘法對位置參數(shù)以及衛(wèi)星整周模糊度參數(shù)進行估計，將其帶入原始CORS基準(zhǔn)站載波相位觀測方程，對其進行最小二乘解算，求出CORS流動站的初始位置，基準(zhǔn)站載波相位觀測方程寫成誤差方程組的形式，利用下式表示矩陣形式：

(4)

式中，δX代表CORS基準(zhǔn)站載波相位觀測值與幾何距離以及綜合誤差修正數(shù)之差向量，N1代表L1載波相位整數(shù)模糊度向量。

在獲得CORS流動站L1整周模糊度的誤差方程后，對公式(4)進行最小二乘解算，獲得L1相位模糊度的浮點解以及協(xié)方差陣。假設(shè)基準(zhǔn)站浮點解精度較高則可采用直接取整確定基準(zhǔn)站載波相位的整周模糊度，為了確保基準(zhǔn)站模糊度的固定成功率，也可采用基準(zhǔn)站雙差L1載波相位模糊度的浮點解以及協(xié)方差矩陣，通過LAMBDA方法對模糊度進行搜索固定。

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗步驟

為了更好的說明本文提出的基于GPS測量技術(shù)的CORS高精度測量系統(tǒng)的綜合有效性，本系統(tǒng)選用Microsoft Visual Studio rc 2017作為開發(fā)平臺，基于NET Framework2.0構(gòu)建，可提供效率極高的、基于標(biāo)準(zhǔn)的多語言環(huán)境，結(jié)合一個在農(nóng)村進行地籍測量的實際例子進行分析。具體實驗步驟如下：

1)利用本文方法設(shè)計的CORS系統(tǒng)得出測量點區(qū)域分布圖；

2)選用聯(lián)測45個E級GPS點數(shù)據(jù)作為參考系數(shù)，由此確定CORS觀測數(shù)據(jù)的精確性，近似的認(rèn)定E級點坐標(biāo)為真實值，計算本文所設(shè)計的CORS系統(tǒng)檢測坐標(biāo)與真實值的較差；

3)采用本文所設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)和常規(guī)的RTK測量方式，采集測繪圖根點和測量區(qū)域控制點的平面坐標(biāo)，將架設(shè)的基準(zhǔn)站作為坐標(biāo)原點，通過距離的遠近對比CORS測量系統(tǒng)與常規(guī)RTK測量誤差值的大??；

4)對比兩種測量方式下的周跳比。

3.2 實驗結(jié)果分析

首先采集覆蓋整個測量工程全線范圍控制點的WGS-84坐標(biāo)，與采集點的已知坐標(biāo)進行參數(shù)擬合，由于整個測量區(qū)域村莊分布不齊，因此將控制點劃分為5個部分，最后通過10個人耗時一天完成該區(qū)域的測量任務(wù)，而采用本文方法設(shè)計的CORS系統(tǒng)后，僅需3個工人在4個小時內(nèi)就完成了測量任務(wù)，測量區(qū)域面積約50 km2，測量點區(qū)域分布如圖6所示。

圖6 測量點位置分布圖

由于測量的范圍較大，因此采用傳統(tǒng)的測量技術(shù)會使整個測量工作時間緊張，測量工作難以即時完成，正因上述傳統(tǒng)測量技術(shù)存在的原因，所以本文所設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)的優(yōu)越性在地籍測量過程中顯現(xiàn)出來，各個觀測點由于觀測條件以及測量地形的不同，因此要由若干單次觀測構(gòu)成一個測回，在實際CORS系統(tǒng)中，各個測量站可在5分鐘之內(nèi)即可完成觀測任務(wù)。選用聯(lián)測45個E級GPS點數(shù)據(jù)作為參考系數(shù)，由此確定CORS觀測數(shù)據(jù)的精確性，近似的認(rèn)定E級點坐標(biāo)為真實值，計算本文所設(shè)計的CORS系統(tǒng)檢測坐標(biāo)與真實值的較差，如表1所示。

表1 檢測點精度統(tǒng)計表

分析表1可知，采用本文設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)的較差值均在1：1 000比例尺地籍地形測繪圖中，對測量區(qū)域各個測繪圖根點所處的位置的高程以及平面點位的定位精度均在要求的范圍內(nèi)，說明本文設(shè)計的CORS系統(tǒng)測量的地籍圖圖根點的精度分布較為合理均勻、準(zhǔn)確無誤。其中平面點位中的誤差為：

(5)

式中，ΔS代表平面點位區(qū)域大小，n代表平面點數(shù)量。高程點位中誤差為：

(6)

式中，ΔH代表高程點位區(qū)域大小，采用常規(guī)的RTK技術(shù)對該區(qū)域進行測量，架設(shè)基準(zhǔn)站，能夠觀測約5 km范圍，在網(wǎng)絡(luò)信號良好的情況下，完成整個測量過程需要耗時9～10個小時。如果選取本文所設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)對該區(qū)域進行測量，不受網(wǎng)絡(luò)通信范圍的限制，節(jié)省了多次架設(shè)基準(zhǔn)站和測量區(qū)域控制點擬合所需的時間，完成該區(qū)域測量工作，僅需4～5個小時即可。

采用本文所設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)和常規(guī)的RTK測量誤差值的大小分析結(jié)果用圖7進行表示。

圖7 CORS測量系統(tǒng)與常規(guī)RTK測量誤差對比圖

分析圖7可知，采用常規(guī)的RTK測量誤差隨著流動站與基準(zhǔn)站之間的距離不斷的變大，累計的測量誤差也會逐漸增加，但是本文所設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)誤差不會隨著距離的增加而增加累計誤差，證明本文設(shè)計系統(tǒng)的測量精度較優(yōu)。

采用本文所設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)和常規(guī)的RTK測量方式，對比兩種測量方式的周跳比(%)，周跳比是GPS跟蹤站總觀測值數(shù)量和周跳比個數(shù)之比，描述的是測量數(shù)據(jù)中含有周跳的情況，利用下式進行計算：

(7)

式中，O/Slips描述的是觀測值與周跳的比值，周跳值越小對應(yīng)到周跳比越大，因此該值越大說明測量方式越好，兩種測量方式下的周跳比對比結(jié)果用圖8進行表示。

圖8 CORS測量系統(tǒng)與常規(guī)RTK周跳比對比圖

分析圖8可知，本文設(shè)計的CORS測量系統(tǒng)對應(yīng)的周跳比要高于常規(guī)RTK技術(shù)對應(yīng)的周跳比，說明本文提出的基于GPS測量技術(shù)的CORS測量系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較優(yōu)，原因在于本文所設(shè)計的測量控制中心子系統(tǒng)通過Trimble的GPS Tream和GpsNet軟件利用服務(wù)器、磁盤陣列實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)存儲，在存儲之前對采集的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解算，實時估計出CORS測量系統(tǒng)殘差，對其進行修正，將修正后的測量數(shù)據(jù)依據(jù)數(shù)據(jù)播發(fā)中心傳輸給用戶，使得接收機的周跳比相比常規(guī)RTL技術(shù)較高，保障了測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

隨著科技的不斷進步，人們對測量精度的要求不斷提高，采用傳統(tǒng)的測量方法難以保證所測數(shù)據(jù)的精確性和類型，并且在測量過程中費時費力，測量效率較低，難以保證測量工作者和管理用戶實時了解測量區(qū)域的變化信息，而基于GPS測量技術(shù)的CORS高精度測量系統(tǒng)從根本上改進了傳統(tǒng)測量方法的測量模式，測量過程中僅僅需要多建立參考站，為用戶實時提供測量信息，保證用戶接收測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，在測量過程中僅僅需要對各個小區(qū)域停留幾秒，即可完成對測量區(qū)域坐標(biāo)的測量，節(jié)省了大量測量時間，具有廣闊應(yīng)用前景。

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