CORS系統(tǒng)虛擬觀測應(yīng)用

周曉衛(wèi)，胡明，匡志威，劉鵬程

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

GPS全球定位系統(tǒng)具有精度高、全天候以及不受測點通視條件限制的特點，已廣泛應(yīng)用于工程測量、大地測量、航空航天測量、遙感等各個測量領(lǐng)域[1]。特別是在控制測量工作中，GPS幾乎完全取代了常規(guī)測量方法[2]。

實際應(yīng)用表明，GPS控制測量精度主要受三方面因素的影響：基線的測量精度、控制網(wǎng)的幾何圖形強(qiáng)度和地面起算點的精度[3～7]?；€測量精度的提高，可以通過延長觀測時間獲得；網(wǎng)的幾何圖形的增強(qiáng)，可通過增加控制點個數(shù)及優(yōu)化控制網(wǎng)網(wǎng)型獲得。而延長觀測時間或增加控制點個數(shù)，勢必增加測量成本，影響經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)?shù)孛嫫鹚泓c坐標(biāo)含有粗差或精度較低時，不僅會使單位權(quán)方差估值不準(zhǔn)確，而且還會使GPS觀測得到的高精度成果受到歪曲。起算點坐標(biāo)的誤差對待定點的影響是系統(tǒng)性的[8]，起算點誤差越大，待定點誤差也越大，同時帶有誤差的起算點個數(shù)及分布不同對GPS網(wǎng)點的平差坐標(biāo)影響也不同。因此，提高起算點的精度和準(zhǔn)確度，對控制測量工作至關(guān)重要。

隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，很多省份或地區(qū)都布設(shè)了CORS系統(tǒng)，實現(xiàn)了高精度、實時的數(shù)據(jù)傳輸及應(yīng)用。而通過CORS基站的精確坐標(biāo)、長時間觀測的原始數(shù)據(jù)以及空間相關(guān)誤差理論[8]，推估生成網(wǎng)內(nèi)任意虛擬測站，作為工程控制網(wǎng)的起算點或者結(jié)點，不僅提高了起算點的可靠性，優(yōu)化了控制網(wǎng)的網(wǎng)型，而且也減少了觀測成本，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

本文針對CORS系統(tǒng)虛擬測站觀測數(shù)據(jù)的生成原理，結(jié)合工程實例，詳細(xì)分析了該方法的測量精度和可靠性，對相關(guān)工作起到參考作用。

2 虛擬測站觀測數(shù)據(jù)的生成原理及實現(xiàn)

2.1 虛擬測站觀測數(shù)據(jù)的生成原理

GPS虛擬測站觀測數(shù)據(jù)的生成是GPS定位的逆過程[9]。在生成GPS虛擬測站觀測值時，首先利用CORS基站的原始觀測數(shù)據(jù)，計算任意歷元GPS衛(wèi)星的三維位置、對流層延遲及電離層延遲等模型誤差；再根據(jù)虛擬測站的三維坐標(biāo)和設(shè)定的衛(wèi)星截止高度角計算該虛擬測站可觀測到的GPS衛(wèi)星，并計算出虛擬測站和可視衛(wèi)星之間的距離，獲取GPS模擬觀測值的真值；然后根據(jù)虛擬測站的位置以及參考站網(wǎng)絡(luò)的空間誤差線性內(nèi)插得到空間相關(guān)誤差；并在距離真值上添加空間相關(guān)誤差、觀測噪聲、粗差及周跳等。最后根據(jù)觀測時間、采樣率等輔助信息把模擬得到的GPS觀測值以指定的數(shù)據(jù)格式輸出，其基本流程如圖1所示。

圖1 虛擬觀測數(shù)據(jù)生成流程

2.2 虛擬觀測數(shù)據(jù)的生成

長株潭連續(xù)運(yùn)營參考站系統(tǒng)(CZTCORS)，采用Trimble公司的Trimble Pivot Platform(TPP)作為系統(tǒng)運(yùn)營管理軟件。TPP軟件包含多個模塊，其中DataShop模塊可以根據(jù)指定的虛擬測站坐標(biāo)，生成虛擬觀測值。具體實現(xiàn)如下，在TPP軟件中選擇DataShop列表，在彈出的選擇框中輸入虛擬測站點的WGS84空間直角坐標(biāo)，擬生成觀測數(shù)據(jù)的采樣間隔，起始時間和時間長度，輸出的數(shù)據(jù)格式等信息，即可快速生成指定點的GPS雙頻觀測數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2虛擬測站觀測數(shù)據(jù)的生成

3 實驗分析

為驗證CORS系統(tǒng)生成的虛擬測站靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用于GPS網(wǎng)平差方法的可靠性和可行性，利用長沙市地鐵6號線的平面控制測量觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。該項目按照技術(shù)設(shè)計要求，根據(jù)地鐵線路走向，共布設(shè)C級精度的控制點43個，利用周邊已有高等級控制點6點。布設(shè)控制網(wǎng)如圖3所示。利用Trimble Business Center 2.60進(jìn)行基線解算，并利用科傻GPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)平差，并以此結(jié)果作為參考值進(jìn)行方案論證。

圖3 地鐵線路平面控制網(wǎng)示意圖

在原有的平面控制網(wǎng)四周，利用CZTCORS系統(tǒng)生成了10個虛擬測站(VR01至VR10)的觀測數(shù)據(jù)，如圖4所示。并按照以下方案進(jìn)行了比較分析。

方案一：利用測區(qū)周邊的6個已知點，求解全網(wǎng)的未知點坐標(biāo)，并以求解的未知點坐標(biāo)作為參考值。

方案二：利用測區(qū)周邊的6個已知點，求解虛擬測站的坐標(biāo)，并與虛擬測站的真值進(jìn)行比較，如表1所示。

方案三：利用測區(qū)周邊的10個虛擬測站作為已知點，將測區(qū)周邊的6個已知點作為未知點，求解6個已知點的坐標(biāo)，并將求得的已知點坐標(biāo)與原值進(jìn)行比較，如表2所示。

方案四：利用測區(qū)周邊的6個已知點和10個虛擬測站點共同作為已知點，求解全網(wǎng)的未知點坐標(biāo)，并與方案一進(jìn)行比較，如表3所示；

方案五：利用測區(qū)周邊的10個虛擬測站點作為已知點，求解全網(wǎng)的未知點坐標(biāo)，并與方案一進(jìn)行比較，如表3所示；

方案六：利用測區(qū)周邊的部分已知點(A，C，D三點)和10個虛擬測站點，如圖5所示，求解全網(wǎng)的未知點坐標(biāo)，并與方案一進(jìn)行比較，如表3所示。

圖4 增加虛擬測站的平面控制網(wǎng)示意圖

圖5 虛擬測站和含有部分已知點的平面控制網(wǎng)示意圖

虛擬站點位坐標(biāo)真值與計算值的差值統(tǒng)計表 表1

控制網(wǎng)中未知點點位坐標(biāo)差值對比統(tǒng)計表 表3

方案四至方案六解算的未知點平差結(jié)果精度統(tǒng)計如表4所示。

平差結(jié)果精度統(tǒng)計表 表4

如表1和表2所示，利用CORS系統(tǒng)生成的虛擬站的觀測數(shù)據(jù)，與測區(qū)周邊已知點的觀測數(shù)據(jù)聯(lián)合平差，方案二和方案三的平差結(jié)果一致。即可以用虛擬測站替代已有控制點，參與控制網(wǎng)平差。

如表4所示，四種方案的最弱點中誤差精度都達(dá)到mm級，最弱邊相對中誤差也小于規(guī)范[10]規(guī)定的十萬分之一的要求；方案四、五、六求得的未知點坐標(biāo)值與方案一求得的坐標(biāo)值的較差都很小，坐標(biāo)差值的均方根誤差小于 10 mm，坐標(biāo)差值最大值為 13.5 mm，小于規(guī)范[10]規(guī)定的‘重合點坐標(biāo)較差≤25mm’的要求；方案六，即組合測區(qū)內(nèi)部分已知點和虛擬點，共同作為已知點參與網(wǎng)平差，其結(jié)果與方案一更接近。

對比圖3、圖4和圖5可知，利用虛擬測站作為已知點進(jìn)行GPS網(wǎng)平差，已知點分布更加均勻，網(wǎng)型更加優(yōu)化。

4 結(jié) 論

對于工程測量中的中小型GPS控制網(wǎng)，可以通過CORS站生成虛擬測站作為起算點，其平差精度與傳統(tǒng)方法一致，精度可達(dá)mm級；而利用虛擬測站可以不需要在已知點上架設(shè)GPS，并且不受已知點位置和精度的限制，可以盡可能地增強(qiáng)控制網(wǎng)幾何圖形強(qiáng)度，同時減少外業(yè)工作量，提高工作效率。而CORS系統(tǒng)生成的虛擬測站與測區(qū)的距離對控制網(wǎng)精度的影響大小，以及CORS系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外生成的虛擬測站對控制網(wǎng)精度的影響大小，尚須作進(jìn)一步的研究。