國土資源測繪中CORS系統(tǒng)的應(yīng)用分析

沈思遠(yuǎn)

（上海市自然資源確權(quán)登記事務(wù)中心，上海 200003）

近年來，社會(huì)建設(shè)逐步完善，土地需求量連年增長，土地資源日益緊張，這給國土資源測繪帶來了更大的挑戰(zhàn)，提高準(zhǔn)確性與工作效率是未來國土資源測繪工作的必然要求。隨著GPS技術(shù)的成熟，CORS系統(tǒng)在國土資源測繪工作中得到了初步的推廣，取得了良好的效果。本文將對(duì)國土資源測繪中CORS系統(tǒng)的應(yīng)用展開具體分析[1]。

1 GPS技術(shù)概述

GPS是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的簡稱，最早由美國研發(fā)。到目前為止，包括中國、俄國、歐盟等國家也有了自己的GPS系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)由空間部分、控制部分和用戶部分組成。空間部分的衛(wèi)星持續(xù)向地面發(fā)送特定頻率的無線電信號(hào)，由地面的接收機(jī)接收后利用三角測量原理對(duì)測點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到接收機(jī)之間的距離或距離差，從而推算出測點(diǎn)的空間坐標(biāo)或測點(diǎn)間的位移量[2]。GPS技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通海事、氣象消防、農(nóng)業(yè)林業(yè)、軍事偵查等領(lǐng)域。隨著電子信息終端的進(jìn)步，GPS在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用也日益成熟，并且表現(xiàn)出比傳統(tǒng)測繪技術(shù)有更優(yōu)的性能。目前各大廠商廣泛采用RTK解算技術(shù)來求解各測點(diǎn)坐標(biāo)，將測量精度提高到了毫米級(jí)，已經(jīng)完全可以用于地籍測量。

2 GPS與CORS的關(guān)系

CORS是連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)的簡稱。它是在GPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，結(jié)合通信、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)、定位等諸多前沿技術(shù)而形成的一種精度更高的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。CORS的最大特點(diǎn)就是采用實(shí)時(shí)差分改正信息解算，可以實(shí)時(shí)向不同用戶提供改正數(shù)的狀態(tài)、觀測值和其它相關(guān)關(guān)的GPS服務(wù)[3]?？梢?，GPS是CORS的應(yīng)用基礎(chǔ)，而CORS是GPS的綜合應(yīng)用。在CORS系統(tǒng)的支持下，用戶可以很方便地建立和維持相應(yīng)地區(qū)高精度靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地心三維坐標(biāo)參考框架，再結(jié)合精化大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)高精度、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、三維的國土資源測繪。

3 國土資源測繪CORS系統(tǒng)原理分析

在國土資源測繪工作中，待測的目標(biāo)通常具有較大的面積，并且可能地形復(fù)雜，不利于直接測量，傳統(tǒng)的測量手段具有諸多限制。利用CORS系統(tǒng)則可以很好地解決這些復(fù)雜的測繪難題。在CORS系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的測量手段，也成為當(dāng)前國土資源測繪工程的重要探索[4]。

國土資源測繪CORS系統(tǒng)基本工作原理是：首先通過GPS對(duì)各個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)定位，取得各測點(diǎn)的坐標(biāo)，然后對(duì)多個(gè)GPS測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合組網(wǎng)，建立常年連續(xù)運(yùn)行的若干個(gè)固定參考站并建立參考站之間的聯(lián)系，接下來將參考站的坐標(biāo)及相關(guān)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，由運(yùn)行于服務(wù)器上的RTK解算軟件對(duì)所有測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將各測點(diǎn)的原始坐標(biāo)、RTK改正數(shù)據(jù)、靜態(tài)或動(dòng)態(tài)解算結(jié)果發(fā)送給用戶。

4 國土資源測繪CORS系統(tǒng)架構(gòu)分析

基于CORS的國土資源測繪系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要包括數(shù)據(jù)中心、參考站、通訊傳輸、用戶終端等四個(gè)子系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)中心又可以進(jìn)一步細(xì)分為用戶管理中心和系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心兩大部分。

4.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是CORS系統(tǒng)的心臟，可以為用戶提供各種相關(guān)的業(yè)務(wù)功能。數(shù)據(jù)中心由大量的服務(wù)器構(gòu)成，大型數(shù)據(jù)中心通常采用計(jì)算機(jī)集群以提升運(yùn)算能力。國土資源測繪CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心可以分為用戶管理中心和系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心兩個(gè)模塊，其中前者主要面向用戶提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)大量用戶的統(tǒng)一集中管理；后者則實(shí)現(xiàn)各種具體的測繪業(yè)務(wù)功能，主要是通過各種算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立數(shù)據(jù)模型生成差分改正數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些改正數(shù)進(jìn)行傳輸、記錄、管理或分發(fā)。除了服務(wù)器之外，數(shù)據(jù)中心還包括大量的工作站、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、電源設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，以保證數(shù)據(jù)中心的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 參考站

參考站是指以GNSS接收主機(jī)為核心，與接收天線、電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)柜和避雷電路共同構(gòu)成的GPS單點(diǎn)測量系統(tǒng)。而在國土資源測繪的實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)參考站通常是不可行的，因此通常會(huì)由多個(gè)參考站共同組網(wǎng)構(gòu)成參考站系統(tǒng)，同時(shí)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，連續(xù)對(duì)在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行定位跟蹤、采集、記錄，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行解算?？梢哉J(rèn)為，參考站只是衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收模塊，它本身并不具備過多的數(shù)據(jù)分析能力，僅僅是作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來使用。

4.3 通訊傳輸

在國土資源測繪CORS系統(tǒng)，由于需要利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)分析，因此整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)超級(jí)復(fù)雜的天地通信體系，它包含衛(wèi)星與地面參考站的通信、地面參考站與數(shù)據(jù)中心之間的通信，以及數(shù)據(jù)中心與用戶移動(dòng)站之間的通信。其中衛(wèi)星與地面參考站之間的通信就是平時(shí)所說的衛(wèi)星通信，它是通信衛(wèi)星本身所具備的功能，一般不需要用戶干預(yù)。參考站與數(shù)據(jù)中心之間的通信則需要由用戶自行搭建，一般采用數(shù)字電路傳輸與VPN網(wǎng)絡(luò)，參考站和數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)管理中心在同一虛擬網(wǎng)中，避免參考站數(shù)據(jù)暴露在外網(wǎng)環(huán)境中帶來數(shù)據(jù)安全問題?？紤]到國土資源測繪的效率問題，通常要求系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心與參考站之間的數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)時(shí)間控制在1s內(nèi)。數(shù)據(jù)中心與用戶之間的數(shù)據(jù)傳輸則采用通用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如TCP/IP、GPRS等，可以根據(jù)實(shí)際需求和實(shí)際條件來進(jìn)行選擇。

4.4 用戶終端

用戶終端是由用戶組網(wǎng)并控制的終端設(shè)備子系統(tǒng)，硬件上包括GPS接收天線、接收主機(jī)和通信模塊三部分。用戶首先通過天線接收GPS 衛(wèi)星原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后由接收機(jī)進(jìn)行暫存和預(yù)處理，最后由通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心的RTK解算軟件完成差分解算，進(jìn)而得到測繪結(jié)果。

5 CORS系統(tǒng)TRK關(guān)鍵技術(shù)

CORS系統(tǒng)在本質(zhì)上看更多的是軟件算法的實(shí)現(xiàn)，它通過若干個(gè)參考站建立數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，然后獲取精確定位數(shù)據(jù)，其核心技術(shù)在于網(wǎng)絡(luò)RTK 解算的算法設(shè)計(jì)部分。從目前國際上的應(yīng)用實(shí)踐情況來看，主流的RTK技術(shù)包括虛擬參考站技術(shù)（VRS）、主輔站技術(shù)（MAC）以及區(qū)域改正數(shù)技術(shù)（FKP）。

5.1 虛擬參考站技術(shù)

所謂虛擬參考站，就是指某移動(dòng)站附近本不具有參考站，但為了進(jìn)行RTK計(jì)算，通過軟件的方法虛擬建立一個(gè)參考站，該虛擬參考站的觀測值是根據(jù)其附近參考站的實(shí)際觀測值推算出來的，因而在流程上也滿足了RTK計(jì)算的基本條件。其基本原理是：用戶移動(dòng)站首先向數(shù)據(jù)中心發(fā)送自身大致坐標(biāo)，數(shù)據(jù)中心會(huì)以該坐標(biāo)為參考，自動(dòng)篩選出其附近的實(shí)際參考站，構(gòu)成一個(gè)最佳參考站系統(tǒng)。通過該參考站系統(tǒng)，由系統(tǒng)計(jì)算出GPS軌道、電離層和對(duì)流層等誤差改正，經(jīng)過誤差改正后的數(shù)據(jù)是一種高精度的差分?jǐn)?shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶移動(dòng)站。

虛擬參考站技術(shù)的優(yōu)勢在于，它允許用戶在一個(gè)較大的范圍內(nèi)隨意布設(shè)參考站，然后通過軟件的手段對(duì)實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)的誤差模型，可以有效地減小電離層、對(duì)流層延遲誤差，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的實(shí)時(shí)定位結(jié)果。目前CORS系統(tǒng)的虛擬參考站技術(shù)，其網(wǎng)內(nèi)平均平面點(diǎn)位精度已經(jīng)可以達(dá)到1cm以內(nèi)，網(wǎng)外精度則在3cm以內(nèi)，高程精度不超過3cm，這對(duì)于目前的國土資源測繪工作來說已經(jīng)足夠了。

5.2 主輔站技術(shù)

主輔站技術(shù)是CORS系統(tǒng)中用于消除定位誤差的重要技術(shù)，其基本原理是：提取參考站的相位距離，然后按照一定的規(guī)則對(duì)其進(jìn)行簡化，得到一個(gè)公共的整周模糊度水平。由于整周模糊度已經(jīng)在GPS衛(wèi)星和接收機(jī)中進(jìn)行了相應(yīng)的處理，如果把兩個(gè)參考站組成雙差時(shí)，整周模糊度就會(huì)被抵消，也就是說，這兩個(gè)參考站的公共整周模糊度水平是一樣的。根據(jù)以上思路，將全部參考站相位距離的整周模糊度統(tǒng)一歸集到一個(gè)公共水平，再經(jīng)過計(jì)算即可得到各接收機(jī)的彌散性誤差和各頻率的非彌散性誤差。

主輔站技術(shù)的特點(diǎn)是，它并不要求主參考站必須距離移動(dòng)站最近。在實(shí)際情況中，距離移動(dòng)站最近的參考站可能是不可用的，或者由于網(wǎng)絡(luò)問題不能成功傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)可以任意選擇一個(gè)輔站代替主站繼續(xù)工作。由于數(shù)據(jù)中心會(huì)將參考站的所有觀測數(shù)據(jù)下發(fā)給移動(dòng)站，因此哪怕移動(dòng)站不能解算網(wǎng)絡(luò)信息，也能夠通過觀測數(shù)據(jù)自行求解定位結(jié)果。在網(wǎng)絡(luò)層面，主輔站技術(shù)僅需要由數(shù)據(jù)中心向移動(dòng)站發(fā)送數(shù)據(jù)即可，無需雙工通信，這在實(shí)際應(yīng)用中也是一大優(yōu)勢。

5.3 區(qū)域改正數(shù)技術(shù)

區(qū)域改正數(shù)實(shí)際上就是原始計(jì)算數(shù)據(jù)的一種優(yōu)化處理，使其精度更高。參考站一方面會(huì)采集每個(gè)瞬時(shí)的同步觀測值，另一方面還會(huì)實(shí)時(shí)地將觀測值發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)處理中心接收到觀測原數(shù)據(jù)后，調(diào)用相應(yīng)的算法求解出空間誤差改正參數(shù)。這些改正參數(shù)會(huì)由數(shù)據(jù)中心下發(fā)至覆蓋范圍內(nèi)的全部移動(dòng)站，用于空間位置的進(jìn)一步解算。由于數(shù)據(jù)的頻繁傳輸存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此在實(shí)際使用環(huán)節(jié)通常需要進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，即要求解算軟件具備加密功能，在設(shè)計(jì)和使用環(huán)節(jié)都比較繁瑣，這些缺陷都有待進(jìn)一步的研究和完善。

6 結(jié)語

隨著CORS系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的日益成熟，基于CORS的國土資源測繪系統(tǒng)也開始由動(dòng)態(tài)發(fā)展到高動(dòng)態(tài)、由準(zhǔn)實(shí)時(shí)發(fā)展到實(shí)時(shí)、由亞米級(jí)和厘米級(jí)發(fā)展到毫米級(jí)精度，CORS在國土資源測繪領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢正在逐步得到發(fā)揮。不難預(yù)計(jì)，在未來的十年內(nèi)，借助于CORS系統(tǒng)的應(yīng)用，我國將逐步建立起一套完善的城市基礎(chǔ)信息服務(wù)體系，打造基于實(shí)時(shí)空間位置信息服務(wù)的數(shù)字化現(xiàn)代城市。