基于CORS技術(shù)的坐標(biāo)差分處理方法研究

張亞軍，黃 騰

（1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210000）

連續(xù)運行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（CORS）是一項具有代表性的現(xiàn)代測量技術(shù)，可全天候自動地向大范圍覆蓋區(qū)域發(fā)射信號，滿足各行業(yè)、領(lǐng)域的需求，精度和工作效率較高，符合現(xiàn)代變形監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展要求。在現(xiàn)代測量中，利用CORS能實時獲取目標(biāo)信息和基準(zhǔn)站的變化信息，利用這些數(shù)據(jù)可進(jìn)行目標(biāo)定位、導(dǎo)航，也可用于城市規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、自然和人工建筑物變形監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)防與后期救援工作等。基于CORS的RTK測量通?？蛇_(dá)1～2 cm的標(biāo)稱精度，但無法滿足更高的測量精度要求。本文通過對CORS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，研究了使測量結(jié)果精度達(dá)到mm級，并應(yīng)用于工程變形監(jiān)測中的可行性[1]。

1 基于CORS的變形監(jiān)測模擬實驗

CORS-RTK測量的標(biāo)稱精度一般為1～2 cm，而在實際工作中因受各種誤差的影響很難達(dá)到[2]。為了研究CORS-RTK測量對變形監(jiān)測的敏感程度，本文在河海大學(xué)江寧校區(qū)選擇了8個監(jiān)測點，利用天寶R8接收機(jī)鏈接江蘇省CORS系統(tǒng)，當(dāng)鏈接成功有固定解后，先對每個點進(jìn)行一期觀測，再將每個觀測點向同一方向移動相等的距離，分別為1cm、2 cm、3 cm和4 cm，然后再進(jìn)行一期觀測，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)處理。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求取每次變化之間的差值，并將各監(jiān)測點的變化趨勢統(tǒng)一到同一方向上，以更直觀地顯示各監(jiān)測點的變形關(guān)系，如圖1～3所示。

圖1～3分別從3個方向描述了監(jiān)測點的變化趨勢，北方向的變形量較大，8個檢測點的變化趨勢趨于一致；而東方向和Z方向的變形量很小，只有mm級。各監(jiān)測點的相對變形量差別較大，有的甚至達(dá)到cm級。實驗結(jié)果表明，雖然CORS-RTK測量的標(biāo)稱精度一般為1～2cm，但存在諸多限制因素，有時還會發(fā)生cm級的突變，因此該測量模式可對cm級變化進(jìn)行監(jiān)測，但還不能完全滿足mm級變形對象的監(jiān)測要求[3]。

圖1 北方向變形量

圖2 東方向變形量

圖3 Z方向變形量

2 基于CORS的坐標(biāo)差分處理實驗

2.1 數(shù)據(jù)采集

利用R8接收機(jī)鏈接江蘇省CORS系統(tǒng)，采樣間隔設(shè)置為5 s，得到8個監(jiān)測點5次連續(xù)觀測值；再利用全站儀后視定向的方法得到所有監(jiān)測點坐標(biāo)，將該坐標(biāo)作為已知坐標(biāo)值，數(shù)據(jù)采集完成。

2.2 差分處理方案

2.2.1 基于已知坐標(biāo)的差分處理

將利用全站儀測得的坐標(biāo)作為已知值，而CORS與全站儀后視定向的坐標(biāo)系不一致，因此采用四參數(shù)的方法將已知值轉(zhuǎn)換為CORS坐標(biāo)。對基準(zhǔn)點兩套坐標(biāo)進(jìn)行差分處理，將差分改正值應(yīng)用于CORS，得到改正后坐標(biāo)，并與真值進(jìn)行比較，以研究位置差分技術(shù)是否可提高CORS-RTK的平面測量精度[4-6]。監(jiān)測點在X、Y方向中誤差的計算公式為：

式中，△為測試點轉(zhuǎn)換值與真值之差；n為各測點的測量值總數(shù)；σ為中誤差，反映系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性以及與全站儀坐標(biāo)系統(tǒng)的一致性。

具體統(tǒng)計結(jié)果如表1、2所示，可以看出，基于已知坐標(biāo)的差分處理得到的平面精度約為0～2cm，對比原觀測值，精度范圍有所收斂，如A、F點在X方向的精度均有提高。該方法的精度較高，系統(tǒng)較穩(wěn)定，對于達(dá)到cm級的變形監(jiān)測，可有效消弱其誤差，提高精度；但當(dāng)精度達(dá)到mm級時，再使用該方法并沒有提高精度，反而降低了精度。

表1 坐標(biāo)對比

表2 中誤差對比

2.2.2 基于歷元的差分處理

對于采集的數(shù)據(jù)，利用簡單的直線模型來反映差分改正值[7]。

1）在監(jiān)測點上記錄坐標(biāo)(x, y, z)和歷元觀測值t，可自動記錄在手簿或手工記錄上。

2）得到移動站監(jiān)測點的數(shù)據(jù)文件，與基準(zhǔn)點坐標(biāo)進(jìn)行差分，以改正觀測坐標(biāo)，具體計算公式為：

3）采用直線內(nèi)插的方式，得到該歷元間的差分改正數(shù)，計算公式為：

4）計算各移動站經(jīng)差分改正后的坐標(biāo)，計算公式為：

利用基于歷元的差分處理方法獲得8個觀測點在X、Y、Z方向相應(yīng)的差分改正值，如表3所示。利用式（5）推導(dǎo)差分后的各監(jiān)測點坐標(biāo)，計算各方向的中誤差，并與原始觀測值進(jìn)行對比分析，如表4所示，可以看出，差分后8個監(jiān)測點在X、Y、Z方向的中誤差并沒有明顯變化規(guī)律，一般在0～4 mm內(nèi)波動，但其中D點高程方向和F點X方向的中誤差均有較大變化，其他點差分改正后的坐標(biāo)中誤差并沒有明顯降低，說明在本實驗中直線內(nèi)插法未能有效提高精度。

表3 差分改正值

表4 中誤差對比表

3 實驗分析與建議

采用CORS-RTK測量時，只要觀測條件良好，基準(zhǔn)站和流動站同步觀測到的衛(wèi)星數(shù)一般在6顆以上，觀測數(shù)據(jù)精確，且若GPS與當(dāng)?shù)谻ORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈接能夠正常工作，保證獲取到CORS基站的原始數(shù)據(jù)，那么CORS-RTK測量的精度就可控制在一定范圍之內(nèi)。通過上述兩個實驗可以看出，平面精度一般在0～30mm，而高程精度會差一點，一般約為10～40mm，少數(shù)歷元處會發(fā)生1～2mm的突變，可通過延長觀測時間或多測量幾個周期的方式改善。

實驗一驗證了CORS對變形的敏感度，通過在不同方向上人為產(chǎn)生不同的變化量可以看出，CORS動態(tài)測量對cm級的變形量監(jiān)測較好，但對mm級的變形量就會受到限制，且監(jiān)測不穩(wěn)定，易發(fā)生突變。實驗二通過對比CORS測量與全站儀監(jiān)測的結(jié)果證明了基于已知坐標(biāo)的差分技術(shù)在該條件下的測量結(jié)果是完全可靠的；但該實驗得到的結(jié)果只是片面的，并沒有開展其他有效實驗，過程中也存在各種誤差的影響。實驗三主要觀測數(shù)據(jù)之間相互差分，運用直線模型來確定改正數(shù)是否與歷元存在關(guān)系，結(jié)果表明，實驗觀測精度與觀測時間的相關(guān)性不顯著，難以通過選擇有利的觀測時間來提高觀測精度，還不能完全滿足mm級變形監(jiān)測的精度要求；該實驗僅采取了一種模型進(jìn)行處理，無法確定關(guān)系，還可運用其他處理模式來找出差分改正值之間的關(guān)系，以達(dá)到mm級精度要求。通過上述實驗可以看出，該模式適用于cm級精度要求的變形監(jiān)測，但存在觀測條件的限制，目前只能通過后處理解算的方式將精度提高到mm級。