VRS技術(shù)與PPK的作業(yè)方法在西藏CORS系統(tǒng)中適用性驗(yàn)證

黃訓(xùn)兵 王濤

（西藏自治區(qū)測(cè)繪院，西藏 拉薩 850000）

0 引言

當(dāng)前，在現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系當(dāng)中，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）是最為具有基礎(chǔ)性的工程之一。與其他測(cè)量手段相比，基于CORS 的測(cè)量在精準(zhǔn)度和測(cè)量效率上具有一定優(yōu)勢(shì)，而我國(guó)的CORS 的網(wǎng)絡(luò)RTK 除西藏以外的地區(qū)應(yīng)用較為廣泛。由于西藏通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低、CORS 建設(shè)維護(hù)狀況相對(duì)落后等一系列原因，西藏CORS的使用率相對(duì)較低。虛擬參考站法（VRS）技術(shù)與事后差分動(dòng)態(tài)處理方法（PPK）是目前比較成熟的技術(shù)，將這兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)運(yùn)用或?qū)⑦m合西藏區(qū)域特點(diǎn)，驗(yàn)證VRS與PPK 相結(jié)合的作業(yè)方法在西藏CORS 系統(tǒng)中的適用性，對(duì)于推廣西藏CORS 的應(yīng)用，對(duì)發(fā)揮西藏CORS 服務(wù)西藏社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 西藏CORS應(yīng)用的現(xiàn)狀

目前，西藏CORS 系統(tǒng)的應(yīng)用水平遠(yuǎn)落后于區(qū)外省份。主要表現(xiàn)為：（1）西藏基站相對(duì)較少，2019 年前，投入使用的只有少量現(xiàn)代基準(zhǔn)的陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站[1]，2019 年底，新建的30 個(gè)GNSS CORS 開(kāi)始投入運(yùn)行。目前，接收機(jī)主要為南方SOUTHNETS9、天寶（Trimble）NETR8/9系列。（2）西藏CORS系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)有待提高，主要原因是維護(hù)經(jīng)費(fèi)和人員較少、氣候環(huán)境惡劣、維護(hù)難度大等，目前，仍有部分基站數(shù)據(jù)需要人工拷貝數(shù)據(jù)，西藏CORS 每天平均觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為23.41h，95%的分位點(diǎn)為23.35h；平均數(shù)據(jù)有效率為96.90%，95%的分位點(diǎn)為96.96h；數(shù)據(jù)連續(xù)性方面中斷比例達(dá)19.56%[2]。（3）數(shù)據(jù)使用率相對(duì)較低，目前僅有36 家單位注冊(cè)使用相關(guān)服務(wù)。西藏CORS 系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)外發(fā)布服務(wù)從2019 年年底才正式開(kāi)始，起步較晚，作業(yè)單位更習(xí)慣采用傳統(tǒng)RTK 測(cè)量的作業(yè)方法，使用CORS 系統(tǒng)的作業(yè)生產(chǎn)的習(xí)慣尚未培養(yǎng)形成，使用意愿不強(qiáng)烈。

2 西藏CORS應(yīng)用的展望

2.1 VRS技術(shù)在西藏CORS系統(tǒng)應(yīng)用的初步探討

多基站差分是現(xiàn)在和未來(lái)GPS 發(fā)展的一個(gè)重要方向，用于多基站差分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法將會(huì)是多樣化的，作為對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的有效手段，虛擬參考站法(VRS)表現(xiàn)出了許多的優(yōu)勢(shì)，目前是世界上應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)，因此有其存在的價(jià)值，該方法也會(huì)有進(jìn)一步的發(fā)展。使用VRS解算模型的軟件有Trimble公司的GPSNet、Topcon公司的TopNet、南方測(cè)繪公司的Venus。

VRS 工作原理和流程如下：（1）多個(gè)參考站將觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心。（2）數(shù)據(jù)中心針對(duì)從參考站內(nèi)獲取到的不同基線所具有的載波相位全周期模糊度數(shù)值進(jìn)行在線計(jì)算和解析。（3）計(jì)算出參考站各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整周模糊度以后，通過(guò)參考站（網(wǎng)）相位觀測(cè)所得的數(shù)值進(jìn)行不同基線造成誤差源頭的具體或者整體誤差造成影響的數(shù)值，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行空間參數(shù)模型的構(gòu)建，主要參數(shù)包括對(duì)流層、電離層、軌道誤差等有關(guān)距離所存在的誤差。（4）流動(dòng)站利用通過(guò)單點(diǎn)定位粗略的坐標(biāo)（NMEA-0183 格式）經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路向數(shù)據(jù)中心進(jìn)行傳輸，利用流動(dòng)站單點(diǎn)定位的概略坐標(biāo)進(jìn)行虛擬參考站（VRS）的創(chuàng)建，隨后利用用戶、參考站以及衛(wèi)星之間存在的幾何關(guān)聯(lián)，通過(guò)內(nèi)插計(jì)算，獲取到VRS上對(duì)不同誤差源產(chǎn)生影響的改正值，并以RTCM的格式依據(jù)差分改正數(shù)據(jù)向流動(dòng)站用戶進(jìn)行發(fā)送。（5）數(shù)據(jù)中心在將差分改正數(shù)據(jù)傳送給用戶以后，流動(dòng)用戶通過(guò)差分解析計(jì)算確定修正后的位置。在這一運(yùn)行模式下，流動(dòng)用戶站跟VRS 之間形成短基線，因?yàn)榭刂浦行膶?duì)參考站獲取到的觀測(cè)值進(jìn)行模擬，在物理層面上實(shí)際并不存在，因此被叫虛擬參考站[3-4]。VRS具體運(yùn)行原理見(jiàn)圖1。

在未來(lái)幾年內(nèi)，我們國(guó)家除西藏以外的地區(qū)已廣泛應(yīng)用基于VRS 技術(shù)的CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)，還難以在西藏CORS系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。主要瓶頸為以下三個(gè)方面：（1）部分西藏CORS 因?yàn)橛布l件的限制，觀測(cè)數(shù)據(jù)依賴人工拷貝，無(wú)法實(shí)時(shí)傳送回?cái)?shù)據(jù)中心。（2）目前西藏CORS 尚未組網(wǎng)，只能滿足單基準(zhǔn)站差分服務(wù)的需求，基于VRS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)RTK需要多個(gè)（三個(gè)以上）CORS的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)參與距離相關(guān)誤差的空間參數(shù)模型的解算。（3）基于VRS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)RTK，需要建立信息中心與用戶實(shí)時(shí)的雙向數(shù)據(jù)傳輸鏈路，西藏地廣人稀，通訊設(shè)施建設(shè)的水平與其它省份差距巨大，還存在著很多無(wú)線網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)或不穩(wěn)定區(qū)域，制約了基于VRS技術(shù)網(wǎng)絡(luò)RTK的應(yīng)用。

針對(duì)以上三個(gè)方面的應(yīng)用瓶頸，事后差分動(dòng)態(tài)處理方法（PPK）或可很好的解決。

2.2 PPK在西藏CORS系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)或不穩(wěn)定區(qū)域，用戶無(wú)法實(shí)時(shí)穩(wěn)定地接收到VRS的差分改正信息，故實(shí)時(shí)的VRS技術(shù)在西藏地區(qū)還存在很大據(jù)局限性。通過(guò)事后在用戶站附近位置生成VRS觀測(cè)數(shù)據(jù)的方法，利用動(dòng)態(tài)定位后處理技術(shù)（PPK）實(shí)現(xiàn)VRS 與用戶站的事后差分解算，可作為CORS網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的一種補(bǔ)充手段。關(guān)鍵技術(shù)在于構(gòu)建出VRS上的觀測(cè)值和動(dòng)態(tài)后處理算法[5]。

PPK 是目前比較成熟的數(shù)據(jù)處理方法，PPK 無(wú)需進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸就能夠開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在野外進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，地面的物體和地貌通常不會(huì)對(duì)移動(dòng)站跟基準(zhǔn)站造成影響，所以相較于動(dòng)態(tài)RTK，事后差分PPK 測(cè)量系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢(shì)[6]，而VRS 技術(shù)與PPK 的作業(yè)方法在西藏CORS 系統(tǒng)應(yīng)用中則更加符合西藏地區(qū)的實(shí)際情況，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

一是采用PPK 測(cè)量方式的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)虛擬參考站VRS 技術(shù)在西藏CORS 系統(tǒng)的應(yīng)用，目前西藏CORS 系統(tǒng)尚未組網(wǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于VRS 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)RTK 服務(wù)，只能單基站差分，使用PPK 技術(shù)后，可以按實(shí)際需求選取多個(gè)基站數(shù)據(jù)采用虛擬參考站VRS 進(jìn)行差分，在有效距離方面，虛擬參考站VRS 的應(yīng)用使得RTK 技術(shù)從15km 提高到超過(guò)50km，極大地提高了中長(zhǎng)基線(20km～50km)上的相對(duì)定位精度[7]。二是擴(kuò)大了西藏CORS 系統(tǒng)可用的空間范圍和應(yīng)用場(chǎng)景，有助于提高西藏CORS系統(tǒng)的利用率?，F(xiàn)階段應(yīng)用的單基站CORS 差分技術(shù)30km 以內(nèi)的實(shí)時(shí)定位精度較好[8]，但這種技術(shù)依賴無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，西藏地區(qū)通訊基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)還很落后，尚存在大面積的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)或不穩(wěn)定區(qū)域，單CORS 基站差分網(wǎng)絡(luò)RTK 的實(shí)際可用范圍受到了客觀條件極大的制約。而現(xiàn)階段西藏地區(qū)更廣泛的采用傳統(tǒng)RTK技術(shù)，會(huì)隨著基線長(zhǎng)度的增加，站間對(duì)流層和電離層等誤差所存在的關(guān)聯(lián)不斷下降甚至清除，站間星際差分無(wú)法將距離有關(guān)的偏差進(jìn)行減弱甚至消失，傳統(tǒng)RTK理論基礎(chǔ)決定了其單基站的作業(yè)范圍不宜過(guò)大。同時(shí)，傳統(tǒng)的RTK系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)一般是RTCM 差分信號(hào)，是通過(guò)超高頻UHF、甚高頻VHF 獲取的，實(shí)際作業(yè)范圍當(dāng)然會(huì)受到電臺(tái)發(fā)射的功率和站間“電磁波通視”條件的限制，通常情況下，電臺(tái)的信號(hào)覆蓋半徑不超過(guò)15km，由于UHF 與VHF 的衍射性能差，而且都是站間直線傳播，這就要求天線必須“準(zhǔn)光學(xué)通視”，所以在山區(qū)、林區(qū)或者荒漠地區(qū)等地形、地貌較為復(fù)雜的地區(qū)，傳統(tǒng)RTK 作業(yè)范圍會(huì)受到很大限制。而不依賴于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和電臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)的PPK 處理技術(shù)就較好的解決了這個(gè)問(wèn)題。三是減少了野外作業(yè)的工作量，節(jié)約了測(cè)量成本，傳統(tǒng)RTK 需要架設(shè)基準(zhǔn)站，在人工、設(shè)備、和車輛調(diào)配上成本相對(duì)較高，架設(shè)一次基準(zhǔn)站作業(yè)的范圍相對(duì)較小，超出作業(yè)范圍需要頻繁重新架設(shè)基準(zhǔn)站，采用PPK 的測(cè)量方式后，CORS 系統(tǒng)得以應(yīng)用，在野外控制測(cè)量等工作上免除了大量的低等級(jí)控制導(dǎo)線、控制網(wǎng)的測(cè)設(shè)作業(yè)。而高原環(huán)境下氧氣缺乏、寒冷、紫外線強(qiáng)烈、氣壓低等都會(huì)造成人不同程度的生理性損傷，出現(xiàn)無(wú)法正常呼吸，會(huì)引發(fā)頭疼、心率過(guò)快、血壓增加、臟器變大等癥狀，長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境性缺氧甚至?xí)斐捎谰眯詡麣圼9]，降低野外作業(yè)的實(shí)踐和強(qiáng)度對(duì)于西藏地區(qū)具有十分重要的意義。

3 基于VRS 技術(shù)的CORS 系統(tǒng)PPK 測(cè)量方式在西藏地區(qū)的驗(yàn)證

流動(dòng)站初始化與數(shù)據(jù)采集：首先要對(duì)流動(dòng)站進(jìn)行初始化處理，完成以后，采樣間隔為5s，在無(wú)通信數(shù)據(jù)鏈的情況下，直接測(cè)量點(diǎn)位，并將靜態(tài)觀測(cè)信息進(jìn)行保存，在各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行20 分鐘的觀測(cè)，始終保持開(kāi)機(jī)狀態(tài)，使接收機(jī)持續(xù)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤。假如衛(wèi)星發(fā)生失鎖問(wèn)題，需要重新將接收機(jī)初始化，并依據(jù)上述操作流程重新操作。

測(cè)試方法：（1）選取拉薩附近19 個(gè)C 級(jí)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，將它們的成果坐標(biāo)作為參考值；（2）按5min、10min、15min、20min 時(shí)長(zhǎng)，截取測(cè)試點(diǎn)位觀測(cè)數(shù)據(jù)（采樣率均為1s，歷元數(shù)分別為300、600、900、1200）；（3）選取西藏CORS 墨竹工卡站（XZMZ）、江孜站（XZJZ）、申扎站（XZSZ）三個(gè)參考站連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)參與解算，利用PPK 服務(wù)平臺(tái)軟件分別生成各點(diǎn)位的VRS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，并以VRS 為基準(zhǔn)點(diǎn)，通過(guò)動(dòng)態(tài)后處理差分解算測(cè)試點(diǎn)位結(jié)果；（4）對(duì)比解算結(jié)果與參考值差異。測(cè)試點(diǎn)位不同時(shí)長(zhǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)均能獲得固定解，因數(shù)據(jù)保密需要，只將計(jì)算結(jié)果與參考值三維分量差值展示，見(jiàn)圖2。

不同分量上的誤差中誤差情況見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量點(diǎn)中誤差的中誤差表（單位：m）

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，能否快速定位也是一項(xiàng)重要的考量指標(biāo)，為了進(jìn)一步研究采用VRS與PPK 相結(jié)合的作業(yè)方法在西藏地區(qū)CORS應(yīng)用中不同觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的平面位置收斂性，圖3 為拉林5 點(diǎn)位上的平面誤差收斂效果圖。

4 結(jié)論

基于上述測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：（1）通過(guò)圖2可以看出，在采用廣播星歷的情況下，生成的VRS 數(shù)據(jù)用于長(zhǎng)基線靜態(tài)后處理精度可以達(dá)到±5cm 以內(nèi)；（2）根據(jù)西藏自治區(qū)測(cè)繪院30 個(gè)CORS 交付使用前的單基站CORS網(wǎng)絡(luò)RTK精度檢測(cè)，流動(dòng)站在30km以內(nèi)X、Y方向的分量精度在±5cm 左右，通過(guò)表1可以看出，基于西藏CORS 系統(tǒng)采用VRS 技術(shù)和PPK 作業(yè)模式，5min 觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)與單基站CORS 網(wǎng)絡(luò)RTK 精度相當(dāng)。（3）通過(guò)圖3 可以看出，基于西藏CORS 系統(tǒng)使用VRS技術(shù)與PPK 作業(yè)方法，平面位置誤差隨著歷元數(shù)增加收斂，當(dāng)流動(dòng)站采樣間隔為1s時(shí)，5min（300個(gè)歷元）測(cè)站觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到較好的精度，延長(zhǎng)測(cè)站觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，差分精度改善不明顯。（4）依據(jù)VRS技術(shù)與PPK 作業(yè)方法在西藏CORS 系統(tǒng)中不依賴網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、無(wú)需設(shè)置基準(zhǔn)站、長(zhǎng)基線、平面位置誤差收斂快、精度較高等特性，在西藏特殊地區(qū)的作業(yè)時(shí)，該方法可以作為舊有測(cè)量方式的補(bǔ)充或替代方案。

由于西藏CORS 系統(tǒng)暫未進(jìn)行水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，本文未對(duì)西藏CORS 系統(tǒng)采用VRS 技術(shù)和PPK 作業(yè)模式下高程精度進(jìn)行驗(yàn)證。西藏CORS支持多系統(tǒng)，GNSS在特殊地區(qū)多系統(tǒng)提升的效果值得進(jìn)一步研究。