千尋位置在公路勘測(cè)中的應(yīng)用研究

楊建華

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730050）

0.引言

在跨區(qū)域公路勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中，測(cè)繪屬于非常關(guān)鍵的一方面，同時(shí)也是貫穿于公路運(yùn)營(yíng)整個(gè)生命周期的工作，本身具備長(zhǎng)期性的特征[1]?？茖W(xué)合理地應(yīng)用新型測(cè)繪技術(shù)有利于提升公路勘測(cè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的測(cè)繪效率，所以對(duì)千尋位置服務(wù)在跨區(qū)域公路勘測(cè)過(guò)程中的應(yīng)用方向進(jìn)行充分挖掘，分析其應(yīng)用的可行性，針對(duì)其優(yōu)勢(shì)點(diǎn)進(jìn)行充分利用，將其價(jià)值全面體現(xiàn)出來(lái)是很有必要的，對(duì)于跨區(qū)域公路勘測(cè)而言，具有較高的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

現(xiàn)階段我國(guó)公路勘測(cè)技術(shù)包含較多的測(cè)量技術(shù)手段，主要有單基站RTK、CORS-RTK、無(wú)人機(jī)航測(cè)、車(chē)載激光掃描等。單基站RTK技術(shù)有著一定的缺陷性，具體表現(xiàn)為作業(yè)準(zhǔn)確程度伴隨著距離的增加而逐漸下降[3]，并且經(jīng)常受到作用距離的限制；區(qū)域CORS-RTK技術(shù)能夠解決上一種技術(shù)存在的各項(xiàng)缺陷，但在跨區(qū)域勘測(cè)時(shí)，也存在作業(yè)距離受限的現(xiàn)象[4]，此種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)較為繁瑣，申請(qǐng)流程復(fù)雜，應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)邊界處以后難以確保準(zhǔn)確性；無(wú)人機(jī)航測(cè)非常方便和靈活，不過(guò)氣候因素對(duì)其有著直接的影響，和全天候作業(yè)要求不相符。

本次研究從千尋位置定位原理出發(fā)，與CORS系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，突出千尋位置在跨區(qū)域公路勘測(cè)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，并利用實(shí)際工程項(xiàng)目對(duì)千尋位置在勘測(cè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，驗(yàn)證其可靠性和數(shù)據(jù)成果的準(zhǔn)確性。

1.千尋位置相關(guān)理論

1.1 千尋位置定位

千尋位置是基于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)，同時(shí)可以兼容GPS、GLONASS、Galileo衛(wèi)星定位系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)，是以“互聯(lián)網(wǎng)+位置（北斗）”概念為基礎(chǔ)，采用2 200個(gè)以上的地面基礎(chǔ)增強(qiáng)站和自主網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)的側(cè)位算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)計(jì)算。北斗地面基礎(chǔ)強(qiáng)化系統(tǒng)將全國(guó)單一網(wǎng)絡(luò)整合及構(gòu)建為加強(qiáng)位置服務(wù)建立開(kāi)放型平臺(tái)，為全國(guó)用戶(hù)提供動(dòng)態(tài)厘米級(jí)及靜態(tài)毫米級(jí)定位服務(wù)。采用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式，整合流媒體和流媒體產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)固定應(yīng)用發(fā)展，實(shí)現(xiàn)部門(mén)、地區(qū)及用戶(hù)之間的資源調(diào)整和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足國(guó)家產(chǎn)業(yè)及大眾市場(chǎng)的準(zhǔn)確位置服務(wù)需求。

千尋知寸（Find CM）是千尋位置中的重要組成部分，以北斗地基增強(qiáng)基準(zhǔn)站為基準(zhǔn)，基于CGCS 2000坐標(biāo)基準(zhǔn)框架，為系統(tǒng)內(nèi)的用戶(hù)提供動(dòng)態(tài)高精度厘米級(jí)定位服務(wù)。千尋位置是基于RTK技術(shù)開(kāi)發(fā)的厘米級(jí)全國(guó)范圍內(nèi)的定位服務(wù)，可以在全國(guó)大部分地區(qū)提供位置數(shù)據(jù)服務(wù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)全天候提供高可用性廣播，可使用產(chǎn)品群內(nèi)所有種類(lèi)的終端及應(yīng)用系統(tǒng)。在服務(wù)范圍內(nèi)，客戶(hù)不需要自行建設(shè)測(cè)量基站。千尋知寸厘米級(jí)定位服務(wù)隨時(shí)都可以連接到國(guó)內(nèi)測(cè)量RTK終端設(shè)備，云端數(shù)據(jù)處理及通信服務(wù)器長(zhǎng)期處于在線(xiàn)狀態(tài)，從而達(dá)到改善測(cè)量作業(yè)的效率和提高測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。千尋知寸將多個(gè)衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行充分融合，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)的高精度快速固定；同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)NTRIP協(xié)議和RTCM差動(dòng)電報(bào)，滿(mǎn)足多種RTK測(cè)量終端使用需求。千尋位置定位原理如圖1所示。

圖1千尋位置定位原理

1.2 網(wǎng)絡(luò)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)

對(duì)于連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)來(lái)講，本身是將固定基準(zhǔn)參考站、計(jì)算機(jī)、因特網(wǎng)以及數(shù)據(jù)通信服務(wù)相互組合到一起的網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)作用非常多，可以為用戶(hù)提供動(dòng)態(tài)性的服務(wù)，有著信息化程度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好以及智能化的特征[5]。其中，網(wǎng)絡(luò)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)涉及多個(gè)方面，具體表現(xiàn)為參考站、數(shù)據(jù)計(jì)算中心、用戶(hù)終端以及通信鏈路等[6]。參考站主要包括衛(wèi)星接收機(jī)和天線(xiàn)，能夠有效提升觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性；數(shù)據(jù)計(jì)算中心能夠?qū)υ紨?shù)據(jù)進(jìn)行有效合理改正，保障測(cè)量結(jié)果的完整性及可靠性；用戶(hù)終端利用既定通信鏈路接受參考站和數(shù)據(jù)計(jì)算中心解析數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行準(zhǔn)確定位。網(wǎng)絡(luò)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)被稱(chēng)為CORS，屬于多基站CORS的一種，從多項(xiàng)參考站內(nèi)獲取觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，由計(jì)算中心提供區(qū)域數(shù)據(jù)改正信息，對(duì)移動(dòng)站觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行改正，在不需要架設(shè)參考站環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上直接和網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)施RTK測(cè)量工作。

CORS服務(wù)工作的實(shí)質(zhì)性目的是提供準(zhǔn)確的空間位置數(shù)據(jù)，在該項(xiàng)工作中，就要求諸多固定參考站進(jìn)行合理的觀(guān)測(cè)，采取優(yōu)選和加權(quán)處理的方式，為用戶(hù)區(qū)域提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，用戶(hù)結(jié)合相關(guān)改正信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)差分定位，獲取準(zhǔn)確空間位置數(shù)據(jù)。千尋知寸屬于一項(xiàng)動(dòng)態(tài)范圍中的網(wǎng)絡(luò)CORS服務(wù)方式，定位原理表現(xiàn)為：用戶(hù)將概略坐標(biāo)反饋給千尋網(wǎng)絡(luò)，采取因特網(wǎng)為授權(quán)用戶(hù)提供差分?jǐn)?shù)據(jù)，明確具體位置，使用戶(hù)接收機(jī)固件進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，最終確保相關(guān)定位結(jié)果的準(zhǔn)確性和完善性。

千尋位置定位技術(shù)是在原有CORS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行迭代更新，結(jié)合現(xiàn)代化測(cè)繪技術(shù)，逐漸發(fā)展壯大的測(cè)繪新技術(shù)，結(jié)合北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，對(duì)全國(guó)范圍內(nèi)的一張網(wǎng)進(jìn)行整合建設(shè)，建立全國(guó)范圍內(nèi)的位置服務(wù)開(kāi)放式的共有平臺(tái)，為系統(tǒng)內(nèi)的用戶(hù)提供多等級(jí)的高精度定位服務(wù)，主要包括米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)以及靜態(tài)后處理的毫米級(jí)定位服務(wù)。千尋網(wǎng)絡(luò)通常是應(yīng)用虛擬參考站技術(shù)實(shí)施工作，基本操作原理如圖2所示。

圖2 %CORS系統(tǒng)工作原理

1.3 地基增強(qiáng)系統(tǒng)

地基增強(qiáng)系統(tǒng)被稱(chēng)為GBAS，其屬于性能良好的一項(xiàng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位基礎(chǔ)設(shè)施，能夠最大程度提升衛(wèi)星導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性，為諸多用戶(hù)提供精準(zhǔn)的定位服務(wù)，使用戶(hù)能夠清晰準(zhǔn)確的進(jìn)行定位。地基增強(qiáng)系統(tǒng)包含了四項(xiàng)結(jié)構(gòu)，分別是計(jì)算中心、用戶(hù)終端、基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)和通信模塊，這幾種結(jié)構(gòu)相互組合到一起形成了地基增強(qiáng)系統(tǒng)，基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的功能是進(jìn)行合理監(jiān)測(cè)，獲取準(zhǔn)確的衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)；計(jì)算中心的功能是對(duì)改正數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，然后將數(shù)據(jù)播發(fā)出去。

格網(wǎng)VRS是進(jìn)一步創(chuàng)新和改善以往傳統(tǒng)的VRS服務(wù)，使其發(fā)揮出應(yīng)有的作用，當(dāng)處于計(jì)算環(huán)節(jié)中，依照實(shí)際的地理位置來(lái)分配參考站網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格，將各項(xiàng)網(wǎng)格點(diǎn)當(dāng)成一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的參考依據(jù)，遵循規(guī)范及用戶(hù)要求，對(duì)格網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)處理，借助精度較高的動(dòng)態(tài)性監(jiān)督數(shù)據(jù)，確定各格網(wǎng)點(diǎn)位置坐標(biāo)，形成各項(xiàng)網(wǎng)格點(diǎn)虛擬參考站內(nèi)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。然后以概略坐標(biāo)為主，分析用戶(hù)所處的格網(wǎng)，提供相關(guān)的差分觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，以此達(dá)到準(zhǔn)確性定位的目的。從格網(wǎng)VRS技術(shù)實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)象來(lái)看，主要特點(diǎn)在于使用單向通信，將計(jì)算機(jī)中心和用戶(hù)終端相互連接到一起，對(duì)于用戶(hù)終端來(lái)講，完全不需要將數(shù)據(jù)反饋給計(jì)算中心，在一定程度上大大降低數(shù)據(jù)獲取時(shí)間以及系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)有利于降低通信線(xiàn)路的負(fù)荷程度。

千尋地基增強(qiáng)系統(tǒng)的原理與網(wǎng)絡(luò)RTK定位技術(shù)類(lèi)似，是利用遍布全國(guó)各地的基準(zhǔn)站建立一個(gè)基準(zhǔn)站網(wǎng)，并以這些基準(zhǔn)站中的一個(gè)或多個(gè)為基準(zhǔn)，對(duì)差分改正信息進(jìn)行綜合計(jì)算并發(fā)送給移動(dòng)站，從而獲取該地區(qū)移動(dòng)站用戶(hù)的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)信息。與常規(guī)單基準(zhǔn)站定位相比，該方法覆蓋范圍更廣，定位精度更高，可靠性更強(qiáng)，可實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)定位結(jié)果，進(jìn)而取代省CORS系統(tǒng)以及單基站外掛電臺(tái)，進(jìn)行公路勘測(cè)階段的測(cè)量工作。

2.工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文以千尋知寸網(wǎng)絡(luò)CORS為基礎(chǔ)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)平面和高程控制網(wǎng)，明確其作業(yè)范圍，使用千尋知寸的動(dòng)態(tài)測(cè)量服務(wù)進(jìn)行公路勘測(cè)設(shè)計(jì)，以控制點(diǎn)各項(xiàng)坐標(biāo)差值為基準(zhǔn)，對(duì)利用千尋位置獲得的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)位坐標(biāo)數(shù)據(jù)校正，在達(dá)到轉(zhuǎn)換坐標(biāo)目的的基礎(chǔ)上，高效率進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合以上情況來(lái)看，本文對(duì)某公路勘測(cè)項(xiàng)目中千尋位置技術(shù)的應(yīng)用可行性及成果準(zhǔn)確性進(jìn)行研究，工程項(xiàng)目施工控制網(wǎng)如圖3所示。

圖3施工控制網(wǎng)

千尋位置定位不同于省CORS系統(tǒng)，省CORS系統(tǒng)具有較強(qiáng)的局限性，一般僅在固定范圍內(nèi)提供高精度定位服務(wù)，當(dāng)涉及跨區(qū)域公路勘測(cè)時(shí)，單一省CORS系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足勘測(cè)需求，數(shù)據(jù)鏈接較為復(fù)雜。千尋位置針對(duì)CORS系統(tǒng)存在的弊端進(jìn)行合理改善，在全國(guó)范圍內(nèi)大量設(shè)置基準(zhǔn)站，故千尋位置可提供全國(guó)范圍內(nèi)的高精度定位服務(wù)，在跨地區(qū)的測(cè)量過(guò)程中，可直接獲取2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息，如存在不同坐標(biāo)系，則僅需要在RTK中進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換即可。

2.2 數(shù)據(jù)分析

本次研究過(guò)程中的工程項(xiàng)目所布設(shè)的平面控制網(wǎng)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，共存有GPS控制點(diǎn)19個(gè)，同時(shí)對(duì)GPS控制點(diǎn)也進(jìn)行了二等水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)，各基準(zhǔn)點(diǎn)間距約為5～7km，均勻分布于公路沿線(xiàn)。本文以千尋知寸為基礎(chǔ)，基于點(diǎn)校正算法，獲取坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)均勻選擇10個(gè)控制點(diǎn)，所選擇的10個(gè)控制點(diǎn)需要對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行完整覆蓋，點(diǎn)校正殘差計(jì)算結(jié)果如表1和圖4所示。

表1點(diǎn)校正殘差 單位：m

圖4點(diǎn)校正殘差

利用各個(gè)控制點(diǎn)的校正成果數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)的計(jì)算，然后以轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)系統(tǒng)為參考系，采用千尋知寸技術(shù)對(duì)其他待測(cè)量的控制點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)采集，并選取剩余9個(gè)控制點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)精度檢核點(diǎn)，分別從平面中誤差和高程中誤差對(duì)千尋位置測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行精度分析。平面中誤差和高程中誤差計(jì)算式如式（1）所示，坐標(biāo)精度檢核結(jié)果如表2和圖5所示。

平面中誤差可根據(jù)X、Y方向的中誤差進(jìn)行求解，如式（2）所示：

式（1）和式（2）中，m為各方向中誤差；△為各方向真誤差；n為檢核點(diǎn)數(shù)量。

表2檢核點(diǎn)檢核比測(cè)結(jié)果 單位：m

圖5檢核點(diǎn)檢核比測(cè)結(jié)果

由表2和圖5可知：測(cè)區(qū)控制網(wǎng)平面中誤差為0.0143 m，高程中誤差為0.0205 m，均達(dá)到厘米級(jí)精度，且轉(zhuǎn)換后的控制點(diǎn)與檢核點(diǎn)的X、Y、Z方向差值波動(dòng)較小，滿(mǎn)足公路勘測(cè)規(guī)范要求，故采用千尋位置進(jìn)行公路勘測(cè)工作。

測(cè)量速度較快，大大提高了測(cè)量效率，且測(cè)量結(jié)果能夠滿(mǎn)足規(guī)范和使用要求，有利于跨區(qū)域公路沿線(xiàn)勘測(cè)工作的快速開(kāi)展。

3.結(jié)束語(yǔ)

本次研究通過(guò)對(duì)千尋網(wǎng)絡(luò)CORS及其基本運(yùn)行原理進(jìn)行詳細(xì)探究，提出了在跨區(qū)域公路勘測(cè)中應(yīng)用千尋位置服務(wù)的實(shí)際思路，依照公路勘測(cè)項(xiàng)目案例進(jìn)行了精度方面的論證，具體獲得的結(jié)論如下：

（1）千尋位置中千尋知寸自身可提供厘米級(jí)定位服務(wù)，精度較高，完全滿(mǎn)足施工作業(yè)要求，同時(shí)千尋知寸覆蓋范圍較廣，無(wú)需單獨(dú)架設(shè)基站，使用較為靈活，在跨地區(qū)測(cè)量時(shí)無(wú)需更換定位服務(wù)系統(tǒng)，整體精度較高。

（2）通過(guò)工程實(shí)例，對(duì)跨區(qū)域公路勘測(cè)初測(cè)和定測(cè)階段千尋位置定位進(jìn)行綜合研究。研究結(jié)果表明：基于千尋位置的高精度RTK測(cè)量成果相對(duì)于基于省CORS系統(tǒng)的RTK測(cè)量成果，數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；針對(duì)傳統(tǒng)RTK測(cè)量和CORS系統(tǒng)測(cè)量存在的較大局限性，千尋位置提供了較好的解決方案，可廣泛應(yīng)用于較長(zhǎng)距離的公路勘測(cè)工作，尤其是針對(duì)跨省區(qū)的公路勘測(cè)。

（3）千尋位置整體使用成本要遠(yuǎn)低于單基站RTK和省CORS系統(tǒng)，且賬號(hào)注冊(cè)限制要求較少，單一賬號(hào)就能夠滿(mǎn)足多個(gè)省市的測(cè)量需求，不同儀器設(shè)備之間可進(jìn)行靈活切換，不但能夠節(jié)省測(cè)量成本，還能夠提高工作效率，提升測(cè)量成果質(zhì)量，具有較高的實(shí)用性。