王上鑌 陸愛萍

【摘 要】分析了GPS連續(xù)運行參考站網(wǎng)（CORS）在測量當(dāng)中的應(yīng)用情況、應(yīng)用分類、應(yīng)用特點，結(jié)合分析，介紹了CORS在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用范例。重點分析了網(wǎng)絡(luò)RTK在工程測量中的應(yīng)用情況及存在的問題，并進一步提出了發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】GPS連續(xù)運行參考站網(wǎng)（CORS）；工程測量；應(yīng)用

第一章 緒論

1.1 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）、計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LAN/WAN）等技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，連續(xù)運行基準(zhǔn)站系統(tǒng)（Continuous Operational Reference Systems， 簡稱CORS）應(yīng)運而生。CORS很好的解決了長距離、大規(guī)模的厘米級高精度實時定位的問題，CORS在測量中擴大了覆蓋范圍、降低了作業(yè)成本、提高了定位精度和減少了用戶定位的初始化時間。CORS的出現(xiàn)又將使測量進行一次變革，那么CORS是如何來定位，又能提供哪些定位模式及結(jié)合作者在實際測量工作中的優(yōu)缺點，這就是本文要進行探討的問題。

1.2 CORS的定位原理及模式

1.2.1 CORS的概念

連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System， 簡稱CORS）可以定義為一個或若干個固定的、連續(xù)運行的GPS參考站，利用現(xiàn)代計算機、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN/WAN）技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實時地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經(jīng)過檢驗的不同類型的GPS觀測值（載波相位，偽距），各種改正數(shù)、狀態(tài)信息，以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項目的系統(tǒng)。

1.2.2 CORS的構(gòu)成

CORS主要由以下幾個子系統(tǒng)構(gòu)成：控制中心、固定參考站、數(shù)據(jù)通訊和用戶部分。

（1）控制中心

控制中心是整個系統(tǒng)的核心，既是通訊控制中心，也是數(shù)據(jù)處理中心。它通過通訊線（光纜，ISDN，電話線等）與所有的固定參考站通訊；通過無線網(wǎng)絡(luò)（GSM、CDMA、GPRS等）與移動用戶通訊。由計算機實時系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的運行，所以控制中心的軟件既是數(shù)據(jù)處理軟件，也是系統(tǒng)管理軟件。

（2）固定參考站

固定參考站是固定的GPS接收系統(tǒng)，分布在整個網(wǎng)絡(luò)中，一個CORS網(wǎng)絡(luò)可包括無數(shù)個站，但最少要3個站，站與站之間的距離可達70km（傳統(tǒng)高精度GPS網(wǎng)絡(luò)，站間距離不過10～20km）。固定站與控制中心之間有通訊線相連，數(shù)據(jù)實時地傳送到控制中心。

（3）數(shù)據(jù)通訊部分

CORS的數(shù)據(jù)通訊包括固定參考站到控制中心的通訊及控制中心到用戶的通訊。參考站到控制中心的通訊網(wǎng)絡(luò)負責(zé)將參考站的數(shù)據(jù)實時地傳輸給控制中心；控制中心和用戶間的通訊網(wǎng)絡(luò)是指如何將網(wǎng)絡(luò)校正數(shù)據(jù)送給用戶。一般來說，網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)有兩種工作方式：單向方式和雙向方式。在單向方式下，只是用戶從控制中心獲得校正數(shù)據(jù)，而所有用戶得到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是一致的，如主輔站技術(shù)MAX；在雙向方式下，用戶還需將自己的粗略位置（單點定位方式產(chǎn)生）報告給控制中心，由控制中心有針對性地產(chǎn)生校正數(shù)據(jù)并傳給特定的用戶，每個用戶得到的數(shù)據(jù)則可能不同，如虛擬參考站VRS技術(shù)。

（4）用戶部分

用戶部分就是用戶的接收機，加上無線通訊的調(diào)制解調(diào)器及相關(guān)的設(shè)備。

CORS的工作流程圖如圖1，圖2所示：

圖2

1.2.3 CORS支持下的定位模式

單基站系統(tǒng)：就是只有一個連續(xù)運行站。類似于一加一的RTK，只不過基準(zhǔn)站由一個連續(xù)運行的基準(zhǔn)站代替，基準(zhǔn)站上有一個控制軟件實時監(jiān)控衛(wèi)星的狀態(tài)，存儲和發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。

多基站系統(tǒng)：分布在一定區(qū)域內(nèi)的多臺連續(xù)觀測站，每一個觀測站都是一個單基站，同時每一個單基站還有一個中央控制計算機控制。

1.2.3.1 DGPS

差分GPS（Differential GPS，DGPS）要求至少有兩臺接收機，一臺固定，一臺用于流動定位。固定的接收機是關(guān)鍵，流動站以它作為參考站來進行GPS衛(wèi)星測量。根據(jù)差分GPS參考站發(fā)送的信息方式可將差分GPS定位分為三類，即：位置差分、偽距差分、相位差分。這三類差分方式的工作原理是相同的，即都是由參考站發(fā)送改正數(shù)，由用戶流動站接收并對其測量結(jié)果進行改正，以獲得精確的定位結(jié)果。所不同的是，發(fā)送改正數(shù)的具體內(nèi)容不一樣，其差分定位精度也不同。

1.2.3.2 RTK

RTK技術(shù)（Real Time Kinematic，RTK） 又稱為載波相位差分技術(shù)，是建立在實時處理兩個測站的載波相位基礎(chǔ)上的，它能實時提供觀測點的三維坐標(biāo)，并達到厘米級的高精度。與偽距差分原理相同，由參考站通過數(shù)據(jù)鏈實時將其載波觀測量及參考站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站一方面通過接收機接收GPS衛(wèi)星的載波相位，同時通過無線電接收設(shè)備接收參考站傳送的信息，根據(jù)相對定位原理組成相位差分觀測值進行處理，實時地以厘米級的精度給出用戶站三維坐標(biāo)。

載波相位差分GPS有兩種定位方法：改正法和求差法。前者與偽距差分相同，參考站將載波相位的改正量發(fā)送給用戶站，對用戶站的載波相位進行改正，然后求解坐標(biāo)。后者是將參考站的載波相位發(fā)送給用戶站，并由用戶站將觀測值求差進行坐標(biāo)解算。

1.2.3.3 網(wǎng)絡(luò)RTK

網(wǎng)絡(luò)RTK也稱多基準(zhǔn)站RTK，是近年來在常規(guī)RTK、計算機技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種實時動態(tài)定位新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的應(yīng)用實例，它由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通訊鏈路和用戶部分組成。一個基準(zhǔn)站網(wǎng)可包含若干個基準(zhǔn)站，每個基準(zhǔn)上配備有雙頻全波長GNSS接收機、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備和氣象儀器等?；鶞?zhǔn)站的精確坐標(biāo)一般可采用長時間GNSS靜態(tài)相對定位等方法確定?；鶞?zhǔn)站GNSS接收機按一定采樣率進行連續(xù)觀測，通過數(shù)據(jù)通訊鏈路實時將觀測數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心首先對各個站的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和質(zhì)量分析，然后對整個基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解算，實時估計出網(wǎng)內(nèi)的各種系統(tǒng)誤差的改正項（電離層、對流層和軌道誤差），建立誤差模型。網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)根據(jù)通訊方式不同，分為單向數(shù)據(jù)通訊和雙向數(shù)據(jù)通訊。單向數(shù)據(jù)通訊中，數(shù)據(jù)處理中心直接通過數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備把誤差參數(shù)廣播出去，用戶收到這些誤差改正參數(shù)后，根據(jù)自己的位置和相應(yīng)的誤差改正模型計算出誤差改正數(shù)，然后進行高精度定位。雙向數(shù)據(jù)通訊中，數(shù)據(jù)處理中心實時偵聽流動站的服務(wù)請求和接收流動站發(fā)過來的近似坐標(biāo)，根據(jù)流動站的近似坐標(biāo)和誤差模型，求出流動站處的誤差后，直接播發(fā)改正數(shù)或者虛擬觀測值給用戶?；鶞?zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)通訊可采用數(shù)據(jù)網(wǎng)DDN或無線通訊等方法進行。流動站和數(shù)據(jù)處理中心間的雙向數(shù)據(jù)通信則可通過GPRS、CDMA等方式進行。

單基準(zhǔn)站系統(tǒng)雖說比常規(guī)RTK有所改進，但還是不能解決向長距離定位等問題，多基準(zhǔn)站系統(tǒng)在作業(yè)過程中，用戶站從一個參考站的有效精度范圍進入另一個參考站的精度范圍，嚴(yán)格意義上講還是屬于常規(guī)RTK，如果要使基線精度優(yōu)于3厘米，需要在一個區(qū)域內(nèi)密集的布設(shè)參考站，站間距離應(yīng)小于30km。精度隨著基線的增長而衰減，且分布不均勻，如果要求按一定精度覆蓋整個區(qū)域，需要架設(shè)較多的參考站。需要的投資也是巨大的。我們完全可以在一個較大的范圍內(nèi)均勻稀松的布設(shè)參考站，利用參考站網(wǎng)絡(luò)的實時觀測數(shù)據(jù)對覆蓋區(qū)域進行系統(tǒng)誤差建模，然后對區(qū)域內(nèi)流動用戶站觀測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差進行估計，盡可能消除系統(tǒng)誤差影響，獲得厘米級實時定位結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的精度覆蓋范圍大大增大，且精度分布均勻。網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)可以為各種用戶提供GPS原始數(shù)據(jù)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)RTK分米級實進定位可以滿足城市和市政測圖、資源管理、精細農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、水利測量、車輛自動定位導(dǎo)航系統(tǒng)、GIS、資產(chǎn)和市政管理等；網(wǎng)絡(luò)RTK厘米級高精度定位可以滿足地籍測量、建筑放樣和施工控制、港口和受限制水道的精密導(dǎo)航、線路道路測量、高精度資產(chǎn)管理、地形測量和工程測量、油氣勘探等。

1.2.3.4 VRS

與常規(guī)RTK不同，VRS網(wǎng)絡(luò)中，各固定參考站不直接向移動用戶發(fā)送任何改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊線發(fā)給控制中心。同時，移動用戶在工作前，先通過GSM的短信息功能向控制中心發(fā)送一個概略坐標(biāo)，控制中心收到這個位置信息后，根據(jù)用戶位置，由計算機自動選擇最佳的一組固定基準(zhǔn)站，根據(jù)這些站發(fā)來的信息，整體的改正GPS的軌道誤差、電離層、對流層和大氣折射引起的誤差，將高精度的差分信號發(fā)給移動站。（見圖3）這個差分信號的效果相當(dāng)于在移動站旁邊，生成一個虛擬的參考基站，從而解決了 RTK作業(yè)距離上的限制問題，并保證了用戶的精度。

虛擬參考站（VRS）具有的優(yōu)勢是：它只需要增加一個數(shù)據(jù)接收設(shè)備，不需增加用戶設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力，接收機的兼容性比較好；允許服務(wù)器應(yīng)用整個網(wǎng)絡(luò)的信息來計算電離層和對流層的復(fù)雜模型；在整個VRS生產(chǎn)步驟中對流層模型是一致的，消除了對流層誤差；虛擬參考站系統(tǒng)的另一個顯著優(yōu)點就是它的成果的可靠性、信號可利用性和精度水平在系統(tǒng)的有效覆蓋范圍內(nèi)大致均勻，同離開最近參考站的距離沒有明顯的相關(guān)性。

但VRS技術(shù)要求雙向數(shù)據(jù)通訊，流動站既要接收數(shù)據(jù)，也要發(fā)送自己的定位結(jié)果和狀態(tài)，每個流動站和數(shù)據(jù)處理中心交換的數(shù)據(jù)都是唯一的，這就對系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和控制中心的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)傳輸能力有很高的要求。由于通訊技術(shù)和計算機技術(shù)發(fā)展較快這些問題影響也不大，VRS技術(shù)目前應(yīng)用得比較廣泛，可以說網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的一個代表。

第二章 HZCORS在工程測量中的應(yīng)用實例

杭州CORS的建立相比常規(guī)RTK測量在工程測量有著很很大的優(yōu)越性，測區(qū)控制點的收集相對比較麻煩，有了CORS，無需再聯(lián)測已知控制點，只要申請相關(guān)時段的CORS數(shù)據(jù)即可。下面以杭州市余杭區(qū)第二期城鎮(zhèn)數(shù)字地籍調(diào)查項目為例，根據(jù)1：500地形圖測圖的需要，特布設(shè)了GPS一級控制網(wǎng)。GPS一級控制點的平面和高程值均采用HZCORS網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)進行測定。

在測量時充分體現(xiàn)了使用杭州CORS的優(yōu)越性：

1.可以大大提高測繪精度、速度與效率， 降低測繪勞動強度和成本， 省去測量標(biāo)志保護與修復(fù)的費用， 節(jié)省各項測繪工程實施過程中約30% 的控制測量費用。隨著CORS基站的建設(shè)和連續(xù)運行，就形成了一個以永久基站為控制點的網(wǎng)絡(luò)。

2.可以對控制點進行實時、有效、長期的監(jiān)測，連續(xù)運行參考站系統(tǒng)能夠全年365 天，每天24 小時連續(xù)不間斷地運行，全面取代常規(guī)大地測量控制網(wǎng)。用戶只需一臺GNSS 接收機即可進行毫米級、厘米級、分米級、米級的實時、準(zhǔn)實時的快速定位或事后定位。全天候地支持各種類型的GNSS 測量、定位。如果利用已建成的CORS對外開發(fā)使用，收費標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)各地的投入和實際情況制定，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

3.測量的數(shù)據(jù)為WGS84坐標(biāo)，通過杭州市勘測設(shè)計院提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換軟件進行坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，求得杭州市獨立坐標(biāo)。省去求參數(shù)的時間，控制點平面和高程成果在限差內(nèi)取三次觀測成果的平均值。

當(dāng)然CORS在使用過程中也存在有一些問題：

1.初始化

初始化能力和所需時間問題。在山區(qū)，一般林區(qū)，城鎮(zhèn)密樓區(qū)等地作業(yè)時，GPS衛(wèi)星信號被阻擋機會較多，容易造成失鎖，采用RTK作業(yè)時有時需要經(jīng)常重新初始化。這樣測量的精度和效率都會受影響。以余杭測區(qū)為例，一些高級住宅小區(qū)，鎮(zhèn)中心樓房密集等區(qū)域，RTK衛(wèi)星信號經(jīng)常被阻擋，中海達RTK所需初始化時間一般比較長，而且精度往往不是很好。高程兩次求得中誤差有時會超過5CM，甚至10CM以上。這樣不僅降低了測量效率，而且測量精度得不到保證。這些地方建議用水準(zhǔn)測量提高高程測量精度。

2.CORS測量成果的質(zhì)量控制

用CORS動態(tài)比靜態(tài)GPS還多出一些誤差因素-如數(shù)據(jù)鏈傳輸誤差等。因此，和GPS靜態(tài)測量相比，RTK測量更容易出錯，必須進行質(zhì)量控制。 質(zhì)量控制的方法主要有：

（1）已知點檢核比較法--即在布測控制網(wǎng)時用靜態(tài)GPS或全站儀多測出一些控制點，然后用RTK測出這些控制點的坐標(biāo)進行比較檢核。發(fā)現(xiàn)問題即采取措施改正。

（2）重測比較法—每次初始化成功后，先重測1-2個已測過的RTK點或高精度控制點，確認(rèn)無誤后才進行RTK測量。

3.測量時段

白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，常接受不到5顆衛(wèi)星，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。在余杭測區(qū)，我們做過試驗，在同樣的條件和同樣的地點上進行RTK測量，上午11點之前和下午3：30分之后，RTK測量結(jié)果準(zhǔn)而快，而中午時分，很難進行RTK測量。

可見選擇作業(yè)時段的重要性選擇作業(yè)時段。一般中午時分不易進行RTK測量，或者測量效率很低，所以要早出工，晚收工，利用良好時段進行RTK測量，不僅效率快，而且精度高。.

4.測量盲區(qū)

在留下測量控制點的時候，發(fā)現(xiàn)杭州CORS網(wǎng)在一些個別地方，不同時間段都會信號很弱，甚至信號中斷等情況，建議市CORS網(wǎng)相關(guān)部門對這些地區(qū)進行進行維護，有必要時可以加密一些基站，以保證該地區(qū)信號的正常輸送。

5.服務(wù)問題

由于管理及政策的原因，我國各地CORS基本處于獨立運行的狀態(tài)，尚未實現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)的聯(lián)網(wǎng)。此外與國外相比，我國在GNSS定位技術(shù)研發(fā)、工程建設(shè)水平基本持平，但基準(zhǔn)站網(wǎng)覆蓋范圍、站點密度、服務(wù)內(nèi)容等存在一定差距。因此，建設(shè)一個地區(qū)參考站網(wǎng)的中遠期目標(biāo)是實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的信息資源共享，提供高精度的實時定位服務(wù)等目標(biāo)。

第三章 CORS的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

CORS的理論源于上世紀(jì)八十年代中期加拿大提出的“主動控制系統(tǒng)（Active Control System， ACS）”。該理論認(rèn)為GPS主要誤差源來自于衛(wèi)星星歷，D .E .Wells等人提出利用一批永久性參考站點，為用戶提供高精度的預(yù)報星歷以提高測量精度。

之后基準(zhǔn)站點（Fiducial Points，F(xiàn)P）概念的提出，使這一理論的實用化推進了許多，它的主要理論基礎(chǔ)即在同一批測量的GPS點中選出一些點位可靠，對整個測區(qū)具有控制意義的測站，采取較長時間的連續(xù)跟蹤觀測，通過這些站點組成的網(wǎng)絡(luò)解算，獲取覆蓋該地區(qū)和該時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，用于測區(qū)內(nèi)其它基線觀測值的精密解算。CORS是目前國內(nèi)乃至全世界GPS的最新技術(shù)和發(fā)展趨勢，發(fā)達國家基本上每幾十公里就有一個站，發(fā)展中國家也在陸續(xù)地建立起CORS。

當(dāng)前國外美國連續(xù)運行基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)（CORS）、加拿大的主動控制網(wǎng)系統(tǒng)（CACS）、日本GPS連續(xù)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)（COSMOS）、澳大利亞悉尼網(wǎng)絡(luò)RTK系統(tǒng)（SydNet）、德國衛(wèi)星定位與導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（SAPOS）都已投入使用；國內(nèi)而言，繼深圳率先建立CORS以來，CORS熱潮不斷，北京、上海、成都、青島、武漢、天津、杭州、昆明等地也都先后建立了市級CORS。

國內(nèi)第一個GPS永久性跟蹤站于1992年建立于武漢，用于全球陸地參考框架定義以及GPS衛(wèi)星軌道確定，而后分別在北京（1995），拉薩（1995），烏魯木齊（1995），咸陽（1997），西寧（1998），哈爾濱（1999）和海口（1998）等地建立了GPS連續(xù)運行參考站，主要目的就是建立國家大地基準(zhǔn)控制，為我國坐標(biāo)框架建設(shè)提供參考依據(jù)。

2006年由中國地震局，總參測繪局，中國科學(xué)院，國家測繪局，中國氣象局和教育部等六部委聯(lián)合向國家發(fā)改委申請的“中國大陸環(huán)境構(gòu)造監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”項目通過比準(zhǔn)，該項目將在全國建成260個GNSS連續(xù)運行參考站，最終形成全國最大的連續(xù)運行參考網(wǎng)系統(tǒng)。目前已在深圳，北京，天津，上海，成都，重慶，長春，昆明，武漢，香港等城市建立了區(qū)域性連續(xù)參考網(wǎng)，江蘇省，江西，廣西等省目前也擁有省內(nèi)CORS網(wǎng)絡(luò)。

CORS將是城市信息化的重要組成部分， 并由此建立起城市空間基礎(chǔ)設(shè)施的三維、動態(tài)、地心坐標(biāo)參考框架， 從而從實時的空間位置信息面上實現(xiàn)城市真正的數(shù)字化。能使更多的部門和更多的人使用GPS 高精度服務(wù)，必將在城市經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮重要作用，帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

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