CORS测量新技术在电力测量中的应用

期刊目录网智能科学技术论文发表2012-05-18 08:18关注(1)

　　摘要： CORS系统是继GPS RTK之后出现的一种GPS RTK技术与网络技术相结合的测量新技术。CORS系统给测绘技术带来了新的革命。本文介绍CORS系统概念、原理、系统组成、国内CORS系统发展现状、在控制测量、选线测量平断面测量、施工放样等测量中的应用。

　　关键词： CORS系统; 控制测量; 选线; 平断面测量;施工放样

　　1 、CORS系统

　　CORS系统是继GPS RTK之后出现的一种卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等相结合的测量新技术。CORS系统将网络化概念引入到了大地测量应用中，该系统的建立不仅为测绘行业带来深刻的变革，而且也将为现代网络社会中的空间信息服务带来新的思维和模式。

　　1.1 CORS的概念

　　连续运行卫星定位服务系统(Continuous Operational Reference System)，简称CORS系统)是现代GPS的发展热点之一。连续运行参考站系统可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN/WAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS服务项目的系统。

　　1.2 CORS的分类

　　单基站系统：就是只有一个连续运行站。类似于一加一的RTK,只不过基准站由一个连续运行的基准站代替，基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态，存储和发送相关数据。

　　多基站系统：分布在一定区域内的多台连续观测站，每一个观测站都是一个单基站，同时每一个单基站还有一个中央控制计算机控制。目前国产品牌中只有南方拥有这套软件。

　　最初的网络RTK是利用分布较为均匀的连续运行参考站(CORS)进行单站控制，用户站从一个参考站的有效精度范围进入另一个参考站的精度范围，严格意义上讲是多参考站常规RTK，如果要使基线精度优于3厘米，需要在一个区域内密集的布设参考站，站间距离应小于30km。精度随着基线的增长而衰减，且分布不均匀，如果要求按一定精度覆盖整个区域，需要架设较多的参考站。

　　多参考站：常规RTK模式虽然在一个较大范围内满足了精度要求，但需要的投资也是巨大的，我们完全可以在一个较大的范围内均匀稀松的布设参考站，利用参考站网络的实时观测数据对覆盖区域进行系统误差建模，然后对区域内流动用户站观测数据的系统误差进行估计，尽可能消除系统误差影响，获得厘米级实时定位结果，网络RTK技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀。

　　1.3 CORS系统的主要组成部分及原理

　　CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。

　　基准站网：基准站网由范围内均匀分布的基准站组成。负责采集GPS卫星观测数据并输送至数据处理中心，同时提供系统完好性监测服务。

　　数据处理中心：系统的控制中心，用于接收各基准站数据，进行数据处理，形成多基准站差分定位用户数据，组成一定格式的数据文件，分发给用户。数据处理中心是CORS的核心单元，也是高精度实时动态定位得以实现的关键所在。中心24小时连续不断地根据各基准站所采集的实时观测数据在区域内进行整体建模解算，自动生成一个对应于流动站点位的虚拟参考站(包括基准站坐标和GPS观测值信息)并通过现有的数据通信网络和无线数据播发网，向各类需要测量和导航的用户以国际通用格式提供码相位/载波相位差分修正信息，以便实时解算出流动站的精确点位。

　　数据传输系统：各基准站数据通过光纤专线传输至监控分析中心，该系统包括数据传输硬件设备及软件控制模块。

　　数据播发系统：系统通过移动网络、UHF电台、Internet等形式向用户播发定位导航数据。

　　用户应用系统：包括用户信息接收系统、网络型RTK定位系统、事后和快速精密定位系统以及自主式导航系统和监控定位系统等。按照应用的精度不同，用户服务子系统可以分为毫米级用户系统，厘米级用户系统，分米级用户系统，米级用户系统等;而按照用户的应用不同，可以分为测绘与工程用户(厘米、分米级)，车辆导航与定位用户(米级)，高精度用户(事后处理)、气象用户等几类。其系统组成简图如图1所示。

　　图1 CORS系统组成

　　图2 CORS系统参考站及控制中心

　　图3 基准站设备配置

　　1.4 CORS技术算法分类

　　CORS技术目前在技术算法上分成VRS、FTK、主辅站技术，其中的优略各个厂家说法不一。天宝和南方CORS方案是VRS，徕卡是主辅，拓扑康号称可以在三个技术中任意切换。

　　1.5 国内外CORS现状情况分析

　　目前，国内外CORS的研究主要集中在基础设施建设、系统自动化管理、数据采集域分发、基于网络的GNSS定位技术的开发等方面。先后出现了大量的CORS工程项目。其中具有代表性的全球和国家的项目包括：IGS跟踪站网络、美国NGSCORS、欧洲EPN永久性连续网等。国内主要有中国地壳运动观测网络CMONOC、中国沿海无线电指向标-差分定位系统(RBN-DGPS)等项目。

　　从这些项目可以看出，CORS的发展具有规模化和服务实时化两个重要趋势。

　　首先CORS项目建设都是从某地区或行业开始，逐渐与其它地区或专业组建的网络进行互联，最终形成跨行业、跨地区、跨国家的网络，从而实现原始数据的共享与交换，其互联的前提是政策的保障以及技术标准和协议上的统一。

　　其次，定位服务实时化是CORS的另一个发展趋势。服务实时化的基础是实现原始数据的实时传输。在美国CORS的东部区域，大部分站点实现了实时的数据传输，仅需要建立必要的服务手段即可实现实时定位服务。EPN网络中德国、挪威等国家已率先利用实时载波相位差分、网络RTK技术提供实时定位服务。相比美国CORS，EPN的覆盖范围，其实时服务还是局域性的。

　　与国外相比，我国在GPS 、GNSS定位技术研发、工程建设水平基本持平，但基准站网覆盖范围、站点密度、服务内容等存在一定差距。此外由于管理及政策的原因，各地CORS基本处于独立运行的状态，尚未实现跨行业、跨地区的联网。甚至同一地区出现不同主管部门同时建设CORS系统的这种重复投资的现象。

　　因此，建设一个地区参考站网的中远期目标要实现广域范围内的信息资源共享，提供高精度的实时定位服务等目标。

　　目前，全国各地竞相建立了各自的CORS系统，如北京、上海、成都、厦门、深圳、广州、昆明等。

　　1.6 CORS系统的应用

　　连续运行卫星定位服务系统的建成将为构建“数字中国”提供技术支撑，是现代城市采集有关交通、道路、桥梁、建筑物、地下管网等地理信息动态变化的一种基础设施。该系统可满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、车辆导航、交通监控等多种现代信息化管理的需求。

　　2、 CORS系统的优势

　　2.1 GPS RTK技术的缺点

　　图4 GPS RTK技术工作模式

　　GPS RTK技术是目前广泛使用的测量技术之一，但它的应用受到电离层延迟和对流层延迟的影响，使原始数据产生了系统误差并导致以下缺点。

　　① 用户需要架设本地基准站;

　　② 误差随距离的增大而增大;

　　③ 误差增长使流动站和基准站的距离受到限制，一般小于15km;

　　④ 精度为1cm+10-6,可靠性随距离增大而降低。

　　CORS 技术的出现，弥补了GPS RTK技术的缺点

　　2.2 CORS系统的优势

　　与传统的RTK技术相比，CORS系统的优势有以下几点。

　　① CORS系统的覆盖范围大。CORS系统可以有多个参考站，但至少3个。若按边长70km计算，一个三角形可覆盖面积为2200km2。

　　实际上，CORS系统可提供两种不同精度的差分信号，分为厘米级和亚米级。以上所讲的是1~2cm的高精度，若是低精度，则站与站之间的距离可以拓展到几百公里。

　　② 相对传统RTK技术，提高了测量精度。传统RTK技术随着测量距离的增加，误差会随之增大，而在CORS系统控制范围内，精度始终可以保持在1~2cm。

　　③ 可靠性也随之提高。采用了多个参考站的联合数据，大大提高了可靠性。

　　④ 更广的应用范围。CORS系统可适用于城市规划、市政管理、交通管理、机械控制、气象、环保、农业以及所有在室外进行的勘测工作。

　　⑤与传统的GPSRTK技术相比,CORS节约成本近70%，提高工作效率30%。

　　3 、北京地区CORS系统发展现状

　　3.1北京地区CORS系统建立与发展

　　2006年5月北京市测绘设计研究院与Trimble联手打造北京市CORS测绘服务系统。北京市测绘设计研究院同Trimble代理商北京麦格天宝科技发展有限公司于2006年5月中旬正式签订合同，北京市测绘设计研究院决定采用Trimble VRS技术构建北京市CORS测绘服务系统。

　　初期阶段由北京麦格天宝科技发展有限公司提供的Trimble 5700 CORS接收机构成了四个基准站，覆盖了北京城区，实测数据证明运行性能良好。

　　图5 北京城区CORS基站网示意

　　北京市CORS测绘服务系统是一个专项服务系统，能够实时向动态用户发布差分数据，同时也能够向事后静态用户发布后处理原始数据。该系统将建立在现代计算机互联网技术之上，测绘管理中心将北京市测绘设计研究院建设的1个基准站和北京市信息资源管理中心建设的14个基准站的原始观测数据，通过光纤直接连接到控制中心，中心将这些观测数据进行处理，然后再发布。该系统共包括15个基准站和1个控制中心，系统共使用了11台Trimble接收机，其中包括Trimble 5700和NetRS。控制中心安装了Trimble VRS软件GPSNet/RTKNet V2.5最新版本。该系统于8月中旬完成搭建。为整个北京地区的网络RTK用户提供差分数据流服务。

　　3.2 CORS系统外业工作程序

　　第一步：实时定位模式启动流动站接收机，用户通过能进行数据通讯的手机拨入基站网实定位服务号码，这个号码通常是一个通用于整个城区或者国家(根据覆盖范围而定)的特定号码;

　　第二步：系统识别呼入者已被授权使用基站网络时，接收机会发送一个其当前位置的导航解，作为一个粗略的位置信息提供给控制中心;

　　第三步：控制中心接收到这个粗略的位置解以后，会在这个位置附近产生一个虚拟参考站。

　　第四步：从这个参考站产生的连续的数据流将源源不断提供给流动站。数据格式可是RTCM或者CMR+。

　　第五步：流动站通过GSM网络或者利用GPRS接收参考站数据流，从而计算出其精确的位置解。

　　图6 用户流动站示意

　　图7 北京项目城区基站

　　3.3北京项目测试结果

　　图 8 北京项目测试表

　　注：

　　Standard Deviations(meters)：标准偏差(米);Average Init Time(seconds)：平均初始化时间(秒);Joint 3D：三维方向偏差;Latitude：纬度偏差;Longitude：经度偏差;Altitude：高度偏差

　　图9 北京项目点位精度

　　北京项目测试结果:

　　① 参考站网地心坐标的各分量精度达到0.011米。参考站基线向量相对精度达到3×10-8。

　　②系统快速或实时定位内符合精度水平方向优于3cm，垂直方向优于5cm。

　　③系统日可用性可以到99.79%。

　　④系统运行稳定，网内精度分布均匀，初始化时间最小14.5秒，最大3分钟。

　　⑤系统RTK测试的外延性较好，网外30KM(7018点)流动站设备仍能完成初始化。

　　⑥在动态(时速80km/h)情况下，流动站设备能够完成初始化获得固定解，且在闪断之后，还能够自动完成初始化。

　　⑦各种通讯方式(GPRS，CDMA，GSM)都满足用户终端对通讯能力的要求。

　　⑧BJCORS在试点工程的采用气象专网和宽带网络子系统，达到了高实时性、高稳定性、有效传输速度等要求，保证参考站网与控制中心数据传输的可靠与安全。

　　⑨BJCORS在试点工程中采用了先进的远程接入服务平台，实现了多用户同时远程拨入，同时实现了实时用户身份验证，及用户测量数据的统计，用户历史数据存储、显示、查阅与管理等。

　　⑩多种厂家流动站设备进行了应用测试，证明该系统对流动站设备具有良好的兼容性。

　　4 、CORS系统在测量中的应用

　　4.1 CORS系统在控制测量中的应用

　　由于传统的RTK技术需要有测区附近的控制点的点位数据。针对当前项目需要架设基准站.以及考虑到初使化时间,改正模型等各方面的因素,CORS系统的建立对于大中城市的基础测绘来说是实用且经济的。广泛应用于城市控制测量、工程控制测量。

　　4.2 选线

　　在线路初勘阶段，测量人员往往配合线路设计人员进行选线工作。传统GPS RTK由于电台作业半径的限制、架设基准站等多方面的原因对选线工作有一定限制。CORS系统的出现以后解决了这些限制使选线工作得心应手。不再象传统RTK那样架设基准站，只需一名测量人员和一台CORS系统接受设备就能快速、高精度的完成选线任务。

　　4.3 平断面测量

　　平断面测量是线路测量工作中十分重要的内容，由于传统GPSRTK的UDF电台受到地形地貌的阻挡、地物特别是树木的吸收、高压输电线路的干扰，使传统GPSRTK在相对困难的环境下初始化速度慢、电台作业半径也受到了很大限制。利用BJCORS系统进行网络RTK测图，可提高工作效率并减少生产成本。还广泛使用于大小比例地形图测量、地籍测量等领域。

　　4.4施工放样

　　与测图作业类似，施工放样也是CORS的主要应用之一，作业中使用的仪器与测图应用类似。具体要求如下：

　　观测类型：RTK固定解;

　　测量精度：平面小于5cm。

　　使用领域：线路定位与复桩。

　　5、CORS系统应用效果

　　① 提高工作效率，节约生产成本。只需要流动站，CORS系统使GPS测量进入了真正的单人测量系统，一个人独立完成从外业到内业的所有任务，节省了人力资源成本。

　　② 精度可靠。CORS系统网内所有地区RTK测量均可以获得优于±5cm的水平精度、高程精度小于10cm。

　　③ 利用手机通讯保证了随时随地的连续作业。作业时间、作业半径(网内)不受限制。

　　6 、结束语

　　CORS系统的出现，弥补了GPS RTK技术的缺点，标志着高精度GPS的发展进入了一个新阶段，它代表了未来GPS发展方向，使GPS技术的应用更为广泛，精度和可靠性得到进一步的提高，使许多从前难以完成的任务成为可能，由此可带来巨大的社会效益和经济效益。

　　参考文献