CORS网络RTK相对于传统GPS-RTK的优势

摘　要：摘要：连续运行卫星定位系统(CORS)为GPS技术的阶段性发展成果，它具有操作简便、成本低、实时性强、精确度高、覆盖率广、定位迅速等诸多特点。特别是CORS系统内网络RTK测量功能的实现改变了传统测量作业模式，可以极大地提高测量的工作效率。本文结合CORS网络RTK在包头的一些测绘工作的应用情况进行简要的分析，说明运用CORS网络RTK相对于传统GPS—RTK的优势。

关键词：关键词：BTCORS；网络；传统GPS；优势

中图分类号：TP39     文献标识码：A     文章编号：
1.前言
　 CORS（Continuous Operational Reference System的缩写）即连续运行卫星定位服务综合系统，已成为城市GPS应用的发展热点之一。它是由基准站网、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。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物，是目前国内外GPS的先进技术和发展趋势，CORS系统的应用将大大提高测绘的精度，是城市信息化的重要组成部分，且在众多领域中都发挥着不可或缺的作用。从CORS系统的众多优点中可以肯定在不久的将来，测绘工作将变得既精度高又方便，今后只需要一个移动台便可以实现在全国范围内进行无缝测绘。
2. CORS系统的应用现状
　 自二十世纪八十年代中期，加拿大提出的主动控制系统以及1994年IGS(International GNSS Service) 的成立至今，GPS精密定位技术迅速发展，在其影响之下，很多国家和地区相互间合作建立了常年不间断跟踪GNSS卫星的基准站，CORS系统应运而生。美国、加拿大、澳大利亚、英国、日本、德国等国家先后建立了自己的国家级CORS,且已经被广泛地运用于资源开采与建设施工等诸多方面。在发达国家，基本上平均每隔几万米就有一个基准站，发展中国家则显得相对落后，但在这方面的发展速度还是非常乐观的。国内第一个实用化的实时动态CORS是深圳连续运行卫星定位服务系统(SZCORS)，其实时定位精度可达到平面3cm，垂直5cm。随着深圳建立CORS以后，各省都筹划着开始了CORS系统的建立，北京、上海、成都、青岛、武汉、天津、昆明、济南等先后建立了市级的CORS系统。但是，CORS系统在我国的应用大多数情况下还局限于大地测量、城市规划等基础层面。四川地震局建立的CDCORS，原本是用来做监控四川地区地震灾害，后来通过对其潜在功能的挖掘，实现用户GPS实时高精度差分定位，取得了一定的收益。
　 作为“数字包头”的基础性工程，“包头GNSS（全球卫星导航系统）连续运行参考站系统” ，简称BTCORS，的建设也已基本完成。自2010年6月初，包头市连续运行卫星定位综合服务系统(CORS系统)的建设工作全面启动，该系统的建立旨在覆盖包头市行政区范围内约2.7万平方公里的区域，建设目标是在青山区、白云鄂博区、固阳县、土默特右旗、达尔罕茂明安联合旗等地区建立11个全球导航卫星系统（GNSS）连续运行基准参考站，如图1所示。该参考站系统分两期完成，一期工程可为区域内的用户提供实时、全天候、精确的空间三维定位服务。2011年3月初，CORS站二期工程建设也逐步启动，二期工程建设七个参考站，它们分布于我市的北部地区，可以为全市的城市规划、土地勘察、水利电力、气象预报等城市建设领域提供更加高效、精确的测绘服务。BTCORS系统建立之后，城市的每个小区，小区中的每一栋房子的分布信息都可以通过这个系统采集到，周围的商店、医院信息也特别详尽，而地理信息系统建立之后，公安等部门的信息都可以以地理信息基础为主码，进行加载，其他公共市政管理信息也可以加载到平台上。BTCORS系统的建立无疑为我市的测绘乃至其他行业带来了诸多便利，这些都是CORS系统较之传统GPS所凸显出的强大优势。

图1 BTCORS基站分布图
 
3. BTCORS网络RTK与常规GPS-RTK的比较
3.1 BTCORS网络RTK的速度与效率
　 CORS系统相对于传统GPS测绘来说，最明显的优势就是它的速度与精度，在它的各项技术中都能得到体现。
　 在使用传统GPS-RTK进行作业时，用户需要架设本地的参考站才能开展作业，观测误差也会随着流动站与基站距离的增大而增长，使得流动站和参考站距离受到限制，一般为15km左右，导致观测的可靠性和可行性将会随着距离的增大而降低。传统GPS-RTK和CORS方式的RTK都是在同步观测条件下，流动站接收基准站计算并发送的GPS差分改正值，进行实时差分定位的。不同的是传统GPS-RTK中基准站需要用户自己安置，而CORS方式的RTK作业，无需用户架设基准站，BTCORS中使用网络RTK系统通过一定的数学算法对分布在一定区域内的多台基准站的坐标和实时观测数据进行系统综合误差改正建模，尽可能消除系统综合误差，从而模拟出来一个虚拟站作为基准站。因此，在过去进行RTK测量时一般都要选择开阔安全的地方架设基准站，电台和天线，设置基准站的各种参数，然后启动基准站及电台，输入已知坐标等，最后才能开始测量；而CORS系统是连续运行的，所以CORS方式的RTK进行野外作业时，不用携带其它基准站设备，只需要一次性设置好连接CORS网络的参数，便可开始测量，用户无需架设基站，实现了野外单机作业，大大提高了工作效率。相比之下，运用CORS以后的RTK测量省去了繁多的步骤，降低了测绘劳动强度。
　 再者，RTK测量开始以后都要进行初始化，它是指在开始RTK测量时，在某一测点上，通过一定时间的观测，完成RTK流动站设备的卫星搜索与锁定，并连接基准站，由浮动解转变成固定解的过程。影响RTK作业初始化时间的主要因素有观测卫星数、卫星分布、与基准站的距离和观测环境等。经测试多种仪器网络RTK下作业的初始化时间（表3-1）远小于常规RTK作业的初始化时间，且与距离无关，传统GPS-RTK则显得较慢，且距离过大还可能导致无法初始化。
3.2 CORS网络RTK的测量精度
　 BTCORS系统目前采用是虚拟参考站技术(VRS技术)如图3.1，VRS系统集GPS、无线网络通信、计算机网络管理技术。VRS由GPS固定基准站系统、数据传输系统、GPS网络控制中心、数据播发系统、用户五部分构成。
 
　 　 　 　 　 　 　 　 　 图3.1 虚拟参考站示意图
　 相对于传统GPS-RTK来说，精度有了很大的提升。由于传统GPS-RTK的定位精度和可靠性会随着流动站与基准站之间距离的增加而降低。基线距离小于1 0千米时，可以达到厘米级精度，但是当基线大于20千米以后，定位精度降低至分米级，且系统的初始化时间大大增加；当距离大于60千米后，实时定位功能基本丧失，无法进行初始化。常规RTK还有一个定位精度和可靠性分布不均匀的缺陷，随着基线距离增加，精度和可靠性会降低。经精度测试已证明，使用网络RTK，参考站间距为70千米，流动站与距离最近的参考站32距离为千米时，其定位精度在平面可达1~3cm，垂直可达3~5cm，且在CORS系统所能覆盖的范围内精度分布均匀，该精度足以和常规RTK测量中基线间距为2千米的情况相媲美。
　 理论和实践都已无数次证明CORS系统在精度方面的优越性，这是因为CORS系统有较好的数据处理模型，以及完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性，消除或削弱各种系统误差的影响。通过比较常规RTK和CORS的误差处理方法，可以发现，CORS模式下的数据成果精度要高于常规RTK，且精度分布均匀。对于常规RTK来说，卫星钟差及轨道误差是通过钟差模型改正后，利用同步观测值差分的方法消除，而CORS方式则通过同步观测值求差来解决。由于CORS中流动站与VRS站基线短，其消除轨道误差的有效性比较明显；常规RTK处理对流层、电离层误差时通过电离层残差影响的模型化法来解决，但是它的能力有限，一般限于两站之间，而CORS方式RTK则允许服务器整个网络的信息来计算电离层和对流层的复杂模型，没有太大限制；常规RTK在解算接收设备相关误差时，模糊度解算较慢，而CORS则能准确而快速地解算模糊度，主要体现在初始化快。
　 并且，与常规RTK动态定位技术相比，网络RTK技术采用误差逐项改正、集中计算、通过用户数据中心集中发布的方法，突破了常规RTK作业系统分散、相互独立、临时性基准站频繁设置、有效范围小、精度随距离增大而迅速降低等问题，可向大量用户同时提供高精度、高可靠性、实时的定位信息。

4. BTCORS网络RTK的应用
4.1 测区情况
　 BTCORS已经基本建成，本次测量是对BTCORS系统的可用性、系统的精度、系统的广度进行综合测试。测区位于包头市区、白云鄂博区、固阳县、土默特右旗、达尔罕茂明安联合旗。在全包头市共设29个点。
4.2网络RTK作业方法
　 （1）仪器的架设：在待测点上摆设三脚架，安装配套的基座，对中整平，安置好流动站接收机并开机，多方位量取仪器到护圈中心，互差<2mm时取平均值输入仪器高。
　 （2）打开手簿，用手簿进入BTCORS，然后连接VRS，进入测量界面，待初始化获得后开始测量。
　 （3）初始化后观测所需控制点30个历元为一次观测成果。每个控制点采集4次固定解，每次观测都需重新开关机，得到新的固定解后方可测量。
4.3网络RTK测量精度技术指标
　 利用包头市连续运行卫星综合服务系统（BTCORS）11个连续运行基准站，对测区的39个控制点进行测量，对每个控制点独立测量4次。按表4.1和4.2的技术指标实施网络RTK。本次测量使用的仪器主要为 TrimbleR6 和 Trimble GeoXR，为了确保数据的真实可靠性我院同时邀请了 Leica、南方、中海达、华测、拓普康几个厂家参与了本次测量。
　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 表4.1 网络RTK测量环境要求
 
　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 表4.2 RTK地形点测量主要技术要求

4.4网络RTK测量的速度与精度分析
　 本次测量共39个控制点，主要测试BTCORS网络RTK的覆盖率，初始化时间，测量精度等几方面对BTCORS网络RTK与传统GPSRTK进行对比。

4.4.1 BTCORS网络RTK的空间可用性
　 本次测试目的 为了测试BTCORS网络覆盖率，测试从固阳县开始，分别沿下列路线进行测试，固阳——下湿壕、下湿壕——达茂旗、达茂旗——白云、白云——固阳。本次测试仪器使用天宝GEOXR，采用车载接收机方式，获取连续地形点。测试结果如图4-1所示。
 
　 　 　 　 　 　 　 　 　 图4-1
　 根据测试结果可以看出，BTCORS网络基本覆盖设计范围，无网络的地方大多是山区，无移动网络。
　 4.4.2 BTCORS网络RTK的测量速度分析
　 为了使本次测量的结果真实可靠，在本次测量中对仪器的选择做了大量工作，市面上使用的厂商仪器基本均参与测试。下面就测试仪器的型号，初始化时间做图表分析。
　 　 　 　 　 　 　 　 　 表4.3 BTCORS网络RTK作业初始化时间

　 根据测试结果，我们可以得到以下结论，BTCORS初始化速度较快，而单基站RTK会随着离基站的距离增大初始化时间变长，甚至不能初始化，初始化时间网络RTK一般优于单基站RTK。
4.4.3 BTCORS网络RTK的测量精度分析
      在本次测量的控制点中选取具有代表性的控制点，在不同坐标系下动态测量坐标值真实值作对比。
　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 表4.4 动态值与真实值差值

      通过对BTCORS网络RTK测量点的精度统计分析，我们不难看出此次测量网络RTK点完全否合要求，达到了测量精度，平面值与真实值的差精度均在1.5cm，高程差值均在5cm以内（0.0503除外）。
　 网络RTK技术解决了常规RTK作业系统分散、相互独立、作业距离短，基站更换频繁，可靠性和可行性随距离降低问题。网络RTK技术具有精确性好，覆盖的范围广，实时测量速度快。在现代测量中有着极大的优势。
5． 结束语
　 CORS系统作为GPS发展到一定程度时的产物，定然有其过人之处，通过以上的分析总结，我们可以看到CORS系统是目前很有潜力的一项技术，不论从速度、精度还是广度来看，CORS技术都有传统GPS测绘无可比拟的优势。目前我国CORS网络已在各个省市具有一定的规模，但整体上还存在着不同程度的缺陷。在今后，各个省市建立好的局部CORS系统升级为国家级CORS系统以后，CORS系统将朝着规模化、实时化的方向发展。
参考文献
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