曾 超，劉智敏

（山東科技大學(xué)測(cè)繪與工程學(xué)院，山東青島 266510）

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的發(fā)展綜述

曾 超，劉智敏

（山東科技大學(xué)測(cè)繪與工程學(xué)院，山東青島 266510）

CORS技術(shù)是當(dāng)前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一，代表了GNSS的發(fā)展方向之一。對(duì)CORS系統(tǒng)的原理及構(gòu)成進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹了CORS系統(tǒng)中的VRS、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展、存在問(wèn)題及研究熱點(diǎn)。

CORS；VRS技術(shù)；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；定位

近年來(lái)，隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用普及面的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的GPS測(cè)量技術(shù)為了跟上時(shí)代發(fā)展的需要，也在積極地創(chuàng)新和完善。連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）是為了滿足GPS精密定位應(yīng)用而產(chǎn)生的利用多基站網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。

CORS最初形成于20世紀(jì)90年代初，是在考察GPS全球精密定位方法及精度的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種基準(zhǔn)站的定位方法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。1994年成立的國(guó)際GPS地球動(dòng)力學(xué)服務(wù)局（IGS）大大地促進(jìn)了GPS精密定位技術(shù)的發(fā)展，其主要任務(wù)是建立永久基準(zhǔn)站用于提供長(zhǎng)年連續(xù)的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)產(chǎn)生的GPS定位新技術(shù)美國(guó)稱此為ContinuousOperationalReference System，即連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)。CORS的出現(xiàn)，解決了常規(guī)RTK測(cè)量基線短且相關(guān)誤差難以確定等局限性。目前，很多國(guó)家紛紛建立起長(zhǎng)年連續(xù)跟蹤GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)站，以滿足本國(guó)GPS大地測(cè)量定位技術(shù)等各種需求。我國(guó)的不同行業(yè)和地區(qū)也布設(shè)了若干基準(zhǔn)站網(wǎng)系統(tǒng)，以滿足用戶及科研要求。本文即對(duì)CORS的原理及構(gòu)成進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹了CORS系統(tǒng)中的VRS、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展、存在問(wèn)題及研究熱點(diǎn)。

1 CORS的原理構(gòu)成

CORS的核心思想是，在一個(gè)多臺(tái)儀器同步的觀測(cè)會(huì)戰(zhàn)中，固定其中幾臺(tái)儀器作為基準(zhǔn)站，在會(huì)戰(zhàn)期間不搬遷測(cè)站，其余若干臺(tái)儀器可在觀測(cè)期間流動(dòng)設(shè)站觀測(cè)。其中基準(zhǔn)站衛(wèi)星跟蹤數(shù)據(jù)可用來(lái)改進(jìn)衛(wèi)星軌道，然后用改進(jìn)后的衛(wèi)星軌道對(duì)其他流動(dòng)設(shè)站進(jìn)行精密的、靜態(tài)的網(wǎng)定位，使其定位精度可大大提高[1]。

GNSSCORS服務(wù)系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分構(gòu)成[2]：1）基準(zhǔn)站網(wǎng)--由若干個(gè)分布合理的GNSSCORS組成；2）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)--基準(zhǔn)站的GNSS數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控中心；3）數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控中心--接收基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和監(jiān)控，形成用戶數(shù)據(jù)；4）面向用戶的數(shù)據(jù)發(fā)播系統(tǒng)--包含多種手段：因特網(wǎng)、UHF/VHF電臺(tái)和FM電臺(tái)的副載波；5）用戶通過(guò)移動(dòng)電話如GSM、CDMA獲取GPS定位數(shù)據(jù)和GNSS氣象預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)。CORS的工作流程如圖1所示。

圖1 CORS的基本工作流程 [3]

2 CORS的關(guān)鍵技術(shù)

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)距離高精度實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的有效手段，其核心問(wèn)題是：首先，實(shí)時(shí)解算參考站間的整周模糊度，用來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)空間相關(guān)誤差的影響；其次，利用它們建立空間相關(guān)模型求解網(wǎng)絡(luò)改正數(shù)并播發(fā)給流動(dòng)站。另外，CORS系統(tǒng)獲得的流動(dòng)站的初始坐標(biāo)是 WGS-84坐標(biāo)，而在實(shí)際生產(chǎn)中一般需要的是國(guó)家或地方坐標(biāo)，所以還要根據(jù)不同需求對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面對(duì)其進(jìn)行一一介紹。

2.1 參考站間整周模糊度的確定

由于已知的精確參考站坐標(biāo)和很短的采樣間隔，探測(cè)和修復(fù)周跳相對(duì)來(lái)說(shuō)變的容易[4-5]。對(duì)于雙頻碼相關(guān)的GPS接收機(jī)，除了獲得載波相位觀測(cè)值，還能獲得L1、L2頻率上的P碼偽距。為了方便求解整周模糊度，引入了寬巷整周模糊度。

2.2 參考站系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位解算改正數(shù)的相關(guān)技術(shù)

目前，CORS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位解算的技術(shù)主要基于網(wǎng)絡(luò)RTK差分信息的生成：虛擬參考站技術(shù)（VRS）；區(qū)域改正數(shù)技術(shù)（FKP）；主輔站技術(shù)（MAC）。

2.2.1 虛擬參考站技術(shù)VRS

虛擬參考站技術(shù)就是在一定區(qū)域內(nèi)架設(shè)一定數(shù)量的基準(zhǔn)站，精確測(cè)定這些基準(zhǔn)站的位置及變化率，基準(zhǔn)站連續(xù)接收衛(wèi)星信號(hào)，將信息傳送至信息處理中心，數(shù)據(jù)處理中心同時(shí)接收流動(dòng)站發(fā)送的接收機(jī)概略位置信息，數(shù)據(jù)處理中心會(huì)根據(jù)移動(dòng)站的位置，選擇與之較近或定位精度較好的基準(zhǔn)站信息，“虛擬”出一個(gè)參考站，然后根據(jù)各基準(zhǔn)站上誤差信息通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型內(nèi)插出該虛擬站的誤差，將虛擬出的流動(dòng)站改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動(dòng)站，這樣虛擬參考站的位置通常是在移動(dòng)站真實(shí)位置的周圍5 m范圍內(nèi)，保證了虛擬參考站與流動(dòng)站誤差的相關(guān)性。

虛擬基準(zhǔn)站法的關(guān)鍵在于如何構(gòu)建出虛擬的觀測(cè)值。一旦構(gòu)建出虛擬的觀測(cè)值，在數(shù)據(jù)處理時(shí)就可把它當(dāng)作一般基準(zhǔn)站來(lái)看待。例如，流動(dòng)站U采用單點(diǎn)定位先求出自己的概略坐標(biāo)（XV，YV，ZV），設(shè)為VRS并傳送到數(shù)據(jù)處理中心，設(shè)流動(dòng)站U位于參考站網(wǎng)三角形ABC內(nèi)且距離A站最近，則選A作為主參考點(diǎn)。忽略衛(wèi)星軌道誤差和多路徑效應(yīng)影響，建立主參考站A與虛擬參考站V之間的觀測(cè)方程

2.2.2 區(qū)域改正數(shù)技術(shù)FKP

FKP是由德國(guó)CEO++公司最先提出的。這種區(qū)域改正數(shù)法利用GPS基準(zhǔn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要是相位觀測(cè)值和偽距觀測(cè)值，以及基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，計(jì)算得到基準(zhǔn)網(wǎng)范圍內(nèi)與時(shí)間或空間相關(guān)的誤差改正數(shù)模型，然后利用測(cè)量點(diǎn)的近似坐標(biāo)內(nèi)插出測(cè)量點(diǎn)的誤差改正數(shù)，將其應(yīng)用到觀測(cè)值中，從而消除各種與時(shí)間空間有關(guān)的誤差，提高定位結(jié)果的精度，是對(duì)VRS的一種改進(jìn)。德國(guó)的SAPOS網(wǎng)絡(luò)正是采用的FKP技術(shù)。

2.2.3 主輔站技術(shù)MAC

主輔站技術(shù)是由Leica公司提出的。MAC技術(shù)的基本要求就是將相位距離簡(jiǎn)化為一個(gè)公共的整周未知數(shù)水平；主輔站方法發(fā)送主參考站的全部改正數(shù)及坐標(biāo)信息，對(duì)于輔參考站只播發(fā)相對(duì)于主參考站的差分改正數(shù)和坐標(biāo)差，這樣可以減少參考站網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)播發(fā)量。使用單差散射和非散射相位改正數(shù)形成壓縮的差分信息，其區(qū)域誤差改正數(shù)模型由流動(dòng)站設(shè)備自定義[11]。

主輔站技術(shù)本質(zhì)上是區(qū)域改正數(shù) (FKP)的一種優(yōu)化，在實(shí)際應(yīng)用中，我國(guó)昆明市連續(xù)運(yùn)行GPS參考站系統(tǒng)的建設(shè)就采用了主輔站技術(shù)[12]。對(duì)VRS、FKP和MAC三種技術(shù)的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 幾種網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的對(duì)比

2.3 CORS的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過(guò) CORS系統(tǒng)得到的流動(dòng)站的初始坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)，而在實(shí)際生產(chǎn)中一般需要的是國(guó)家或地方坐標(biāo)，因此就產(chǎn)生了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。

一般方法是先按區(qū)域求出轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后利用轉(zhuǎn)換參數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。目前求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法有兩種：一是將測(cè)區(qū)控制點(diǎn)的 WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)直接鍵入到流動(dòng)站的控制器中，來(lái)求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)；二是控制點(diǎn)若無(wú) WGS-84坐標(biāo)，可采取現(xiàn)場(chǎng)采集的方法，通過(guò)鍵入一定數(shù)量控制點(diǎn)的地方坐標(biāo)，然后在這些控制點(diǎn)上用RTK采集WGS-84坐標(biāo)，通過(guò)點(diǎn)校正擬合出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

兩種求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的模式有其優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于較大范圍（如一個(gè)省或大城市）會(huì)造成很多不便。因此有的學(xué)者就提出一種新的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法-坐標(biāo)移動(dòng)轉(zhuǎn)換法[13]。其基本思路是：以流動(dòng)站為中心，采用一定的距離為半徑畫(huà)圓，形成一個(gè)搜索范圍，選取該范圍內(nèi)的已知點(diǎn)坐標(biāo)，求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后利用這套參數(shù)對(duì)流動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于一個(gè)區(qū)域，不需求取統(tǒng)一的區(qū)域轉(zhuǎn)換參數(shù)，只需對(duì)每個(gè)點(diǎn)按上述思路進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換即可。由于在求轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，并不是一個(gè)區(qū)域的所有已知點(diǎn)都參與計(jì)算，而是根據(jù)需要將離中心點(diǎn)(待轉(zhuǎn)換點(diǎn))一定距離范圍內(nèi)的點(diǎn)篩選出來(lái)參與求解，距離范圍的設(shè)定根據(jù)實(shí)際情況而定。這樣確定的轉(zhuǎn)換參數(shù)不但轉(zhuǎn)換精度高，而且也能統(tǒng)一到所需要的基準(zhǔn)上。

3 CORS的國(guó)外應(yīng)用及發(fā)展

3.1 CORS的國(guó)外應(yīng)用

美國(guó)的 GPS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng) (CORS)。它由美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局 (NGS)負(fù)責(zé)，該系統(tǒng)的當(dāng)前目標(biāo)是：使用戶達(dá)到厘米級(jí)水平的定位和導(dǎo)航；促進(jìn)用戶利用CORS來(lái)發(fā)展GIS；監(jiān)測(cè)地殼形變及電離層中自由電子濃度和分布。截止到2009年9月，CORS站點(diǎn)達(dá)到了1370個(gè)，并且以每年200站的速度增加以改善該系統(tǒng)的空間覆蓋率。新近建設(shè)的站點(diǎn)已具備接收GLONASS信號(hào)的功能[14]。

德國(guó)的全國(guó)衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)計(jì)劃（SAPOS）是把當(dāng)前德國(guó)各部門(mén)的差分GPS計(jì)劃協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來(lái)，建立一個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行的、覆蓋全國(guó)的多功能差分GPS定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)。計(jì)劃建設(shè)200個(gè)永久性 GPS跟蹤站，平均密度40 km。

加拿大的主動(dòng)控制網(wǎng)系統(tǒng)（CACS）。通過(guò) CACS提供的精密衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星鐘差改正數(shù)和基準(zhǔn)站的觀測(cè)值，在加拿大任何位置使用單臺(tái)接受定位可獲得厘米到幾米的精度定位結(jié)果。到2006年5月，CACS已擁有14個(gè)永久性跟蹤站、12個(gè)西部變形監(jiān)測(cè)站和20個(gè)區(qū)域主動(dòng)控制站。

日本已建成全國(guó)近1 200個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)的綜合服務(wù)系統(tǒng)COSMOS[15]。它在以監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)和預(yù)報(bào)地震為主要功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合氣象和大氣部門(mén)開(kāi)展GPS大氣學(xué)的服務(wù)。

3.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

在我國(guó)，很多城市、省區(qū)和行業(yè)正在籌劃建立連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：建立并維護(hù)一個(gè)高質(zhì)量地心坐標(biāo)基準(zhǔn)，取代常規(guī)測(cè)量控制網(wǎng)，城鄉(xiāng)GIS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新，地球物理與環(huán)境監(jiān)測(cè)，公共安全，GPS氣象學(xué)，地面施工機(jī)械的自動(dòng)引導(dǎo)，提供實(shí)時(shí)RTK測(cè)量作業(yè)服務(wù)，提供各種后處理技術(shù)服務(wù)以及滿足節(jié)水、精密農(nóng)業(yè)的需要。深圳市建立了我國(guó)第一個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng) (SZCORS)，目前已開(kāi)始全面地測(cè)量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)已建成投入使用的GPS連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)有北京、上海、天津、武漢、昆明、深圳、貴陽(yáng)、河北等。

3.3 國(guó)內(nèi)CORS存在的問(wèn)題及研究熱點(diǎn)

目前，我國(guó)在 GNSS定位技術(shù)研發(fā)、工程建設(shè)水平與國(guó)外CORS基本持平，但在基準(zhǔn)站網(wǎng)覆蓋范圍、站點(diǎn)密度、服務(wù)內(nèi)容等方面上存在一定差距。又由于管理及政策的原因，缺乏國(guó)家級(jí)層面對(duì)GNSSCORS系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計(jì)。在美國(guó)，2009年美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局已經(jīng)完成國(guó)家CORS網(wǎng)絡(luò)和合作型CORS網(wǎng)絡(luò)的合并，用戶現(xiàn)在可下載兩種網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù) [14]。而我國(guó)各地CORS基本處于獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)，尚未實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨地區(qū)的聯(lián)網(wǎng)，這也造成國(guó)內(nèi)的CORS系統(tǒng)之間的追蹤數(shù)據(jù)不易于統(tǒng)一處理、協(xié)調(diào)共享。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外許多CORS研究主要集中在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、系統(tǒng)自動(dòng)化管理、數(shù)據(jù)采集域分發(fā)、基于網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星定位技術(shù)的開(kāi)發(fā)等方面。具有代表性的項(xiàng)目有IGS跟蹤站網(wǎng)絡(luò)、美國(guó)NGSCORS、歐洲EPN永久性連續(xù)網(wǎng)及國(guó)內(nèi)的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)CMONOC、中國(guó)沿海無(wú)線電指向標(biāo)－差分定位系統(tǒng) (RBN-DGPS)等[16]。需要注意的是，近年來(lái)我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。如何利用CORS對(duì)地質(zhì)多發(fā)地帶進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)并嘗試建立預(yù)報(bào)機(jī)制，也是一大研究熱點(diǎn)。新西蘭的 LINZ CORS[17]在全國(guó)已建成32個(gè)CORS站用于檢測(cè)地殼板塊活動(dòng)，而中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)建成遍布全國(guó)的主要用于地殼運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與事后處理分析的25個(gè)長(zhǎng)年GPS基準(zhǔn)站顯然是不夠的。在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面，我們可以借鑒日本GEONET系統(tǒng)，眾所周知日本是地震多發(fā)的國(guó)家，他們?cè)诶肎PS連續(xù)觀測(cè)監(jiān)測(cè)地殼變化方面已經(jīng)取得一定有效的成果。我國(guó)目前雖不能建立覆蓋全國(guó)的高密度的連續(xù)運(yùn)行參考站，但是在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域率先建立高密度GPS觀測(cè)系統(tǒng)是可行的。此外，合理協(xié)調(diào)利用地方CORS系統(tǒng)也是解決問(wèn)題的有效途徑。

4 結(jié) 語(yǔ)

連續(xù)運(yùn)行多基準(zhǔn)站差分網(wǎng)絡(luò)將是21世紀(jì)GPS發(fā)展的熱點(diǎn)，它集成了衛(wèi)星定位和通訊、有線及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、氣象采集等技術(shù)，形成了一個(gè)不間斷地面信息源采集系統(tǒng)，成為坐標(biāo)框架建設(shè)和維持的主要技術(shù)手段和基礎(chǔ)設(shè)施。現(xiàn)在CORS在測(cè)繪領(lǐng)域、地震監(jiān)測(cè)、氣象輔助預(yù)報(bào)、規(guī)劃建設(shè)、交通導(dǎo)航、災(zāi)害防治等領(lǐng)域正發(fā)揮重要的作用。雖然目前我國(guó)CORS建設(shè)仍存在建設(shè)利用單一，資源共享難等問(wèn)題，但卻正在沿著正確的方向改進(jìn)并前進(jìn)著，即如何在專業(yè)應(yīng)用網(wǎng)和區(qū)域參考站網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)面向全國(guó)、為全國(guó)各行各業(yè)提供服務(wù)的國(guó)家級(jí)CORS系統(tǒng)。

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Summarizing the Development of Continuous Operational Reference System

by Zeng Chao

As is a research highlight in current study of Global Navigation Satellites System(GNSS),Continuous Operational Reference System(CORS)represents the development direction of GNSS.This paper expounded the principle and structure of CORS,and stressed the main points such as VRS,coordinate-conversion,its development including home and abroad,existing problem and research highlight.

CORS,VRS,Coordinate-conversion,location （Page:53）

P228.42

B

1672-4623(2011)01-0053-04

2010-07-19

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40704001）。

曾超，碩士，從事GPS數(shù)據(jù)處理研究。