苗長(zhǎng)青

（淮北礦業(yè)股份有限公司桃園煤礦地測(cè)科，安徽 淮北235000）

1 引 言

隨著無線通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和普及，應(yīng)用差分GPS定位技術(shù)而產(chǎn)生的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System）已成為獲取城市地理地理信息的基礎(chǔ)設(shè)施［1］.

作為目前進(jìn)行實(shí)時(shí)GPS定位應(yīng)用和研究熱點(diǎn)的相位差分是差分GPS技術(shù)的一種，基本上可分為二種類型，即廣域差分GPS和局域差分GPS.單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS分別是目前應(yīng)用較為廣泛的局域差分和廣域差分技術(shù)的兩種形式，RTK （Real Ti me Kinematic）是兩種系統(tǒng)在生產(chǎn)與生活中的主要應(yīng)用手段之一.

空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取是建設(shè)數(shù)字城市的關(guān)鍵.大中城市、中小城市選擇單基站CORS或者網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)作為城市地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施，在對(duì)系統(tǒng)為建立數(shù)字城市而獲取空間地理數(shù)據(jù)和特征的要求外，還對(duì)信息數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性有較高的要求，以及這樣的設(shè)施能夠符合城市自身的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)狀況和發(fā)展規(guī)劃.

單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS在原理與建設(shè)費(fèi)用等方面的巨大差異，使得它們不能單一的作為符合所有城市獲取空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的要求，自身的特點(diǎn)符合不同等級(jí)的城市對(duì)信息化的需求.比較單基站CORS與網(wǎng)絡(luò)CORS的優(yōu)缺點(diǎn)，分析測(cè)量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、精度，有一定的理論與實(shí)用價(jià)值.

2 單基站CORS的優(yōu)勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)是指在較大地域范圍內(nèi)布設(shè)多個(gè) （三個(gè)或以上）基準(zhǔn)站，組成基準(zhǔn)站網(wǎng).通過無線網(wǎng)絡(luò)，以這些基準(zhǔn)站網(wǎng)中的一個(gè)或多個(gè)為參考站，計(jì)算和發(fā)送差分信息，對(duì)一定行政區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星定位用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)改正的差分定位方式.單基站CORS系統(tǒng)是由一個(gè)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站組成，基準(zhǔn)站作用于一定作用范圍內(nèi)的GPS用戶.

通過數(shù)據(jù)中心，借助于無線網(wǎng)絡(luò)將差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給GPS用戶.與單基準(zhǔn)站CORS相比，該方法的主要優(yōu)點(diǎn)為覆蓋面廣、定位精度高.對(duì)RTK用戶而言，單基站CORS系統(tǒng)服務(wù)半徑目前可以在50 k m范圍內(nèi)達(dá)到厘米級(jí)定位.比較網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)，單基站CORS系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）系統(tǒng)之間的兼容性較好；

2）系統(tǒng)容易進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展；

3）系統(tǒng)建立、維護(hù)的成本低；

4）適合中小城市對(duì)信息化建設(shè)硬件設(shè)施的要求；

5）數(shù)學(xué)模型成熟；

6）系統(tǒng)運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定.

3 CORS系統(tǒng)適用性分析

3.1 轉(zhuǎn)換模型的比較

無論是單基站CORS系統(tǒng)，還是網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)，其定位都是相對(duì)于WGS－84地心坐標(biāo)系而言的，這對(duì)于中國(guó)所采用的北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系這兩種參心坐標(biāo)系而言，都需要對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換.坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換模型應(yīng)用較為廣泛的有七參數(shù)模型［2］、四參數(shù)模型［3］，其數(shù)學(xué)模型分別為：

七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型的轉(zhuǎn)換參數(shù)由已知點(diǎn)的空間坐標(biāo)求解，即空間三維直角坐標(biāo)或者大地坐標(biāo) （大地經(jīng)緯度、大地高）.中國(guó)現(xiàn)行的兩套參心坐標(biāo)系統(tǒng) （北京54、西安80）是用常規(guī)技術(shù)測(cè)設(shè)的二維坐標(biāo) （對(duì)于中國(guó)新一代地心坐標(biāo)系CGCS2000不做探討），點(diǎn)的坐標(biāo)用大地經(jīng)緯度或高斯平面坐標(biāo)來表示.點(diǎn)的大地高由地面點(diǎn)的正常高加概略的高程異常所得，已知橢球面上的大地高只有數(shù)米的精度，點(diǎn)間的大地高差精度也僅有米級(jí).所以地面控制網(wǎng)的已知點(diǎn)中，只能提供一個(gè)點(diǎn) （位置基準(zhǔn)點(diǎn)）的三維坐標(biāo)，其余已知點(diǎn)僅能提供經(jīng)緯度或高斯平面坐標(biāo)來作轉(zhuǎn)換［4］.

因此，由位置基準(zhǔn)點(diǎn)上的兩組三維坐標(biāo)可以確定兩類坐標(biāo)系之間的3個(gè)平移參數(shù)，余下的3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)及1個(gè)尺度參數(shù)是不可能利用七參數(shù)模型同時(shí)獨(dú)立求定的.對(duì)于中國(guó)兩套參心坐標(biāo)系，運(yùn)用七參數(shù)模型并不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換.因此，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐及應(yīng)用中，對(duì)WGS－84定位成果進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)，是分為平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換和似大地水準(zhǔn)面擬合單獨(dú)進(jìn)行［5］.平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換常選用上述四參數(shù)模型進(jìn)行.

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)換模型適用性分析

CORS系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在系統(tǒng)控制中心設(shè)置，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型的轉(zhuǎn)換精度直接影響用戶獲得的點(diǎn)位精度.大中城市的城市行政區(qū)域多達(dá)上萬平方公里，中小城市的城市行政區(qū)域多為千百平面公里.

為了驗(yàn)證易于實(shí)現(xiàn)的四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型是否適用于CORS系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型適用性進(jìn)行分析.在六千多平方公里的區(qū)域內(nèi)，對(duì)已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)進(jìn)行GPS控制測(cè)量，獲得控制點(diǎn)在WGS－84坐標(biāo)框架下的坐標(biāo)；用分布于不同區(qū)域的控制點(diǎn)以三個(gè)為一組，按最小二乘算法，求解轉(zhuǎn)換模型的參數(shù)，其它已知點(diǎn)用來檢核坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的精度；以 （式3）［6］評(píng)定模型的內(nèi)符合精度，（式4）［6］評(píng)定模型的外符合精度：

控制點(diǎn)的已知坐標(biāo)與WGS－84坐標(biāo)框架下的空間三維直角坐標(biāo)經(jīng)高斯投影后的平面坐標(biāo)如表1［7］：模型轉(zhuǎn)換的精度如表2［7］：

表1 已知坐標(biāo)與投影后的平面坐標(biāo)

表2 模型轉(zhuǎn)換的精度

第一組數(shù)據(jù)的三個(gè)已知點(diǎn)5、3、8位于測(cè)區(qū)的東北角，第二組數(shù)據(jù)的三個(gè)已知點(diǎn)5、4、7均勻分布于測(cè)區(qū).比較兩組數(shù)據(jù)，檢核點(diǎn)的外符合精度較高，說明三個(gè)已知點(diǎn)求解模型參數(shù)時(shí)，均勻分布在測(cè)內(nèi)的控制點(diǎn)獲得的參數(shù)能更好的控制測(cè)區(qū).

由于已知點(diǎn)間的相對(duì)點(diǎn)位精度不一致，引起模型的內(nèi)符合精度并不是太高.模型求解的外符合精度隨著測(cè)區(qū)與控制點(diǎn)的距離呈衰減趨勢(shì)，因此，檢核點(diǎn)離已知點(diǎn)越遠(yuǎn)，點(diǎn)位中誤差越大.

上述分析說明，四參數(shù)模型只能在一定的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)較高精度的轉(zhuǎn)換，對(duì)于上萬平方公里的大中城市，網(wǎng)絡(luò)CORS的控制中心不宜選擇四參數(shù)模型做為坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型.而單基站CORS的RTK作業(yè)模式標(biāo)稱精度能夠在50 k m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位，在這一區(qū)域范圍內(nèi)，通過表2的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，四參數(shù)模型適合單基站CORS坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換.

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)單基站CORS適用性分析

表3 坐標(biāo)及中誤差

CORS系統(tǒng)作為城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施，要求它能在城市行政區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位精度，即RTK的測(cè)量精度應(yīng)達(dá)厘米級(jí)，甚至更高的精度.對(duì)于受到大中城市青睞的網(wǎng)絡(luò)CORS能夠達(dá)到這一要求，如廣州網(wǎng)絡(luò)CORS系統(tǒng)能夠在城區(qū)8 000 k m2范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)定位精度［8］.但網(wǎng)絡(luò)CORS由于在建設(shè)經(jīng)費(fèi)等方面的因素并不適合中小城市對(duì)城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的要求，相對(duì)于單基站CORS標(biāo)稱能夠在50 k m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度，單基站CORS更適合中小城市的發(fā)展.利用已有的控制點(diǎn)，運(yùn)用單基站CORS－RTK系統(tǒng)，對(duì)已有控制測(cè)量成果的控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，將控制坐標(biāo)作為RTK觀測(cè)值的期望值，進(jìn)行精度比較，統(tǒng)計(jì)它們的點(diǎn)位中誤差 （式3），如表3［7］所示.表中的觀測(cè)坐標(biāo)已運(yùn)用CORS系統(tǒng)控制中心轉(zhuǎn)換模型實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換模型為四參數(shù)數(shù)學(xué)模型 （式2）.經(jīng)過坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的單基站CORS－RTK觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠在幾千平方公里范圍內(nèi)達(dá)到厘米級(jí)定位精度，而且它的建設(shè)成本低廉，比較適合中小城市的應(yīng)用.

4 結(jié) 論

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)四參數(shù)模型是否適用于單基站CORS系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，對(duì)于中小城市選用單基站CORS而言，四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換.對(duì)于求解模型參數(shù)的公共點(diǎn)，應(yīng)選擇均勻分布于城市行政區(qū)域的控制點(diǎn).對(duì)于單基站CORS實(shí)時(shí)定位精度，用RTK實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，能夠滿足中小城市對(duì)數(shù)據(jù)的精度要求.

此外，單基站CORS系統(tǒng)具有建設(shè)、維護(hù)費(fèi)用低、易于升級(jí)、安全、穩(wěn)定等方面的優(yōu)勢(shì).就CORS而言，單基站CORS更適合中小城市的應(yīng)用.

［1］ 劉經(jīng)南，劉輝.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)—城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施 ［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003，（03）：259－264

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［6］ 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院測(cè)量平差學(xué)科組.誤差理論與測(cè)量平差基礎(chǔ) ［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2003

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［8］ 楊光，方鋒，祁芳.GZCORS系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用 ［J］.地理空間信息，2007，（03）：20－22