李春華，劉曉華，鄧 芳

（成都市勘察測繪研究院，四川成都 610081）

一、引 言

目前，國家測繪地理信息、城建、氣象、地震、國土等部門已在全國部分省市及區(qū)域建成幾百個CORS，如江蘇省、廣東省、四川省以及北京、上海、天津、重慶、成都、青島、蘇州、深圳、東莞等大中城市［1］?；贑ORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)厘米量級的絕對定位，其平面與大地高精度（中誤差）約為3 cm和6 cm［2］。同時，全國不少省市和地區(qū)都推算出具有厘米量級精度的似大地水準(zhǔn)面模型，并已廣泛應(yīng)用于實(shí)際的工程項(xiàng)目中，具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。如海南省與江蘇省的2＇30″×2＇30″格網(wǎng)模型，其精度分別為9 cm和7.8 cm。2002年深圳市1 km格網(wǎng)似大地水準(zhǔn)面模型，其精度為1.4 cm［3］。其他如北京、上海、南京、大連、成都等多個城市的1＇×1＇似大地水準(zhǔn)面模型，其高程轉(zhuǎn)換精度優(yōu)于 3 cm［4］。

然而，CORS系統(tǒng)與似大地水準(zhǔn)面模型在時空上依然保持相互獨(dú)立，基本上采用后處理或準(zhǔn)實(shí)時處理（如圖1所示）的方式完成GPS高程轉(zhuǎn)換。

圖1 高程轉(zhuǎn)換流程圖

從圖1可以看出，流動站需兩次訪問數(shù)據(jù)中心或服務(wù)器:第一次訪問完成（B，L，H）（大地高）的準(zhǔn)確求解；第二次訪問完成高程異常內(nèi)插，實(shí)現(xiàn)GPS高程轉(zhuǎn)換。

為實(shí)現(xiàn)GPS高程的實(shí)時轉(zhuǎn)換，或?qū)崟r獲取某點(diǎn)的大地經(jīng)緯度B、L（用戶坐標(biāo)x、y）與正常高h(yuǎn)，本文將在網(wǎng)絡(luò)RTK定位模式的基礎(chǔ)上，探討似大地水準(zhǔn)面模型與CORS系統(tǒng)的集成方法。

二、CORS系統(tǒng)與似大地水準(zhǔn)面模型的集成

基于CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK的作業(yè)過程中，流動站通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時將其概略位置（單點(diǎn)定位三維坐標(biāo)（B，L，H））送回?cái)?shù)據(jù)處理中心，中心根據(jù)概略坐標(biāo)位置建立區(qū)域內(nèi)的對流層和電離層改正內(nèi)插模型，并生成差分改正數(shù)發(fā)送到流動站（即用戶接收機(jī)）。

同時，數(shù)據(jù)處理中心也可根據(jù)流動站的概略坐標(biāo)位置及精化大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)插出該點(diǎn)的高程異常（概略位置與實(shí)際位置之間相距甚短，一般為3～5 m，兩點(diǎn)之間的高程異?；疽恢?，即為常數(shù)），并發(fā)回到流動站用戶。

（似）大地水準(zhǔn)面模型為格網(wǎng)數(shù)據(jù)（如圖2所示），如5＇×5＇、2.5＇×2.5＇或1＇×1＇等間隔。將全球或區(qū)域格網(wǎng)精化大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)存儲于處理中心，即可通過一定的內(nèi)插模型（如加權(quán)平均、移動曲面擬合、二次曲面等）計(jì)算概略位置的高程異常值。

流動站高程異常采用如下內(nèi)插模型（如圖3所示）

式中，（B，L，H）為流動站的三維概略坐標(biāo)；ξ為流動站內(nèi)插計(jì)算的高程異常；F（）為內(nèi)插模型。

圖2 全球大地水準(zhǔn)面模型示意圖

圖3 高程異常內(nèi)插模型示意圖

1.基于NMEA0183協(xié)議的高程異常

NMEA0183協(xié)議是美國國家海事電子協(xié)會（National Marine Electronics Association，NMEA）制定的，它是關(guān)于GPS電子設(shè)備之間的通信接口和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。下面以ARSNet/VENUS系統(tǒng)［5］為例詳細(xì)介紹基于該協(xié)議的似大地水準(zhǔn)面集成方法。

可以選用支持RTCM v2.2的RTK儀器（如Trimble、Leica等）來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) RTK定位。其中，ARSNet/VENUS的核心運(yùn)算是通過數(shù)據(jù)處理引擎實(shí)時估計(jì)模糊度、對流層延遲等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，利用用戶的NMEA GPGGA數(shù)據(jù)計(jì)算并生成差分改正信息，然后先對差分改正信息進(jìn)行RTCM編碼后，再發(fā)送給相應(yīng)的流動用戶（NTRIPClient）［6］。

數(shù)據(jù)中心首先得到用戶的請求，要求獲取資源表:

其中，“-＞”表示用戶向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送數(shù)據(jù)（不包含在發(fā)送信息之中）；Survey-Controller-15.0為發(fā)送請求的用戶信息（即移動用戶的電子手簿）。

數(shù)據(jù)中心則向用戶發(fā)送資源表:

其中，“＜-”表示中心向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。

用戶得到資源表后，選擇服務(wù)類型，并將掛載點(diǎn)、用戶名、密碼和包含概略位置的NMEA 0183信息發(fā)送至中心:

其中，用戶名和密碼采用base64編碼加密。

中心在接收到用戶概略坐標(biāo)信息后，即可建立虛擬參考站（virtual reference station，VRS），生成差分改正數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行RTCM編碼，然后數(shù)據(jù)中心就會發(fā)送RTCM數(shù)據(jù)。同時，數(shù)據(jù)處理中心還需要通過似大地水準(zhǔn)面模型內(nèi)插該處的高程異常值，并通過標(biāo)準(zhǔn)的GPGGA信息發(fā)送回流動站:

其中，中心發(fā)送的 VRS站的 RTCM差分?jǐn)?shù)據(jù)是TYPE18的雙頻載波相位數(shù)據(jù)，用十六進(jìn)制數(shù)表示。用戶發(fā)出的GPGGA數(shù)據(jù)和發(fā)回流動站的GPGGA數(shù)據(jù)唯一不同的是后者帶有高程異常值。這樣，流動站就可以獲得其正常高。

2.基于RTCM協(xié)議的高程異常

（1）基本原理

由于RTCM可以發(fā)送VRS觀測值差分改正數(shù)，因此，可以在RTCM改正數(shù)上進(jìn)行一些修改，從而直接在流動站上計(jì)算出高程異?；蛘８摺ｋp差改正數(shù)的計(jì)算公式如下

圖4中，ξ是高程異常，θ是衛(wèi)星s的高度角，p為關(guān)于衛(wèi)星s的觀測值的改正值:p=ξsinθ。

從式（3）可以看出，只要在相應(yīng)衛(wèi)星的VRS觀測值上加上改正值p，并將其發(fā)送到流動站上，即可在流動站上直接計(jì)算出相應(yīng)的正常高。

圖4 高程異常計(jì)算示意圖

（2）算例分析

下面給出基于RTCM協(xié)議的高程異常計(jì)算實(shí)例。

某一參考站和流動站的觀測數(shù)據(jù)分別見表1和表2，衛(wèi)星坐標(biāo)見表3，參考站和流動站的精確坐標(biāo)通過GPS靜態(tài)測量獲得，其坐標(biāo)見表4。

表1 參考站GPS觀測值

表2 流動站GPS觀測值

表3 GPS觀測衛(wèi)星坐標(biāo) m

以上數(shù)據(jù)為增加改正數(shù)以前的參考站和流動站的坐標(biāo)和在GPS時下的原始觀測值和可見衛(wèi)星的坐標(biāo)，這兩個站的天線相位中心間相距4.402 6 m。當(dāng)對流動站的觀測數(shù)據(jù)加入-41.000 m的高程異常改正值后，計(jì)算出的大地坐標(biāo)為

表4 參考站與流動站的準(zhǔn)確坐標(biāo)值

可見水平坐標(biāo)沒有發(fā)生變化（見表3流動站坐標(biāo)），僅僅是高程發(fā)生了改變。

三、結(jié) 論

1）NMEA0183協(xié)議定義了數(shù)據(jù)中心與用戶數(shù)據(jù)通信的交互協(xié)議（以ARSNet/VENUS系統(tǒng)為例），即將高程異常值定義到返回流動站的GPGGA數(shù)據(jù)中，用戶可以獲得該點(diǎn)的高程異常；RTCM協(xié)議是在相應(yīng)衛(wèi)星的VRS距離觀測值上加上該點(diǎn)的高程異常值，并將其發(fā)回到流動站上，即可在流動站上直接計(jì)算出相應(yīng)的正常高。

2）基于NMEA0183或RTCM協(xié)議的（似）大地水準(zhǔn)面模型與CORS系統(tǒng)的集成方法，均可通過網(wǎng)絡(luò)RTK測量模式實(shí)現(xiàn)GPS高程的實(shí)時轉(zhuǎn)換，即用戶可以實(shí)時獲取流動站的高程異?；蛘８撸瑯O大地提高了作業(yè)效率。

［1］ 中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會，中國測繪學(xué)會.測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告（2011—2012）［M］.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

［2］ 韓國超，劉莉萍，李春華，等.NRTK定位原理與性能測試［J］.測繪通報(bào)，2010（6）:30-33.

［3］ 寧津生，羅志才，楊沾吉，等.深圳市1 km高分辨率厘米級高精度大地水準(zhǔn)面的確定［J］.測繪學(xué)報(bào)，2003，32（2）:102-107.

［4］ 李春華.基于網(wǎng)絡(luò)GPS和精化大地水準(zhǔn)面的區(qū)域?qū)崟r三維定位理論與應(yīng)用［D］.成都:西南交通大學(xué)，2010.

［5］ 周樂韜，黃丁發(fā)，徐銳，等.一種網(wǎng)絡(luò)RTK新技術(shù)——增強(qiáng)參考站［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào):信息科學(xué)版，2008，33（1）:76-79.

［6］ 周樂韜.連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)實(shí)時動態(tài)定位理論、算法和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［D］.成都:西南交通大學(xué)，2007.