馬洪濱，孫 軍，周海壯，陳永生

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽 110819；2.沈陽天信測繪科技有限公司，沈陽 100016）

1 引言

城市數(shù)字化和數(shù)字城市是現(xiàn)代城市的發(fā)展趨勢，城市空間信息基礎(chǔ)設(shè)施是數(shù)字城市的基礎(chǔ)［1］，鞍山市連續(xù)運行參考站 （簡稱ASCORS）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是鞍山市城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，其基本任務(wù)是在鞍山建立一個高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的GNSS綜合信息服務(wù)網(wǎng)，把CORS這一高新技術(shù)綜合應(yīng)用于鞍山市的大地測量、工程測量、地籍測量、土地勘測、氣象測量、地震監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測以及城市地理信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。同時兼顧社會公共定位服務(wù)，以滿足日益增長的城市綜合管理與城市化建設(shè)的需要，為促進(jìn)鞍山市經(jīng)濟(jì)又好又快地、持續(xù)地健康發(fā)展提供空間基本信息。它將在數(shù)字鞍山的建設(shè)和鞍山市的國土資源管理與勘察、城市規(guī)劃、建設(shè)、管理中發(fā)揮巨大的作用［2-3］。

2 鞍山市連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建立

2.1 系統(tǒng)概述

鞍山市連續(xù)運行參考站系統(tǒng)是由鞍山市國土資源局主管，武漢大學(xué)提供系統(tǒng)運行軟件開發(fā)和技術(shù)支持，鞍山市國土資源勘測設(shè)計院和東北大學(xué)測繪系負(fù)責(zé)組織實施建設(shè)。自2008年4月開始啟動以來，分兩期建設(shè) （前期4個站，后期3個站），歷經(jīng)2年多的建設(shè)，于2009年9月投入試運行，2011年7月正式投入運營。整個系統(tǒng)由1個控制中心 （位于鞍山勘察測繪院機(jī)房內(nèi)）和7個參考站組成 （分別為鞍山科大站、岫巖石廟子站、大營子站、新甸站、海城的孤山子站、西四站和臺安站）站間平均70km。覆蓋鞍山市全境以及周邊一萬四千多平方千米。系統(tǒng)參考站和系統(tǒng)中心分布見圖1。

圖1 參考站分布圖

2.2 系統(tǒng)建設(shè)

鞍山市連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)主要包括參考站子系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制中心與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用子系統(tǒng)等［4-7］。

（1）參考站子系統(tǒng)

鞍山市連續(xù)運行參考站子系統(tǒng)在分析了CORS參考站網(wǎng)形的空間均勻性以及站間距離的合理性的基礎(chǔ)上，由GNSS接收機(jī)、雙頻扼流圈衛(wèi)星天線及天線保護(hù)罩、大容量記憶卡、墩標(biāo)、不間斷電源、通訊網(wǎng)絡(luò)、雷電防護(hù)及其它所需電纜及配件等設(shè)備組成?？梢?4h不間斷的接收衛(wèi)星信號，提供高質(zhì)量的衛(wèi)星偽距、相位觀測值、星歷等數(shù)據(jù)信息。以滿足各參考站所覆蓋區(qū)域的不同精度、不同類型差分定位的需要以及參考站網(wǎng)絡(luò)對參考基準(zhǔn)維持的需求。

（2）系統(tǒng)控制中心

系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)處理中心是整個ASCORS的核心單元，中心由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等組成，與各參考站之間依靠網(wǎng)絡(luò)、TCP/IP方式相連。作為整個系統(tǒng)的核心，ASCORS控制中心具備以下功能：數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)運行監(jiān)控、信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理。根據(jù)需要，控制與數(shù)據(jù)處理中心子系統(tǒng)建在鞍山市國土資源勘測設(shè)計院辦公樓內(nèi)，組成獨立的局域網(wǎng)，同時配備4臺計算機(jī)工作站與7臺ASHTECH公司生產(chǎn)的GNSS參考站接收機(jī)相連，用于遙控和數(shù)據(jù)采集。其中解算采用兩臺服務(wù)器并行運行，增加整個系統(tǒng)的備用性。各接收機(jī)與數(shù)據(jù)中心之間的通訊采用光纖或ADSL專線 （固定IP）。有條件的地方采用光纖通訊，無光纖的地方采用ADSL專線通訊。通過網(wǎng)絡(luò)與每個參考站接收機(jī)進(jìn)行通訊，并與其它計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，支持臺站網(wǎng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)布并通過Internet（NTRIP）發(fā)送RTD、RTK等差分?jǐn)?shù)據(jù)給流動站用戶。

（3）數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)建設(shè)

ASCORS數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)主要分為兩部分，一部分用于連接參考站和系統(tǒng)控制中心，另一部分用于連接系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心和用戶應(yīng)用系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)通訊子系統(tǒng)的連接下，ASCORS可以實現(xiàn)所覆蓋范圍內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)交換。在ASCORS參考站與數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)通訊構(gòu)建中，為7個GNSS參考站和數(shù)據(jù)中心申請1條光纖和6條ADSL專線寬帶線路，并配有固定IP地址的Internet接入。在ASCORS數(shù)據(jù)中心和用戶應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊構(gòu)建中，考慮了兩方面的數(shù)據(jù)需求。一是實時RTK數(shù)據(jù)播發(fā)的數(shù)據(jù)通訊，二是事后用戶靜態(tài)數(shù)據(jù)下載。對于實時RTK數(shù)據(jù)播發(fā)，流動站用戶可以使用調(diào)制解調(diào)器，通過GSM/GPRS來接收RTK改正數(shù)據(jù)。對于事后靜態(tài)數(shù)據(jù)的下載，ASCORS系統(tǒng)將GNSS參考站的數(shù)據(jù)文件或其他數(shù)據(jù)檢查報告和事件記錄文件匯總到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心記錄文件并發(fā)送到指定的FTP或Web地址。用戶可通過Internet下載必要的數(shù)據(jù)。

（4）用戶應(yīng)用子系統(tǒng)

ASCORS的用戶按照應(yīng)用的精度不同，可以分為毫米級用戶系統(tǒng)，厘米級用戶系統(tǒng)、分米級用戶系統(tǒng)、亞米級用戶系統(tǒng)、米級用戶系統(tǒng)。按照應(yīng)用目的不同又可分為：國土資源系統(tǒng)專業(yè)用戶 （遍布以上所有精度范圍），測繪與工程應(yīng)用用戶 （厘米與分米級），車輛導(dǎo)航與定位用戶 （米級），高精度用戶 （事后處理）等幾類。系統(tǒng)的基本構(gòu)成是接收數(shù)據(jù)鏈、GNSS接收機(jī)和中央處理器。按照不同的應(yīng)用需求，可能還要求具備電子手簿，電子地圖、回傳數(shù)據(jù)鏈等設(shè)備。用戶單元的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 用戶單元的設(shè)備結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測試

為全面驗證系統(tǒng)各項技術(shù)指標(biāo)，評定系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計要求，2009年11月19日～2009年11月26日鞍山市國土資源勘測設(shè)計院和東北大學(xué)測繪系組織人員從系統(tǒng)定位精度、定位服務(wù)的時效性、空間可用性、時間可用性以及對各種主流GPS接收機(jī)的兼容性等方面進(jìn)行了測試。在已做好的基準(zhǔn)框架網(wǎng)中均勻選取20個點作為檢測點。檢測點基本包括了鞍山市所有區(qū)域，既有網(wǎng)內(nèi)點又有網(wǎng)外點，具有較強(qiáng)的代表性。GPS C級基準(zhǔn)框架網(wǎng)共130個點，除去7個CORS站點，共123個GNSS C級網(wǎng)點。檢測點的比例占到整個基準(zhǔn)網(wǎng)點16.2%。

3.1 初始化時間分析

系統(tǒng)定位服務(wù)的初始化時間，即為RTK實時定位的時效性。測量原始數(shù)據(jù)是由若干個初始化段組成的。初始化時間一般由觀測環(huán)境、儀器質(zhì)量以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性決定。

在ASCORS動態(tài)定位測試中，記錄了不同型號接收機(jī)初始化時間。從測試的結(jié)果來看，接收機(jī)型號不同其初始化時間也不相同，其中Z－x平均初始化時間為18.332s；Z－max平均初始化時間為16.523s；PM500平均初始化時間為14.325s。在整個測試過程中，采用GPRS作為流動站的通訊方式。

3.2 RTK定位精度分析

RTK定位精度測試是為了檢測出在實時動態(tài)作業(yè)條件下，利用系統(tǒng)播發(fā)的網(wǎng)絡(luò)RTK改正信息，通過區(qū)分RTK接收參考站差分信息時間的長短進(jìn)行對比分析，分析待定點的點位精度情況，可以得到的實時定位服務(wù)精度及其隨時間的變化情況。同樣對于12個已知等級點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK定位測試。首先選用不同廠家當(dāng)時最新型號的接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集精度測試，結(jié)果幾個知名的老GNSS廠家在相同的時間內(nèi)精度無明顯差別，這里沒有列出，而同一型號的接收機(jī)在不同的數(shù)據(jù)采集時間其精度卻不相同，這里將某型號接收機(jī)在12個已知點上分別用30s、60s、300s、900s、1 200s采集數(shù)據(jù)的平均定位精度計算結(jié)果分別為：0.015 75mm；0.012 75mm；0.011 67mm；0.008 75 mm；0.008 17mm，通過定位結(jié)果我們可以看出網(wǎng)絡(luò)RTK定位精度，與觀測時間有關(guān)，觀測時間越長，RTK定位精度越高，同時隨著定位時間的延長 （15min左右），精度越趨向穩(wěn)定，變化幅度減小。這樣就可以根據(jù)具體測繪項目的精度要求確定其觀測時間，從而產(chǎn)生同精度同作業(yè)方法可以有不同技術(shù)要求的新作業(yè)。但也可看出一個事實，一旦RTK出現(xiàn)固定解，再增加的數(shù)據(jù)采集時間對提高定位精度影響不是很大。

RTK精度測試的12個點是為鞍山建立CORS空間框架系統(tǒng)中用靜態(tài)方法觀測解算的國家C級GNSS點，均勻分布在ASCORS的各個區(qū)域，但每個點都是隨機(jī)選擇的，每個點上按照不同時間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，僅分析了不同時間間隔數(shù)據(jù)采集與定位精度之間的關(guān)系，沒有分析不同方式采集的數(shù)據(jù)以及在網(wǎng)內(nèi)不同位置采集的數(shù)據(jù)對定位精度的影響，為更全面的考核CORS系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性等還需做進(jìn)一步的分析。

3.3 定位成果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

ASCORS觀測數(shù)據(jù)成果定位精度指標(biāo)主要有內(nèi)符合精度和外符合精度。內(nèi)符合精度反映了觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，外符合精度反映了ASCORS在實際參考框架網(wǎng)中定位生產(chǎn)作業(yè)的精度，參考框架網(wǎng)是GPS C級網(wǎng)。

檢測方法是不同時段多歷元的靜態(tài)已知點檢測法。在每個已知點位上分別觀測兩個時段，數(shù)據(jù)采樣率為1s。每個時段撥號兩次，每次撥號得到固定解后開始記錄測量結(jié)果，連續(xù)觀測一定時間，記錄一組測試數(shù)據(jù) （一般30個歷元以上），然后掛斷重新?lián)芴栍涗浟硪唤M同樣觀測時間的固定解結(jié)果。

（1）內(nèi)符合精度

系統(tǒng)內(nèi)符合是各個歷元觀測值之間的比較，也是觀測值誤差收斂程度和穩(wěn)定性的體現(xiàn)，在工程測量中，是觀測點位精度的主要參考指標(biāo)，統(tǒng)計內(nèi)符合精度有利于分析系統(tǒng)穩(wěn)定性。內(nèi)符合精度數(shù)據(jù)采集以及計算方法為：在同一點上分別采集100個歷元的RTK固定解數(shù)據(jù)，計算每一測點所有測量值的平均值，再將該平均值與每一測量值求差。統(tǒng)計所有差值的分布情況，并對差值在不同區(qū)間的概率進(jìn)行統(tǒng)計，同時依下式分別計算系統(tǒng)在X，Y，H方向的內(nèi)符合精度。

誤差方程為

其中，L為觀測值，為觀測值的平均值，因其為等權(quán)觀測且為單位權(quán)，根據(jù)最小二乘原理得

內(nèi)符合精度為

其中，n為每一點觀測值總數(shù)，Δ為觀測值與相應(yīng)測試平均值的差值M1為系統(tǒng)的內(nèi)符合精度，反映系統(tǒng)實時定位的穩(wěn)定性和系統(tǒng)的收斂性。

以網(wǎng)內(nèi)DGTT一點來進(jìn)行算例分析：DGTT點位于網(wǎng)內(nèi)，距離主站AS站16km，如圖3所示

圖3 內(nèi)符合參考站分布

表3 DGGT點測試點數(shù)據(jù)

ASCORS的內(nèi)符合數(shù)據(jù)采集結(jié)果如表3所示，精度統(tǒng)計如表4所示，從表中得知平面坐標(biāo)內(nèi)符合精度約1cm～3cm，最大值不超過4cm；高程內(nèi)符合精度約為2cm～4cm，最大值不超過5cm；高程的內(nèi)符合精度比平面坐標(biāo)低，集中在2cm～4cm分別占90%和80%，而平面坐標(biāo)內(nèi)符合精度主要集中在1cm～3cm，占到90%左右。從結(jié)果上還可以看出雙頻雙星接收機(jī)與雙頻接收機(jī)RTK采集數(shù)據(jù)精度沒有明顯的區(qū)別。

表4 內(nèi)符合精度統(tǒng)計表

（2）外符合精度分析

外符合精度是評價CORS系統(tǒng)的可靠性與商業(yè)可操作性的重要依據(jù)，計算外符合精度應(yīng)用靜態(tài)已知點檢測的方法，將CORS觀測值與靜態(tài)觀測的C級已知坐標(biāo)值進(jìn)行比較，即可得出各測點的外符合分布情況，再計算系統(tǒng)在x，y，z方向的外符合精度

和內(nèi)符合精度測試一樣，我們同樣選擇一些點進(jìn)行分析，如圖4：SZ3距離AS站30km，XS距離其45km，兩者皆在網(wǎng)內(nèi)。

而LG點距離AS站25.3km，且為網(wǎng)外。根據(jù)ASCORS的組網(wǎng)原則，AS站為SZ3和LG的主站，而HC站為XS的主站。在這三個點上每個點上獨立 （每次都重新開機(jī)關(guān)機(jī)初始化）采集數(shù)據(jù)33次，通過三個站共組成100個測試數(shù)據(jù)。

圖4 外符合參考站分布圖

表5 外符合測試數(shù)據(jù)

將100個實測值與已知值進(jìn)行比較，得出每點的差值，即外符合誤差如表5所示。ASCORS的外符合精度統(tǒng)計如表6所示，從表6中可知，平面坐標(biāo)外符合精度控制在2cm～4cm，最大值不超過5cm；高程外符合精度約為2cm～4cm，最大值不超過5cm；系統(tǒng)精度較高，比較穩(wěn)定。能夠滿足大比例尺地形圖和土地規(guī)劃的需要。

表6 外符合精度統(tǒng)計表

3.4 內(nèi)插與外推精度分析

在CORS應(yīng)用中，由于基準(zhǔn)站網(wǎng)大小或者基準(zhǔn)站個數(shù)的限制，流動站用戶作業(yè)時的位置可能處于基準(zhǔn)站所構(gòu)成三角形網(wǎng)的外部，相比于在基準(zhǔn)站網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行幾何內(nèi)插，其外推的定位精度就會有所差異。針對用戶這兩種不同情況，結(jié)合ASCORS，從數(shù)據(jù)精度的角度出發(fā)，詳細(xì)分析和比較內(nèi)插和外推流動站綜合誤差的精度差異。

圖5 流動站示意圖

實驗數(shù)據(jù)來自ASCORS系統(tǒng)，采集時間為2009年11月12號，采樣間隔15s，采樣2h。在7個基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)中首先選取AS，XY，HC3個基準(zhǔn)站構(gòu)成的三角形為基準(zhǔn)站網(wǎng)，以AS站為主站，分析DS點的內(nèi)插精度。然后選取AS，HC，TA三個基準(zhǔn)站構(gòu)成三角形，分析DS的外推精度。點DS距離主站AS站28.4km。如圖5，我們?nèi)我膺x取一對衛(wèi)星 （G02、G27），解算出內(nèi)插和外推的雙差綜合誤差 （如圖6、圖7）。

從圖6可以看出，采用內(nèi)插算法所內(nèi)插得到的雙差綜合誤差，其值隨歷元變化的整體趨勢與解算值有一小段偏差量，外推AS－DS綜合誤差在歷元中的走勢與解算值相差比較遠(yuǎn)。

為了更詳細(xì)比較內(nèi)插和外推兩者精度差異，將實驗中內(nèi)插出的綜合誤差與和外推的綜合誤差進(jìn)行了統(tǒng)計。統(tǒng)計顯示，內(nèi)插方法的差異90%部分在±0.02m，5%的誤差超過±0.02m，總體誤差在±0.04m以內(nèi)，而外推形式下的誤差超過±0.04m的數(shù)量占到了20% ，總體誤差在±0.08m以內(nèi)，容易看出，在構(gòu)造區(qū)域中同一點的綜合誤差時，內(nèi)插構(gòu)造的精度會優(yōu)于外推時的精度。

所以可以看出，在進(jìn)行CORS作業(yè)時，內(nèi)插所得的綜合誤差可以相當(dāng)準(zhǔn)確地反映綜合誤差變化情況，內(nèi)插所得的綜合誤差相比外推更能真實并準(zhǔn)確地反映出了誤差的變化情況。由此，在建設(shè)CORS系統(tǒng)時，在保證基準(zhǔn)站之間的距離不能過長和用戶定位精度的同時，也要考慮到該系統(tǒng)所能覆蓋的網(wǎng)內(nèi)用戶作業(yè)范圍。

圖6 AS－DS內(nèi)插綜合誤差 （m）

圖7 AS－DS的外推綜合誤差 （m）

3.5 定位穩(wěn)定性分析

定位穩(wěn)定性即時間可用性是針對系統(tǒng)提供的CORS實時定位服務(wù)而言。它在一定程度上受客觀因素的影響，當(dāng)由于衛(wèi)星運動、大氣變化、系統(tǒng)本身穩(wěn)定性等原因造成某時刻系統(tǒng)可用衛(wèi)星數(shù)達(dá)不到CORS定位服務(wù)所需的最少衛(wèi)星數(shù)或者系統(tǒng)本身無法結(jié)算時，系統(tǒng)將無法提供有效的網(wǎng)絡(luò)RTK定位服務(wù)。

測試方法：選擇一個固定點，利用Z－max雙頻GPS接收機(jī)連續(xù)觀測24h，以GPRS為通訊方式，采樣率1s，采集CORS固定解數(shù)據(jù)，天頂角設(shè)為10°根據(jù)應(yīng)測固定解數(shù)與實測固定解數(shù)，統(tǒng)計丟失固定解和丟失率，用以統(tǒng)計系統(tǒng)在時間上的可用性，觀測完成后統(tǒng)計ASCORS系統(tǒng)可用性為97%。

3.6 兼容性分析

系統(tǒng)的兼容性決定該系統(tǒng)是否能更好的進(jìn)行商業(yè)化以及與不同系統(tǒng)的融合，ASCORS兼容性測試過程中，參加測試的儀器有ASHTECH公司的Z－x，Z－Max，PM500，及國產(chǎn)設(shè)備和其他進(jìn)口GPS設(shè)備。測試表明都能得到穩(wěn)定可靠的固定解，平面精度小于3cm，高程精度小于5cm。

4 結(jié)論

（1）ASCORS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用改進(jìn)型綜合誤差參考站技術(shù)，基于光纖和ADSL專線網(wǎng)絡(luò)，低成本通訊技術(shù)這一創(chuàng)新方案，大大降低了通訊費用，同時保證了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、可用性和高精度。平面平均誤差2.1cm，高程平均誤差4.6cm。

（2）通過各種方法對系統(tǒng)精度進(jìn)行測試，結(jié)果表明：內(nèi)符合精度高于外符合精度1cm～2cm，但不成規(guī)律分布；同一點位不同時間段所有測試值與已知坐標(biāo)的差值均在±0.04m范圍內(nèi)，所有測試值坐標(biāo)分布在±0.01m～±0.05m范圍內(nèi)。

（3）ASCORS系統(tǒng)的空間可用性良好，在初始化分析中，RTK首次初始化約30s；系統(tǒng)數(shù)據(jù)兼容RTCM2.3，RTCM3.0及CMR/CMR＋中任何一種差分改正數(shù)據(jù)格式。區(qū)域內(nèi)插精度明顯高于外推精度，系統(tǒng)RTK的有效工作范圍可從網(wǎng)邊緣外推至網(wǎng)外30km左右可滿足各類工程測量的要求。

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