+ 劉天雄

2.3.3 連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)

在大地測(cè)量、形變監(jiān)測(cè)、道路施工、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提出了動(dòng)態(tài)厘米級(jí)、靜態(tài)毫米級(jí)的定位精度要求，僅靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身無(wú)法滿足如此高的定位要求，因此，需要建設(shè)增強(qiáng)系統(tǒng)提高其精度，連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（continuous operation reference station system，CORS）就是為滿足這些應(yīng)用需求發(fā)展起來(lái)的。

CORS是地基差分系統(tǒng)，由若干個(gè)參考基準(zhǔn)站、一個(gè)中心站和通信鏈路組成，數(shù)據(jù)處理中心與參考基準(zhǔn)站之間一般需要建立雙向通信鏈路。每個(gè)參考基準(zhǔn)站配置雙頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，基準(zhǔn)站應(yīng)按規(guī)定的采樣率進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過(guò)數(shù)據(jù)通信鏈實(shí)時(shí)將偽距、載波相位測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)流動(dòng)站送來(lái)的近似坐標(biāo)(可根據(jù)偽距法單點(diǎn)定位求得)判斷出該站位于由哪三個(gè)基準(zhǔn)站所組成的三角形內(nèi)，然后根據(jù)這三個(gè)基準(zhǔn)站的觀測(cè)資料求出流動(dòng)站處所受到的系統(tǒng)誤差，并播發(fā)給流動(dòng)用戶(hù)來(lái)進(jìn)行修正以獲得精確的結(jié)果，必要時(shí)可將上述過(guò)程迭代一次，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)8～10mm，動(dòng)態(tài)3～5cm的高精度定位。

圖10 連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的工作原理

參考基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心間的數(shù)據(jù)通信可采用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DON或無(wú)線通信等方法進(jìn)行。流動(dòng)站和數(shù)據(jù)處理中心間的雙向數(shù)據(jù)通信則可通過(guò)移動(dòng)電話GSM等方式進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理中心利用通信鏈路播發(fā)修正數(shù)據(jù)，播發(fā)系統(tǒng)有單向和雙向兩種工作方式，在單向方式中，用戶(hù)從數(shù)據(jù)處理中心得到一致的修正數(shù)據(jù)；在雙向方式中，用戶(hù)將自己的粗略位置傳送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心將針對(duì)性的修正數(shù)據(jù)播發(fā)給用戶(hù)，每個(gè)用戶(hù)可能得到不同的修正數(shù)據(jù)。用戶(hù)終端根據(jù)得到的修正數(shù)據(jù)，修正定位信息，以達(dá)到增加定位精度的目的，CORS的工作原理如圖10所示。

CORS應(yīng)用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)解決參考基準(zhǔn)站差分改正數(shù)據(jù)作用距離有限的問(wèn)題，RTK技術(shù)基于載波相位觀測(cè)量進(jìn)行實(shí)時(shí)差分，用戶(hù)站同時(shí)接收導(dǎo)航信號(hào)和參考站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)相對(duì)定位原理，實(shí)時(shí)解算整周模糊度未知數(shù)并得到用戶(hù)坐標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)中，線性衰減的單點(diǎn)導(dǎo)航差分誤差模型被區(qū)域型的導(dǎo)航差分網(wǎng)絡(luò)誤差模型取代，通過(guò)多個(gè)參考站組成的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)估計(jì)一個(gè)地區(qū)的誤差模型，并為該網(wǎng)絡(luò)覆蓋地區(qū)的用戶(hù)提供校正數(shù)據(jù)。

對(duì)于CORS系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)處理中心是其核心，CORS利用特定的算法對(duì)參考站網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出精確的差分改正，使用戶(hù)得到更好的定位精度。應(yīng)用較廣泛的CORS技術(shù)有天寶（Trimble）公司的虛擬參考站(VRS)技術(shù)和Leica公司的主輔站改正(MAX)技術(shù)，這兩種技術(shù)都是將所有的固定參考站數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心，進(jìn)行聯(lián)合解算，再以RTCM等標(biāo)準(zhǔn)格式播發(fā)到移動(dòng)站，但兩者也存在一定的差別。

VRS技術(shù)工作原理：在特定區(qū)域建立永久的固定參考站(通常相距50～70km)，用戶(hù)接收機(jī)通過(guò)GSM短信息功能向控制中心發(fā)送一個(gè)概略坐標(biāo)，控制中心根據(jù)用戶(hù)的位置，選擇一組最佳的參考站，利用特定的模型算法，相當(dāng)于在用戶(hù)位置附近建立一個(gè)虛擬參考站，并利用此參考站產(chǎn)生高精度的差分改正信息，控制中心將標(biāo)準(zhǔn)格式的改正信息發(fā)送給用戶(hù)接收機(jī)進(jìn)行載波相位差分改正，從而產(chǎn)生厘米級(jí)的定位結(jié)果，解決了RTK技術(shù)作業(yè)距離限制上的問(wèn)題口。

MAX技術(shù)工作原理：利用多基站、多系統(tǒng)、多頻(L1，L2，L5)及多信號(hào)非差處理算法，采用了Leica公司的SpiderNET軟件包，利用了LAMBDA算法(Teunissen，1994)解算整周模糊度，利用卡爾曼濾波進(jìn)行平差處理。利用網(wǎng)絡(luò)處理軟件將網(wǎng)絡(luò)中所有參考站相位距離歸算到一個(gè)公共的整周未知數(shù)水平，并據(jù)此對(duì)每一對(duì)衛(wèi)星／接收機(jī)以及每一個(gè)頻率計(jì)算出彌散性(誤差值與頻率有關(guān))和非彌散性(誤差值與頻率無(wú)關(guān))誤差，并將此誤差的差分改正數(shù)作為網(wǎng)絡(luò)的改正數(shù)據(jù)播發(fā)給流動(dòng)站。主輔站技術(shù)克服了VRS技術(shù)需要雙向通信的缺陷，且無(wú)網(wǎng)大小限制，也沒(méi)有網(wǎng)中臺(tái)站及流動(dòng)用戶(hù)的數(shù)量限制。

根據(jù)以上工作原理，在CORS覆蓋區(qū)域內(nèi)，無(wú)論用戶(hù)在哪里，中心站都可根據(jù)用戶(hù)當(dāng)前所在的粗略位置，為該用戶(hù)計(jì)算出所需的差分?jǐn)?shù)據(jù)，好象在用戶(hù)的附近建立了一個(gè)臨時(shí)虛擬基站，從而保證用戶(hù)可以連續(xù)地進(jìn)行高精度定位，避免了用戶(hù)不斷切換基站的問(wèn)題。CORS的工作原理決定了每個(gè)用戶(hù)需要保持與中心站雙向數(shù)據(jù)通信。每個(gè)基站需要保持與中心站單向數(shù)據(jù)通信，同時(shí)要求每個(gè)基站能夠同時(shí)提供偽距測(cè)量值和載波相位測(cè)量值。

目前，CORS采用的主流解算方法虛擬參考站（VRS）算法，已被美國(guó)天寶公司申請(qǐng)專(zhuān)利，在建設(shè)北斗地基差分系統(tǒng)的過(guò)程中，如何正確使用現(xiàn)有的技術(shù)資源，同時(shí)又不觸犯對(duì)方的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，避免知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，是建設(shè)過(guò)程中不可避免遇到的問(wèn)題。

2013年6月21日，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室召開(kāi)“北斗應(yīng)用推廣示范工程”工作會(huì)，提出建設(shè)覆蓋全國(guó)的北斗地基增強(qiáng)骨干網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)，在全國(guó)建設(shè)150個(gè)均勻分布的框架參考網(wǎng)站，在湖北、湖南和廣東建立150個(gè)示范加密網(wǎng)參考站，建設(shè)一個(gè)綜合數(shù)據(jù)處理中心和一個(gè)備份數(shù)據(jù)處理中心，三個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)處理中心，完成交通、測(cè)繪、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)和大眾應(yīng)用服務(wù)示范系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)廣域、區(qū)域、輔助增強(qiáng)一體化集成服務(wù)。

2014年4月，國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組確定由中國(guó)北方工業(yè)集團(tuán)公司承擔(dān)國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)研制建設(shè)總體任務(wù)，與國(guó)家交通運(yùn)輸部、國(guó)家測(cè)繪局、中國(guó)氣象局、中國(guó)地震局、國(guó)土資源部、中科院國(guó)家授時(shí)中心、教育部武漢大學(xué)等單位共同實(shí)施項(xiàng)目研制建設(shè)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)，也稱(chēng)為北斗CORS系統(tǒng)，提供北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度的增強(qiáng)服務(wù)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)是在一定區(qū)域范圍內(nèi)，由若干個(gè)連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通信鏈路、數(shù)據(jù)中心和用戶(hù)終端構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)綜合應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)（LAN/WAN）技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分改正信息解算，可向用戶(hù)自動(dòng)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)觀測(cè)值（載波相位、偽距）、差分改正數(shù)、狀態(tài)信息等衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)信息，為不同行業(yè)、不同類(lèi)型用戶(hù)提供多種多樣的高精度導(dǎo)航定位解算服務(wù)。

圖11 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站分布

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)由框架網(wǎng)和加密網(wǎng)基準(zhǔn)站、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、應(yīng)用終端等組成。國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)在境內(nèi)建設(shè)150個(gè)國(guó)家框架網(wǎng)北斗基準(zhǔn)站，站間距300km～1000km，平均每省、自治區(qū)至少有3～5個(gè)北斗基準(zhǔn)站，每個(gè)直轄市至少有1個(gè)北斗基準(zhǔn)站，框架網(wǎng)基準(zhǔn)站分布圖如圖11所示；1200個(gè)區(qū)域加密網(wǎng)北斗基準(zhǔn)站，站間距一般不大于60km，采用國(guó)家補(bǔ)貼、企業(yè)自籌的方式建設(shè)系統(tǒng)，區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站分布圖如圖12所示；建立了北斗數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)、6個(gè)行業(yè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用衛(wèi)星L波段、C波段、中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）、中國(guó)數(shù)字廣播（CDR）、移動(dòng)通信等多種方式播發(fā)增強(qiáng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)廣域?qū)崟r(shí)米級(jí)和分米級(jí)、區(qū)域?qū)崟r(shí)厘米級(jí)和后處理毫米級(jí)四類(lèi)高精度服務(wù)。

圖12 北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站分布

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)框架網(wǎng)基準(zhǔn)站用于提供北斗廣域修正（米級(jí)、分米級(jí)）數(shù)據(jù)產(chǎn)品解算所需的北斗衛(wèi)星播出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站用于提供北斗區(qū)域差分（厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)）數(shù)據(jù)產(chǎn)品解算所需的北斗衛(wèi)星播出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于連接基準(zhǔn)站至國(guó)家北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、國(guó)家北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)至行業(yè)北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、國(guó)家北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)至數(shù)據(jù)產(chǎn)品播發(fā)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于基準(zhǔn)站衛(wèi)星導(dǎo)航原始觀測(cè)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、質(zhì)量分析與評(píng)估、解算廣域、區(qū)域、后處理高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品、對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行解析和封裝、推送到數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)包括衛(wèi)星（L波段、C波段）、無(wú)線電廣播（CMMB和CDR）、移動(dòng)通信（2G/3G/4G），將北斗高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品播發(fā)至對(duì)應(yīng)“人、車(chē)、物”的應(yīng)用終端。應(yīng)用終端接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)，即可解算出相應(yīng)的北斗高精度定位信息。通過(guò)位置服務(wù)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，降低位置服務(wù)的門(mén)檻，支撐大眾和行業(yè)應(yīng)用。

北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)將中國(guó)大陸國(guó)土網(wǎng)格化，在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)安裝北斗高精度接收機(jī)，接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)絿?guó)家數(shù)據(jù)綜合處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后生成衛(wèi)星精密軌道、鐘差、電離層、綜合改正數(shù)和完好性等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，利用衛(wèi)星、數(shù)字廣播、移動(dòng)通信等方式進(jìn)行播發(fā)，用戶(hù)利用北斗高精度接收機(jī)/應(yīng)用終端接收北斗高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品后進(jìn)行解算，即可獲得實(shí)時(shí)米級(jí)、分米和厘米級(jí)定位服務(wù)，及系統(tǒng)提供后處理毫米級(jí)的定位服務(wù)。

美國(guó)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）由國(guó)家大地測(cè)量局負(fù)責(zé)管理，在全美建設(shè)參考基站1900多個(gè)，基站分布如圖13所示，利用移動(dòng)通信播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為大地測(cè)量、地理信息、農(nóng)業(yè)以及工程與科學(xué)研究等用戶(hù)提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位精度。

美國(guó)政府對(duì)地基增強(qiáng)系統(tǒng)的應(yīng)用既傳統(tǒng)又開(kāi)放，一方面通過(guò)明確的政策法規(guī)，推薦使用GPS及GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)；另一方面，積極鼓勵(lì)各州政府與民眾合作共建，共享數(shù)據(jù)。美國(guó)NDGPS系統(tǒng)和CORS系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)展較為成熟，但高精度定位應(yīng)用仍局限于傳統(tǒng)領(lǐng)域，尚未凸顯位置服務(wù)的智能化作用。

圖13 美國(guó)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）基站分布

英國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局建設(shè)了OSNet地基增強(qiáng)系統(tǒng)，在全英建設(shè)參考基站140多個(gè)，利用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，OSNet系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)被提供給Leica 、Trimble、Topcon等5家公司，由其提供市場(chǎng)服務(wù)，為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位精度。德國(guó)國(guó)家測(cè)量部門(mén)聯(lián)合運(yùn)輸、建筑等部門(mén)共建了SAPOS地基增強(qiáng)系統(tǒng)，在全德建設(shè)參考基站200個(gè)左右，利用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為地震監(jiān)測(cè)、地面沉降監(jiān)測(cè)、海平面監(jiān)測(cè)、水汽含量的精確測(cè)定、高速公路管理等用戶(hù)提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位精度，且基于SAPOS地基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了德國(guó)高速公路不停車(chē)收費(fèi)服務(wù)。受歐盟一體化、政治體系差異的影響，歐洲各國(guó)的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)尚未聯(lián)結(jié)，目前歐洲框架網(wǎng)（EUREF）的主要服務(wù)有高精度站坐標(biāo)值和速度場(chǎng)、站時(shí)間序列以及對(duì)流層大氣延遲參數(shù)等，但尚未轉(zhuǎn)化至高精度民用領(lǐng)域。

加拿大大地測(cè)量局和地質(zhì)測(cè)量局建設(shè)了CACS地基增強(qiáng)系統(tǒng)，基于加拿大大地測(cè)量動(dòng)態(tài)參考框架，在全加建設(shè)參考基站40多個(gè)，利用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為測(cè)量、地球物理等用戶(hù)提供1-10米，后處理優(yōu)于3厘米定位精度。澳大利亞新南威爾士土地和財(cái)產(chǎn)管理局建設(shè)了CORSnet-NSW地基增強(qiáng)系統(tǒng)，在全澳建設(shè)參考基站80多個(gè)，利用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為測(cè)量、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、緊急服務(wù)、科學(xué)研究、建筑和氣象探測(cè)等行業(yè)用戶(hù)提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位精度。作為前英聯(lián)邦國(guó)家，加拿大與澳大利亞均沿襲了英國(guó)成熟發(fā)達(dá)的測(cè)繪地理信息技術(shù)體系，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展。由于地廣人稀、區(qū)域發(fā)展不均，加拿大和澳大利亞的高精度應(yīng)用主要集中在本國(guó)發(fā)達(dá)地區(qū)的國(guó)土測(cè)繪、公共事務(wù)、交通航道等應(yīng)用領(lǐng)域。

日本國(guó)家地理院建設(shè)了COSMOS地基增強(qiáng)系統(tǒng)，在日本境內(nèi)建設(shè)參考基站1200個(gè)，基站分布如圖14所示，系統(tǒng)站點(diǎn)平均密度20km，利用移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)播發(fā)GPS差分改正數(shù)據(jù)，為地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、工程控制與監(jiān)測(cè)、測(cè)圖與地理信息系統(tǒng)更新、氣象監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)等行業(yè)用戶(hù)提供實(shí)時(shí)厘米級(jí)、后處理毫米級(jí)定位精度。由于自然災(zāi)害頻發(fā)，基于災(zāi)害的監(jiān)測(cè)需求，日本建設(shè)了全球基準(zhǔn)站密度最高的地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)發(fā)達(dá)的通信網(wǎng)絡(luò)，做到秒級(jí)實(shí)時(shí)響應(yīng)，應(yīng)用領(lǐng)域以傳統(tǒng)行業(yè)為主。

圖14 日本COSMOS地基增強(qiáng)系統(tǒng)基站分布