曾翔強(qiáng)，陳春花，周烽松

( 1. 湖南省測(cè)繪科技研究所, 長沙 410007；2. 中國測(cè)繪科學(xué)研究院 湖南分院, 長沙 410007 )

0 引 言

連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)技術(shù)能夠?qū)⑿l(wèi)星導(dǎo)航定位的精度提升至厘米級(jí)，是現(xiàn)代社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分[1]，為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要，我國各個(gè)省份均建設(shè)有自己的CORS系統(tǒng)[2]. 目前，我國大部分的CORS系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)服務(wù)均采用虛擬參考站(VRS)技術(shù)，VRS技術(shù)通過在用戶附近虛擬出一個(gè)基準(zhǔn)站，該基準(zhǔn)站利用用戶發(fā)送的位置數(shù)據(jù)獲取，然后將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，從而獲得厘米級(jí)精度的定位結(jié)果. VRS技術(shù)在通用性、兼容性等方面的優(yōu)勢(shì)，成為了目前應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)[1-3]. 然而VRS技術(shù)也存在以下兩個(gè)問題：

1)隨著自動(dòng)駕駛、人工智能等技術(shù)的興起，CORS系統(tǒng)的用戶已經(jīng)不再局限于測(cè)繪地理信息領(lǐng)域，用戶數(shù)量得到了極大地提升. VRS技術(shù)針對(duì)每一個(gè)用戶都生成虛擬觀測(cè)值，虛擬觀測(cè)值生成時(shí)涉及到大量的計(jì)算工作，需要消耗大量的計(jì)算資源，無法滿足海量級(jí)用戶的高并發(fā)請(qǐng)求.

2)目前大部分CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的成果為大地高，用戶想要獲取正常高成果，必需通過事后轉(zhuǎn)換的方式. 由于各地政策不同，高程轉(zhuǎn)換的流程和所需要的材料也不盡相同. 這種方式存在著效率低下、時(shí)效性差等缺點(diǎn)，不利于CORS系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，因此實(shí)時(shí)正常高成果的獲取也是一個(gè)亟須解決的問題.

1 CORS正常高服務(wù)方法

1.1 技術(shù)思路

利用VRS技術(shù)距離較近用戶可使用同一個(gè)虛擬參考值進(jìn)行高精度定位的特點(diǎn)，按照一定的間隔，將CORS服務(wù)范圍劃分為多個(gè)格網(wǎng)[4]，在格網(wǎng)中心點(diǎn)生成VRS數(shù)據(jù)，并推送到專門的用戶服務(wù)器，將數(shù)據(jù)解算與用戶服務(wù)分離. 由于解算軟件所需要生成的VRS數(shù)據(jù)是固定的，與用戶數(shù)量無關(guān)，其解算壓力也是恒定的，而用戶服務(wù)器無需參與數(shù)據(jù)解算，可以采用分布式、云服務(wù)技術(shù)，根據(jù)用戶數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)容，能夠滿足海量級(jí)用戶的高并發(fā)請(qǐng)求[5]. 用戶實(shí)時(shí)測(cè)量想得到正常高成果，可以根據(jù)用戶位置和似大地水準(zhǔn)面模型，計(jì)算出用戶的高程異常值，用戶發(fā)送VRS數(shù)據(jù)時(shí)，將VRS坐標(biāo)中的大地高加上高程異常值后，測(cè)量得到的結(jié)果就是正常高成果.

1.2 服務(wù)架構(gòu)

系統(tǒng)通過將解算服務(wù)器與用戶服務(wù)器分離，解算服務(wù)器按照格網(wǎng)點(diǎn)生成虛擬觀測(cè)數(shù)據(jù)，并單向推送至用戶服務(wù)器，用戶服務(wù)器根據(jù)用戶請(qǐng)求，在不改變用戶使用習(xí)慣的前提下，提供高精度的位置服務(wù). 其整體架構(gòu)如圖1所示.

圖 1 CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

1)虛擬格網(wǎng)差分?jǐn)?shù)據(jù)生成：虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù)生成服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)RTK的服務(wù)范圍劃分為多個(gè)格網(wǎng)，根據(jù)格網(wǎng)中心點(diǎn)的位置，向網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)器請(qǐng)求各個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，虛擬出各個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，并單向推送到數(shù)據(jù)代理服務(wù)器，數(shù)據(jù)代理服務(wù)器對(duì)虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼，得到VRS坐標(biāo)、虛擬衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)、VRS信息等數(shù)據(jù)[6].

2)高程異常數(shù)據(jù)獲?。簲?shù)據(jù)代理服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，根據(jù)接收到的用戶位置，通過服務(wù)器代理IP白名單、參數(shù)校驗(yàn)、接口簽名安全套接層(SSL)加密等方式，向似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)內(nèi)核獲取用戶的高程異常值.

3)虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù)生成：獲取到高程異常值后，將高程異常值加入用戶所在格網(wǎng)的VRS坐標(biāo)中，并重新進(jìn)行編碼，生成虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù).

4)差分?jǐn)?shù)據(jù)返回：虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù)通過用戶播發(fā)服務(wù)器發(fā)送給用戶，用戶接收到虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù)后，與自身的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位，獲取高精度的定位結(jié)果，由于虛擬差分?jǐn)?shù)據(jù)中的參考站坐標(biāo)經(jīng)過了高程異常改正，因此用戶的定位結(jié)果也經(jīng)過了高程異常改正，直接測(cè)量得到的成果為正常高.

2 網(wǎng)格劃分策略分析

CORS正常高服務(wù)將CORS服務(wù)范圍按照一定的間距，劃分為若干個(gè)格網(wǎng)，根據(jù)數(shù)字高程模型(DEM)，計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)的坐標(biāo)以及高程，根據(jù)計(jì)算出的坐標(biāo)和高程，虛擬出該位置的虛擬觀測(cè)值，將發(fā)送給用戶的虛擬觀測(cè)值中的參考站坐標(biāo)大地高加上一個(gè)高程異常值，用戶就可以直接測(cè)量得到正常高成果. 與傳統(tǒng)的VRS技術(shù)相比，其VRS值的生成并不是根據(jù)用戶的實(shí)時(shí)位置生成的，且在VRS值中的參考站坐標(biāo)增加了一個(gè)高程異常值，因此需要進(jìn)一步分析用戶位置與格網(wǎng)點(diǎn)距離所引起的誤差和VRS坐標(biāo)變化所引起的誤差，來確定適合的格網(wǎng)劃分方案[7].

2.1 用戶與VRS距離引起的誤差分析

分析用戶與虛擬參考距離所引起的誤差以及定位性能，VRS數(shù)據(jù)生成軟件采用天寶Pivot軟件，流動(dòng)站接收機(jī)采用天寶的R8接收機(jī)，通過格網(wǎng)化服務(wù)軟件，生成了與流動(dòng)站0～10 km距離的虛擬觀測(cè)值，發(fā)送給接收機(jī)獲取定位結(jié)果，每次測(cè)量60個(gè)歷元，分別測(cè)量20次，其測(cè)結(jié)果如圖2所示.

圖 2 VRS與流動(dòng)站距離測(cè)量精度統(tǒng)計(jì)

由圖2可知，當(dāng)流動(dòng)站距離VRS小于5 km時(shí)，其均方根(RMS)值并沒有明顯的變化，小于10 mm，超過5 km后，其RMS值逐步升高，平面方向達(dá)到了2 cm，高程方向達(dá)到4 cm. 當(dāng)VRS與流動(dòng)站距離超過10 km后，出現(xiàn)了流動(dòng)站無法初始化的情況. 因此為保證測(cè)量用戶的精度，在進(jìn)行格網(wǎng)劃分時(shí)，用戶距離格網(wǎng)點(diǎn)的最大距離不宜超過5 km.

2.2 VRS坐標(biāo)變化對(duì)定位結(jié)果的影響

CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)為用戶提供正常高服務(wù)，是通過修改虛擬觀測(cè)值中的參考站坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn).VRS坐標(biāo)的改變相當(dāng)于起始點(diǎn)位置偏差，VRS與用戶之間的基線向量會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差，系統(tǒng)偏差的大小與起始點(diǎn)位置偏差的大小成正比，與基線平均緯度的正切函數(shù)值成正比[8]. 湖南省位于緯度24°～30°，高程異常值最大約為18 m[9-10]. 根據(jù)文獻(xiàn)[8]分析，在位于平均緯度30°，基準(zhǔn)站坐標(biāo)差為18 m時(shí)，其對(duì)基線結(jié)果的影響為1.68×10-6. CORS系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的平面精度為2.4 cm，高程精度為5 cm、按照誤差傳播定律，為了保證測(cè)量精度，由VRS坐標(biāo)變化所引起的最大系統(tǒng)性偏差應(yīng)小于1 cm，以減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)RTK用戶的影響. 因此在湖南省范圍內(nèi)，用戶與格網(wǎng)中心點(diǎn)的距離應(yīng)小于6 km.

3 實(shí)測(cè)精度分析

為驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的性能，本文在湖南省范圍內(nèi)開展了精度測(cè)試，其中格網(wǎng)化正常高服務(wù)系統(tǒng)采用的網(wǎng)格劃分為3′×3′，該格網(wǎng)范圍內(nèi)距離中心最遠(yuǎn)為3.2 km，保證了格網(wǎng)最遠(yuǎn)點(diǎn)至中心的距離小于5 km，虛擬格網(wǎng)點(diǎn)的大地高利用湖南省的DEM數(shù)據(jù)和網(wǎng)格中心點(diǎn)的坐標(biāo)來獲取. 高程異常獲取采用2017版本的湖南省似大地水準(zhǔn)面模型(HNGG2017). 選取了湖南省范圍內(nèi)均勻分布的50個(gè)A、B、C級(jí)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)的高程成果為水準(zhǔn)高. 分別采用天寶Pivot軟件和CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)RTK定位測(cè)試，定位設(shè)備采用天寶R8設(shè)備. 測(cè)試時(shí)，每次觀測(cè)采集60個(gè)歷元，測(cè)量20次，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果，天寶Pivot軟件測(cè)量完畢后，采用2017湖南省似大地水準(zhǔn)面 (HNGG2017)模型計(jì)算其正常高. 測(cè)試點(diǎn)位分布如圖3所示.

我們對(duì)CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)與Pivot的測(cè)量結(jié)果以及控制點(diǎn)真值進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果分別如圖4～5所示. 由圖4可知， CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)與天寶Pivot軟件測(cè)量的平面差異為2 cm以內(nèi)，高程方向的差異為4 cm以內(nèi)，其平面精度為1.1 cm，高程精度為2.3 cm. 由于CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)的虛擬觀測(cè)值同樣也是利用天寶Pivot軟件生成的，其精度相當(dāng)與CORS系統(tǒng)的內(nèi)符合精度. 由圖5可知，CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)與控制點(diǎn)成果平面差異在4 cm以內(nèi)，高程方向在10 cm以內(nèi). 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其平面精度為2.7 cm，高程精度為4.9 cm. 與現(xiàn)有HNCORS系統(tǒng)的精度相當(dāng)[11]，CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)不會(huì)降低原有CORS系統(tǒng)的精度，能夠滿足高精度位置服務(wù)的需求.

圖 4 CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)與天寶Pivot軟件測(cè)量結(jié)果對(duì)比

圖 5 CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)與控制點(diǎn)真值對(duì)比

另外，我們進(jìn)一步對(duì)CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)測(cè)量成果高程與真值對(duì)比超過8 cm的點(diǎn)進(jìn)行分析，如表1所示，其中1983、U225兩個(gè)點(diǎn)的差異達(dá)到了10 cm以上，主要是由于似大地水準(zhǔn)面精化成果與控制點(diǎn)水準(zhǔn)成果差異所引起的，其余超過8 cm的點(diǎn)似大地水準(zhǔn)面精華成果與控制點(diǎn)水準(zhǔn)成果差異也達(dá)到了2 cm以上. 而大部分測(cè)量的控制點(diǎn)其差異小于8 cm，利用CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)，完全能夠滿足地形測(cè)量對(duì)正常高成果的要求.

表 1 CORS正常高服務(wù)系統(tǒng)測(cè)量成果高程與真值對(duì)比超過8 cm的點(diǎn) cm

4 結(jié)束語

本文研究了基于格網(wǎng)的CORS正常高服務(wù)新方法，利用網(wǎng)格劃分方式，生成CORS服務(wù)范圍內(nèi)各個(gè)格網(wǎng)中心點(diǎn)的虛擬觀測(cè)值，通過在VRS中加入用戶所在位置高程異常的方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的正常高程測(cè)量，解決了傳統(tǒng)VRS技術(shù)存在用戶上限了的問題，提升了服務(wù)能力. 由于用戶直接得到正常高結(jié)果，使其無法反算出高程異常，在保證似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)安全的前提下，提升了測(cè)量效率. 同時(shí)本文進(jìn)一步分析了VRS與用戶距離對(duì)定位精度的影響，確定了最佳的格網(wǎng)劃分間隔，能夠?yàn)槠渌∈懈呔任恢梅?wù)提供參考.