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VRS技术在厦门集美区后溪镇控制测量中的应用.doc

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VRS 技术 厦门 集美区 后溪 控制 测量 中的 应用
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VRS技术在厦门集美区后溪镇控制测量中的应用【摘要】GPS RTK技术方兴未艾,在测量和其他领域中得到了广泛的应用。然而传统RTK技术在实际应用中存在着一定的局限性, 如用户需要假设本地的基准站, 误差随着距离的增长而增加、可靠性低、可扩展性差等缺陷, 使得其在应用中受到一定的限制。VRS 技术正是为了解决以上难题而应运而生,VRS技术的出现使得GPS测量的应用更加便捷,同时也使测绘工作发生巨大变革。本文叙述了VRS网络RTK的技术的系统组成、技术原理及优越性,并结合VRS技术方案在厦门CORS中的实践,主要探讨了VRS技术在厦门集美区后溪镇控制测量中的应用研究,并对测量数据进行分析对比传统RTK图根控制测量,从而证明了VRS技术在控制测量应用中的优越性。【关键词】 RTK,VRS;网络RTK;控制测量;1目录1.引言 ...................................................................................................................................................................11.1 传统 RTK 的不足 ...................................................................................................................................11.2 几种网络 RTK 的比较 ...........................................................................................................................11.2.1 VRS...............................................................................................................................................11.2.2 FKP ...............................................................................................................................................11.2.3 MAC .............................................................................................................................................21.3 VRS 的优势 ............................................................................................................................................22.VRS 技术原理 ....................................................................................................................................................33.技术方案 ...........................................................................................................................................................43.1 XMCORS 简介 ..........................................................................................................................................43.2 测区概况 ...............................................................................................................................................53.3 已有资料的利用情况 ...........................................................................................................................53.4 作业依据 ...............................................................................................................................................53.5 选点 .......................................................................................................................................................63.6 布网 .......................................................................................................................................................63.7 设计精度 ...............................................................................................................................................74.项目的具体实施 ...............................................................................................................................................74.1 外业数据采集 .......................................................................................................................................74.1.1 作业前准备 .................................................................................................................................74.1.2 新建项目 ......................................................................................................................................74.1.3 设置坐标系统 ..............................................................................................................................74.1.4 设置移动站 ..................................................................................................................................84.1.5 数据采集 .....................................................................................................................................94.1.6 注意事项 ......................................................................................................................................94.2 实例数据 ...............................................................................................................................................95.结语 .................................................................................................................................................................13致谢 .....................................................................................................................................................................14参考文献 .............................................................................................................................................................1411.引言1.1 传统 RTK 的不足20 世纪六十年代,随着计算机的不断发展,传统的手工测图不断向数字化测图转变,而测量仪器也开始从机械仪器向电子仪器发展,从经纬仪、测距仪到电子经纬仪和全站仪。20 世纪 70 年代,美国国防部研制的新一代卫星导航定位系统 GPS 的巨大成功,使其从最初的取代大地测量和工程测量,发展渗入到了精密工程测量、地籍测量、地形测量等方面。尤其是差分 GPS(DGPS)和相位差分GPS(RTK)技术的应用,实现了高精度的动态导航定位,在瞬间可获得米级或厘米级的测量站坐标。实时动态差分(Real—time kinematic,RTK)测量系统是由GPS测量系统和各种数据传输系统相结合的一种系统,它的出现是GPS应用的重大里程碑,它采用载波相位动态实时差分技术能够在野外实时得到厘米级定位精度,为工程放样、地形测图及各种控制测量带来了空前的高效率,特别是很好地解决了一些传统全站仪无法解决的通视问题 [1]。可是,随着各种测量作业的深入,我们发现,RTK测量的工作模式在很多情况下还是有其不可克服的局限性。1)用户在进行各种测量工作之前,必须先架设自己的基站,进而进行求解参数,点校正,将GPS测量的WGS—84坐标转换到当地测量所要求的坐标系统中。当用户在进行这一系列作业的时候会发现,在求解参数、架设基站和点校正过程中,都会有误差的积累。此外,所需设备,操作比较复杂繁琐,所消耗的人力物力、设备资源较大。2)作业距离的限制。用传统RTK进行各种测量工作,它是有作业距离限制的,一般情况下要求基站与移动站之间的距离不超过10km。对流层和电离层等的误差会随着两站间的距离的增加而增加,可靠性也会随着降低。此外,它受地形的起伏影响较大,直接影响无线电的传输距离。3)传统的RTK基于其作业模式,比较常用的是一加一、一加二或一加三的作业模式。因此,如果测区比较大要进行多台移动站进行作业时,就会比较麻烦了,此时就必须按要求再架设基站了。基于传统RTK的这些局限,网络RTK便应运而生了。网络RTK集GPS、网络通讯和计算机数据处理系统于一身,是一种基于载波相位观测值的实时动态相对定位技术。整个系统一般由若干固定的连续运行参考站(CORS) 、数据处理中心、数据传输系统与用户部分四个部分组成。固定参考站按网络的设计要求分布在整个网络中,它实时采集GPS卫星信号,再将这些信号通过数据传输系统将这些观测数据传输至数据处理中心,它是联合多参考站的数据进行误差计算、改正,向用户提供空间位置服务的一种实时定位技术。与传统的(即单基准站)RTK相比,该方法的主要优点为覆盖面广,定位精度高,可靠性高。目前,在网络RTK的几种技术中,无论是从其技术成熟程度还是应用广度来讲,天宝的VRS技术都有相当的优势 [2]。1.2 几种网络 RTK 的比较网络RTK的技术多种多样,除了天宝的VRS,还有区域改正数技术FKP(Flachen—korrektur Parameter) 、主辅站技术MAC(Master—auxiliary Concept) 。当前随着互联网、计算机技术的飞速发展,网络RTK技术正处在蓬勃发展时期。1.2.1 VRSVRS即虚拟参考站技术,是指GPS 固定参考站网络接收的卫星信息通过数据链连接到控制中心上,控制中心的计算机分析并处理这些信息,并建立一个局部地区修正量的数据库,将这些数据和来自移动站的原始数据联合起来创建一个离流动站仅几米远的虚拟参考站,移动站读取和使用该数据时就象使用来自真实的参考站数据一样,但获得的RTK定位精度可以大大提高。1.2.2 FKPFKP技术是控制中心利用固定参考站网内各固定参考站的观测数据(相位观测与伪距观测等)及参考站已知的坐标信息等计算得出参考站网内各种与时间、空间有关的误差模型,并将这些误差模型改正数发至用户部分进行误差解算,它是直接将误差改正数内插至 移动站所测得的近似坐标中,从而得到高精度的观测坐标值 [3]。在FKP模式下,其主要计算还是放在了移动站端,它采用单向播发方式,它相对于VRS的最大优势是其只要进行单向数据传输,很大程度上减轻了系统的数据传输压力及数据传输费用,而它的最大不足也正是基于其单向数据传输,在大范围的CORS下作业,控制端只能接收到其初始传来的位置信息,因为不同区域下的各种误差改正数会不一样,其单向数据传输决定了控制中心2无法根据实时移动的用户而提供最优的位置改正参数模型 [4]。1.2.3 MACMAC是徕卡推出的网络参考站技术,要是为了解决FKP技术在数据格式的不标准性致使技术应用和系统的推广面临困境而提出的数据处理技术。MAC技术也是由各参考站向处理中心发送原始观测数据,再由控制中心对其解算后对过数据链播发改正信息给移动站用户,从而达到获取高精度定位的目的。不同的是:它使用的是单差弥散性和非弥散性相位改正数形成压缩的差分信息,其改正模型由流动站设备自定义 [5]。虽然MAC吸取了FKP 和VRS 在数据处理方面及数据格式标准化等方面的部分优点,代表了网络RTK 未来发展的方向,但由于MAC技术才刚问世不久,目前仍处于不断测试及完善阶段,它对其技术的成熟性及设备的稳定性都有待提高,离实际应用尚有一些差距。目前应用此技术的单位或项目都不是很多 [6]。由此我们可以看出,这三种技术各有千秋,它们都有自己的优点。可是,目前应用的最广泛的是相对成熟与稳定的VRS技术。它的安全性、稳定性及其基准站间距离的要求和软件的成熟度和商业化程度都有很大的优势。另外,VRS 技术作为一种通用的GNSS定位技术,并不仅仅依赖于美国的GPS系统,而是只要具备相应的软硬件条件就可以成为融合GPS、GLONASS、伽利略系统,甚至我国的北斗定位系统各种卫星数据源的定位方式,满足各领域对于卫星导航定位的需要。它正是凭借自身这些优点,占据了市场95%的分额。目前全球已进入VRS系统快速建设时期,全球已超过4000参考站,美国、德国等发达国家已经基本建成覆盖全国的参考站系统。中国在成都、昆明、东莞、武汉、上海、北京、天津等地也相继建成了VRS系统,北京市VRS系统也于2006年正式投入使用。1.3 VRS 的优势VRS技术代表的是一种新型的网络RTK技术,除了能够克服传统RTK作业的不足外,它还具有其自身的优点:1)覆盖范围更广。VRS就是专门对传统RTK不足而建立的一个技术系统,它克服了诸多传统RTK的不足,犹其是基准站与移动站间的距离问题,VRS可以有无数多个固定参考站,但至少要有三个。假如参考站间的距离为70km,其形状为等边三角形,那么这三个参考站组成的三角形面积可达1732平方千米。如厦门市的陆地面积逾1565.09平方千米,海域面积逾300平方千米,如果除去海域面积不计,理论上,只要三个基准站就可以满足要求,实际上如果有多一些固定参考站就更完美了。2)成本更低。假如只对某一个小工程而布设大面积的固定参考站,可能在短期内无法看到其更低的成本效应。可是,当在一个大范围内布设参考站网之后,用户就可以不用再架设自己的基站了,而且,在这个系统覆盖范围内任何一个单位或个人只要有一台能正常工作的移动站通过设置连接就可以通过这个系统进行工作了。此外,它的应用范围也扩大了很多,城市建设、各种公路工程、地籍测量、市政工程等都可以借此系统进行作业。由此可见,其成本可发大降低。与传统RTK相比,一般情况下,用VRS可以节省70%的成本 [7]。3)精度更高且定位稳定。运用VRS技术,在固定参考站网内,其精度分布均匀,精度可以时时控制在1—2cm以内。而且用户处在多个固定参考站以内,采用多个参考站的联合数据,其可靠性也大大提高。基于以上诸多优势,目前VRS技术在国内很多地方的CORS 建网中得到了广泛而实际的应用。VRS技术的出现,将使一个地区的所有测绘工作成为一个有机的整体,将大大扩展RTK的作业范围,使GPS的应用更广泛,精度和可靠性将进一步提高,并从根本上提高了作业效率和测量的质量,且有效克服了GPS RTK技术的局限性,给测绘行业带来了生产上的革命性变化。VRS技术的出现,标志着高精度GPS 的发展进入了一个新的阶段,VRS 的优势不仅仅体现在节约测量费用以及精度和可靠性的提高上,更为重要的是改变了以前各种RTK作业模式,使建设地区乃至全国范围的RTK网络成为可能,为国家GPS 网络建设注入了新活力。试想基于VRS 网络,我们将可以使用单台GPS 接收机完成几乎所有高精度的测量定位工作。城市GIS地理信息数据的采集和更新将会更加便捷,昔日由于城市发展过快而导致的数据采集困难将有效缓解,车载导航和车辆被盗后的跟踪技术将会更加贴近大众生活。因此,研究VRS 技术原理及其在实际中的应用,对提高作业效率和测量的质量,改善测量作业模式将有很大作用。它将为生产和生活带来许多新的东西。就本次厦门集美测区而言,由于其测区范围较大,如果采用单基站RTK做控制,则精度分布会很不均匀,也难以多个外业组同时进行作业等等的问题,而VRS则很好地解决了这一个问题。32.VRS 技术原理VRS(Virtual Reference Station)技术是由美国天宝公司研制,VRS即虚拟参考基站系统,它是网络RTK的一种定位技术,它是CORS的三种核心技术之一。VRS一般由系统控制中心、固定参考站(参考站可以有无数个,但必须不少于三个) 、数据链和移动站组成,参考站间的距离可以达70km [8]。参考站与控制中心有通讯线相连,控制中心接收参考站的实时观测数据。而移动站则向控制中心发送其所处的概略位置,并接收控制中心发过来的差分信号改正数形成厘米级的位置信息。顾名思义,对移动站用户而言,该参考站是不存在的,是虚拟出来的。即在GPS移动站观测点附近(一般为其近似坐标)建立一个虚拟参考站,根据各永久性固定连续运行参考站采集的数据并加以计算得到的各种误差分布后模拟并计算出虚拟参考站的虚拟GPS观测数据,由于虚拟参考站与实际观测点距离很近,一般只有几米至几十米,可以认为是超短基线,移动站与虚拟参考站的各种对流层误差、电离层误差及星历误差等看作是一样的,并通过差分可以较好地得到消除,而且其定位计算的原理和软件与传统方法完全一样。它与常规的RTK作业模式不同,它是一个比较系统的工程,首先各个参考站的实时观测数据必须能够通过一定的通讯方式(数据链)传送至其所处的控制中心,控制中心的数据处理软件对各参考站的观测数据进行完整性检查、纠错,然后对各个参考站的GPS观测数据进行处理计算出该区域与时间和空间有关的GPS误差,同时根据移动站送来的概略坐标(可为伪距或单点定位法求得) ,控制中心收到这个位置信息后,根据用户的概略位置,由计算机自动选择一组最佳的固定参考站,这组参考站一般为三个,形成一个三角形,使移动站位于这个三角形之内,并以差分方式对整个网络的随机码和载波相位数据同时进行处理和分析,这样可以非常精确地检测和估计出噪场水平、多路径效应以及周跳,然后整体地改正GPS由轨道、电离层、对流层和大气折射引起的误差,将高精度的差分信号发给移动站,由于虚拟参考站离流动站非常近,可以认为其观测数据的各项误差与移动站观测数据的各项误差相等,这个差分信号的效果相当于在移动站旁边,生成一个虚拟的参考基站,从而解决了RTK作业距离上的限制问题,并保证了用户的精度。同时,控制中心实时计算虚拟参考站至用户端的距离,当用户移动站与虚拟参考站间的距离超出一定的范围时,控制中心会进行重新计算,确定出新的虚拟参考站。此外,虚拟参考站技术系统还能自行识别错误并剔除,即如果某个参考站出现错误,系统控制中心会自动把它从网络中去除,并用其它参考站的数据进行补偿,从而确保精度和效率的可靠性,这些测量结果比标准的高精度实时动态测量结果更为可靠。图 2-1 VRS 工作原理图 [9]4图2-2 VRS数据链VRS另外一个比较显著的特征是它还是采用双差观测模型进行解算的。所谓双差(double different,DD)即不同观测站,同步观测同一组卫星,所得单差观测量之差 [10]。若将接收机直接观测值相减,将所获得的结果当做虚拟观测值,这称为载波相位观测值的单差。单差包括在卫星间求一次差,在接收机间求一次差,在不同历元间求一次差三种求差法。在载波相位测量的一次求差基础上继续求差所获得的结果被当成虚拟观测值,称为双差。接收机采用双差观测,它有以下几个优点:相比单差观测它能进一步消除卫星钟误差;接收机相对钟差也被消去;在每个历元中双差观测方程的数量均比单差观测方程少一个;参数大大减少,用一般的计算机就可胜任数据处理工作。在载波相位测量中,多余参数的数量往往非常多,这样数据处理的工作量十分庞大,对计算机及作业人员的素质也会提出较高的要求。此外,未知参数过多使得解的稳定性减弱,而通过观测值相减即求差法可消除多余观测数,从而大大降低了工作量。正因为双差观测模型有这些优点,所以,现在的GPS定位中广泛采用双差观测值。3.技术方案此次采用 VRS 技术的测区位天厦门,考虑到该测区比较大,大约有 10.44 平方公里,决定其控制采用基于 VRS 技术的 XM-CORS 进行布控与施测,而厦门恰好有其 CORS 系统,因此此次技术方案主要建立在 XM-CORS 的基础上。3.1 XMCORS 简介厦门CORS(XMCORS)是一个独立于福建CORS的系统,它采用天宝的VRS技术,并于去年5月开始试运行。厦门市连续运行卫星定位服务系统将逐步取代传统的测量控制网,成为新一代测绘基准。与传统控制网相比,XMCORS具有使用便捷、定位精度高等特点,是集平面基准与高程基准于一身的三维动态高精度基准系统。这套系统具有操作简便、精度高、实时性强、覆盖率广、稳定性好、单人单机就可作业等优点,其网络RTK测量功能的实现改变了传统测量作业模式,极大地提高测量的工作效率 [11]。5图3.1 XMCORS连续固定运行参考站分布图下面就厦门集美区后溪镇测区进行说明,考虑到该测区比较大,大约有 10.44 平方公里,决定其控制采用基于 VRS 技术的 XM-CORS 进行布控与施测。3.2 测区概况测区位于厦门市集美区东北部包括集美区火车北站、后溪镇区域范围,总面积约 10.4 平方公里,G324 国道从测区中间穿过,交通便利,通视条件良好,比较便于观测。测区属亚热带海洋性气候,湿度较大。测区内主要为大学校区、农村居民地和田野,测区内道路畅通,交通便利,部分山地、果园通视和观测受一定影响,其余地段通视条件良好,比较便于观测。测区地势平坦,农田占很大面积手机和卫星的信号都比较好,便于在 XM-CORS 下利用 RTK 做控制。3.3 已有资料的利用情况(1)由厦门市测绘与基础地理信息中心提供的测区附近高等级 GPS 平面控制点米场西、帽山、合成氨厂、仓上山作为平面控制测量起算数据。(2)由厦门市测绘与基础地理信息中心提供的一等水准点 JH1、I 杭广南 284 、I 杭广南 283-1可作为高程起算数据。(2)由厦门市测绘与基础地理信息中心提供的测区及周边 1:5000 标准分幅蓝图,可用于工作计划及引用参考。3.4 作业依据《全球定位系统(GPS)测量规范》 (GB/T 18314-2009)《国家三、四等水准测量规范》 (GB12898-2009)《城市测量规范》 (CJJ8-99)《厦门市地理空间基础框架大比例尺数字图测绘工程技术要求书》《1:500、1:1000、1:2000 外业数字测图技术规程》 (GB/T 14912-2005)《测绘技术设计规定》 (CH/T 1004-2005)6《测绘技术总结编写规定》 (CH/T 1001-2005)《1:500、1:1000、1:2000 地形图图式》 (GB/T7929-1995)3.5 选点选点人员在实地选点之前,应收集测区图件、已有 GPS 点资料,充分了解测区的路网情况。所选的点,在选定之前,先在厦门 1:5000 标准分幅图上粗略选定,再根据野外通视与卫星信号条件等情况在野外实地进行确定点的位置 [12]。并注意以下几个问题:(1)点位应设在易于安装接收设备,视野开阔的点上。(2)点位目标要显著,视场周围 15°以上不应有障碍物,以减少 GPS 信号被遮挡或障碍物吸收。(3)点位应远离大功率无线电发射源(如电视台、微波站等)其距离不小于 200m;远离高压输电线,其距离不得少于 50m,以避免电磁场对 GPS 信号的干扰。(4)点位附近不应有大面积水域或不应有强烈干扰卫星信号接收的物体,以减弱多路径效应的影响。 (5)点位应选在交通方便,有利于其它观测手段扩展与联测的地方。 (6)地面基础稳定,易于点的保存利用。 (7)选点人员应按技术设计进行踏勘,按要求实地选点定位。(8)当利用旧点时,应对旧点的稳定性、完好性,以及觇标是否安全可用进行检查,符合要求方可利用。3.6 布网为适应测图和各种工程建设的需要,必须进行科学地布网,建立一定精度和密度的平面控制网。根据所提供的 GPS 点,在布网时应满足加密控制网的密度,所选点主要沿测区外围和内部重要地段进行布设。另外,还要兼顾测区的制高点,制高点良好的通视条件是沿路所布点无法比拟的 [13]。7图 3-2 控制网图3.7 设计精度平面坐标采用“92 厦门坐标系” 。该坐标系采用克拉索夫斯基参考椭球体,平面投影为中央子午线东经 118°30′的 1.5°带高斯-克吕格投影,投影面高程为 0 米,高程系统采用“1985 国家高程基准” 。平差方法采用清华山维 NASWE2000 平差软件系统(丹麦法,迭代 3 次)进行平差,平差后最大点位误差、最大点间误差都要在允许值 2.0cm 以内,每公里高程测量高差中误差应该小于 10mm。4.项目的具体实施4.1 外业数据采集4.1.1 作业前准备此次作业采用中海达 V8 CORS 进行外业观测。在进行外业施测的前一天,要下载最新的卫星星历预报,了解卫星观测时接收机能锁定的卫星所构成的空间图形是否理想,且 PDOH 值是否小于等于6。另外,也还要联系有关部门要 XM-CORS 的服务器 IP 地址。对所要用的仪器要进行检查与校正,特别是对中杆气泡居中时对中杆是否有铅垂于地面,还要对接收机的天线进行精密量取。准备好 SIM卡,并插入卡槽,检验是否能连接上服务器。4.1.2 新建项目采用中海达 V8 CORS 进行作业,先开启接收机与手薄,手薄蓝牙连接 GPS 接收机,进入如下图 4-1 主程序界面:图 4-1 进入主程序界面 图 4-2 新建项目点击图 4-1 中的【项目】 ,进入图 4-2 的新建项目界面,点击 【新建】 ,输入中国-厦门,新建厦门项目,点击 ,退出后显示当前项目为中国- 厦门时,新建项目成功。4.1.3 设置坐标系统在【项目信息】界面,点击屏幕左上角的【项目信息】 ,选择下拉菜单的【坐标系统】 , 进入【坐标系统】界面,在【椭球】标签页下, 【源椭球】选择【WGS84】 , 【目标椭球】选择【国家 80】 (如图4-3) 。8图 4-3 设置椭球 图 4-4 设置投影设置完成后,点击【投影】 ,对投影参数进行设置, 【投影方法】选择【高斯自定义】 ,在【中央子午线】后面输入当地的中央子午线(如图 4-4) 。设置完成后,点击【椭球转换】 , 【转换模型】选择【布尔莎七参数】 ,然后将我们已有的参数输入到相应的地方,输入完毕后点击右上角的【保存】 ,将设置好的坐标系统保存起来。这样,坐标系统设置完成(如图 4-5) 。图 4-5 椭球转换 图 4-6 设置移动站4.1.4 设置移动站保存后返回主程序界面,在主程序界面点击【GPS】 ,再点击【接收机信息】进入其下拉菜单的【移动站设置】 ,进入【设置动站】界面。在【设置动站】页面,首先看到的是【数据链】 , 【数据链】选择【内置网络】 ,后面选择【GPRS】 ,【运营商】输入【CMNET】 , 【服务器 IP】输入 XM-CORS 服务器控制中心 IP 地址, 【端口】输入【9000】 , 【网络】选择【CORS】 (如图 4-6) 。点击屏幕下方的【其它】 ,进入到如下页面。 【差分电文格式】选择【RTCM(3.0)】 , 【高度截止角】设置为 15, 【发送 GGA】前面的复选框勾选√,后面选择 1,然后点击屏幕右下方的【确定】 ,出现提示设置成功后,点击右上方的 ,关闭移动站设置,返回【接收机信息】页面(如图 4-7) 。
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