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终稿CORS技术在控制测量中的应用研究.doc

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终稿 CORS 技术 控制 测量 中的 应用 研究
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1基于 CORS技术在集美区大比例尺测图控制测量的应用研究[摘要]:随着 GPS RTK 技术的飞速发展和应用普及,在测量中的作用已越来越重要。目前,利用多基站网络 RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统(CORS 系统)已成为城市 GPS 应用的发展热点之一。随着连续运行参考站(CORS)的相继建成,在测量中的运用已经越发普遍。本文首先介绍了 CORS 的一些发展现状、应用情况、系统的工作原理和组成部分。然后以 CORS 技术在集美区大比例尺测图控制测量中的应用为研究对象,通过这个项目的技术方案以及工程的具体实施过程阐述了 CORS 技术运用于测量工作中的各种技术要求和注意事项,如作业精度要求、设备人员配备、已有资料收集利用、选点埋石及布网、坐标转换等。[关键词]:CORS 技术; GPS; 控制测量 ;集美目录1. 引言 ................................................................................31.1 CORS 定义及其建立必要性 ...........................................................321.2 国内 CORS 发展状况及运用 ..........................................................31.3 CORS 技术的优势 ...................................................................31.4 研究的意义及内容 .................................................................32. CORS技术概述 ........................................................................42.1 CORS 的工作原理 ...................................................................42.2 CORS 系统组成 .....................................................................53 项目技术方案 .........................................................................53.1 作业采用的技术依据 ...............................................................53.2 布网原则与点位选取 ...............................................................63.2.1 布网原则 .....................................................................63.2.1 点位要求 .....................................................................63.3 设计精度和坐标系统 ...............................................................63.4 器材准备及人员组织 ...............................................................63.4.1 设备投入 .....................................................................63.4.2 投入人员 .....................................................................63.5 外业施测 .........................................................................63.6 内业数据处理 .....................................................................74 工程实例 .............................................................................74.1 工程概况 .........................................................................74.1.1 测区概况 .....................................................................74.1.2 已有资料及其应用 .............................................................74.2 点位的选取及布网 .................................................................84.2.1 点位的选取 ...................................................................84.2.2 控制点埋设 ...................................................................84.3 利用 CORS 进行点位观测 ............................................................84.3.1 观测条件 .....................................................................84.3.2 观测步骤 .....................................................................84.3.3 坐标转换 .....................................................................95 结论 ................................................................................126 致谢语 ..............................................................................13参考文献 ..............................................................................1331. 引言1.1 CORS定义及其建立必要性CORS(Continuously Operating Refeence Stations)系统,即连续运行参考站系统可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的 GPS 参考站,利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN/WAN)技术组成的网络,实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的 GPS 观测值(载波相位,伪距),各种改正数、状态信息,以及其他有关 GPS 服务项目的系统 [1]。能够全年365 天,每天 24 小时连续不断地运行,全面取代常规大地测量控制网 [2]。用户只需一台 GPS 接收机即可进行毫米级、厘米级、分米级、米级的实时、准实时的快速定位、事后定位。因其高效率、高精度、高可靠性和低成本的特点,在城市测量中,得到了广泛的应用。GPS 应用在测量中是一次测量技术的革命,它改变了传统的测量模式,能够实时提供厘米级定位精度,在不通视的条件下远距离传输三维坐标。但是,目前 GPS 的应用在我国仍然是以单位分散、独立使用为特点,这样造成了大量的重复引进和低效率使用,并易导致无序和制约 GPS 高科技产业的发展。科学合理地使用 GPS 资源,按区域中心城市建设统一的、满足多种用户需求的差分 GPS 连续运行参考站系统势在必行。1.2 国内 CORS发展状况及运用随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展,电子政务、电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化,需要采集多种实时地理空间数据,因此,中国发展 CORS系统的紧迫性和必要性越来越突出 [3]。几年来,国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络,目前,为满足国民经济建设信息化的需要,大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统,一个连续运行参考站网络系统的建设高潮正在到来。全国部分省、市也已初步建成或正在建立类似的省、市级 CORS 系统,如:广东省、江苏省、北京、天津、上海、广州、东莞、成都、武汉、昆明、重庆等。目前福建省连续运行卫星定位服务系统(FJCORS)截止 2010 年 3 月,已建成 30 个参考站。当前,从国内日益增长的 CORS 系统来看,国家对 CORS 系统越来越重视。随着 CORS 系统的深入应用,针对用户的需求,逐步建立起从动态到高动态,从准实时到实时,从亚米级、厘米级到毫米级精度的城市基础信息服务体系,并建立起城市空间基础设施的三维、动态、地心坐标参考框架,是基础测绘的目标,也是建立实时空间位置信息层面上的数字化现代城市的基础 [3]。CORS 在测绘、地震、气象、交通、海洋、资源环境管理等方面都得到广泛的运用。在测量中已全面运用到精确定位、控制测量、房产地籍测量、建设用地勘测定界、地形测图、城市规划及放线、城乡建设、地面沉降等。1.3 CORS技术的优势常规控制测量如三角测量、导线测量都是用经纬仪、全站仪、常规 RTK 进行观测,要求点间通视,作业效率低,劳动强度大,而且精度不均匀,外业中不知道测量成果的精度 [4]。GPS 静态、快速静态相对定位测量无需点间通视就能高精度地进行各种控制测量,但是需要事后进行数据处理,不能实时定位并知道定位精度,内业处理后发现精度不合要求必须返测。而用 CORS 技术进行控制测量既能实时知道定位结果,又能实时知道定位精度,这样可以大大提高作业效率 [2]。应用 CORS 技术进行实时定位可以达到厘米级的精度。因此,除了高精度的控制测量仍采用 GPS 静态相对定位技术之外,其它地形测量、地籍测量和房产测量中的控制测量都可以利用 CORS 技术进行。相对于传统测量 CORS 技术的作业优势有 [5]:1)投入较少;2)随时可以升级和扩展;3)统一性和共享性;4)作业范围广;5)施工周期短,作业效率高;6)提供多层次、多方面的定位服务,而且极度高;7)提供非定位信息服务,如气象预报、环保等。1.4 研究的意义及内容传统 GPS RTK 测量模式是建立在测区内有高等级 GPS 点或国家大地点的基础上,通过频繁的架设基准站来逐步发展下级控制点或导线点,从而完成整个区域内的测量工作。因此在某些条件比较苛刻或者国家点破坏比较严重的地区使用起来就比较困难。CORS 系统下用 RTK 作业则提供了一个全新的模式,它能在测区无已知控制点的情况下建立这个测区的起算基准,同时只要测量条件满足 RTK 作业需要,误差不会积累,精度也不会降低 [6]。其主要优势表现在:高效率、高精度、高可靠性、低成本,这无疑是对传统测量模式的巨大变革 [7]。本文是将 CORS 系统用于实际生产,主要研究 CORS 在实际测量运用中的技术要点,通过实例体现出 CORS 技术相对于传统测量的优势。42. CORS技术概述2.1 CORS的工作原理CORS 是在一个较大的区域内均匀的布设多个永久性的连续运行 GPS 参考站,构成一个参考站网,各参考站按设定的采样率连续观测,通过数据通信系统实时的将观测数据传输给系统控制中心,系统控制中心首先对各个站的数据进行预处理和质量分析,然后对整个数据进行统一解算,实时估算出网内的各种系统误差改正项(电离层、对流层、卫星轨道误差)获得本区域的误差改正模型。然后向用户实时发送 GPS 改正数据,用户只需要一台 GPS 接收机,便可实时或事后得到高精度的可靠的定位结果[5][7][8]。CORS 目前主要的几种网络 RTK 技术有虚拟参考站(VRS)技术、主辅站技术(iMAX)、区域改正参数(FKP)技术和综合误差内插法技术等 [9]。现以 VRS 的工作流程作为 CORS 技术的工作流程介绍如下 [4],如图 2-1、2-2:1)各个参考站通过 Internet 连续不断地向数据控制中心传输观测数据;2)控制中心实时在线解算各基准站网内的载波相位整周模糊度值;3)利用参考站网相位观测值计算每条基线上各种误差源的实际或综合误差,并依此建立电离层、对流层、轨道误差等与距离相关误差的空间参数模型;4) 流动站将单点定位或 DGPS 确定的概略位置坐标(NMEA 格式) ,通过无线移动数据链路(GSM/GPRS、CDMA)传送给数据控制中心,控制中心在移动站附近位置创建一个虚拟参考站(VRS) ,通过内插得到 VRS 上各误差源影响的改正值,并按 RTCM 格式通过 NTRIP 协议发给流动站用户;5) 流动站与 VRS 构成短基线。流动站接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值,进行差分解算得到用户的精确位置,得到厘米级的定位成果。图 2-1 CORS(VRS)工作示意图5图 2-2 虚拟参考站工作原理图2.2 CORS系统组成如图 2-3,CORS 系统由参考站子系统、数据处理中心子系统、数据通信子系统和用户应用子系统四部分组成 [12]。各子系统由数据通信子系统互联,形成一个分布于整个城市的局域网。图 2-3 CORS 系统组成示意图3 项目技术方案3.1 作业采用的技术依据1) 《全球定位系统(GPS)测量规范》 (GB/T 18314-2001) ;2) 《国家三、四等水准测量规范》 (GB12898-91) ;3) 《城市测量规范》 (CJJ8-99) (简称“规范” ) ;4) 《数字测绘产品检查验收规定和质量评定》 (GB/T18316-2001) ;5) 《测绘产品检查验收规定》 (CH1002-95) ;6) 《测绘产品质量评定标准》 (CH1003-95) ;7) 《厦门市城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》 ;68)经厦门市国土资源与房屋管理局审批的本《技术设计书》及相关《技术补充规定》 。3.2 布网原则与点位选取3.2.1 布网原则地籍控制测量必须遵循从整体到局部,由高级到低级分级控制(分级布网,但也可越级布网)的原则。首级采用 E 级 GPS 网,次级采用 CORS 系统下的一级导线网 [11]。3.2.1 点位要求GPS 点和 CORS 点都是利用接收信号所得,所以它们的选点要求基本一致: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、电台、微波站等)其距离不少于 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)应保证至少与一个邻近点通视,而且有利于采用其它手段联测和扩展;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)网型应有利于同步观测边、点联结; 9)当所选点位需要进行水准联测时,选点人员应实地踏勘水准路线,提出有关建议; 10)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。3.3 设计精度和坐标系统根据工程需要和测区情况。要求平均边长小于 1km,最弱边相对中误差小于 1 /20000, 最大距离相对中误差 1/30000,异步环闭合差允许 90.45PPM,点位中误差最大为 ± 2cm。本项目平面控制网分别采用“92 年厦门坐标系”和“西安 80 坐标系” 。厦门 92 坐标系是高斯正形投影,城市高程投影面为 0 米,中央子午线 118°30′,1.5 度带高斯平面直角坐标,城市高程投影面为 0 米,参考椭球体为克拉索夫斯基参考椭球体,使用时平面坐标表示 X(N)省略千公里和百公里数,Y(E)省略百公里数。高程控制采用 1985 年国家高程系。3.4 器材准备及人员组织3.4.1 设备投入1)GPS 接收机:天宝 4600LS 与华测 RTKX90 共 13 台套;2)中海达 V8 CORS RTK 2 台套;3)全站仪:徕卡 TC402、TCR402、TCR405、TCR406 系列与拓普康 GPT-3002N 系列共 26 台;4) 水准仪:DL-111C 数字水准仪与拓普康 DL-101C 各 1 台套;5) 计算机:32 台;6) 绘图仪:HP D500/BO 绘图仪1台;7) 打印机:HP A3、A4 幅面打印机 4 台;8) 手持测距仪:2 台。以上所有仪器均检定合格后才投入使用,所用的勘丈钢尺工具用专门的鉴定设备进行了检测。3.4.2 投入人员投入生产技术管理人员:5 人;作业组:30 个;共计作业员:78 人;检查员:3 人;总计 85 人。3.5 外业施测测量员要认真阅读中海达 V8 CORS RTK 操作规程和注意事项,一组一台仪器两个人一组。施测前应认真检查仪器,包括仪器电池、气泡、天线等。测量时一定要保证对中、整平、尽量固定天线高。启动 RTK 后,使用专用功能键盘和菜单,查看测站信息、接收卫星数、卫星健康状况、各卫星信噪比、测量误差等实时定位的结果及收敛值、存储介质记录和电源情况。规定观测时间在 5 秒以上、高度角≤13°、PDOP 值<6、卫星数≥6。测量过程中要注意人员及仪器安全,认真做好记录工作以便内业处理 [12][13]。观测期间的作业要求:不得在天线附近 50 米内使用电台,10 米内使用对讲机。CORS-RTK 作业期间,基准站不允许关机又重新启动、进行自测试、改变卫星截止高度角或仪器高度值测站名、改变天7线位置、关闭文件或删除文件等操作。在流动站作业时,接收机天线姿态要尽量保持垂直(流动杆放稳、放直) 。3.6 内业数据处理1)数据下载:CORS-RTK 数据下载采用随机配备的软件,下载的信息应包括点名、三维坐标、点属性、坐标残差等信息。2)数据检查、分析:根据精度要求和实际情况、软件的功能和精度,分析下载的数据,查看各测回值是否符合要求,收敛误差是否符合要求等,点属性是否齐全。3)重测与补测:当一个点或一组点成果经检查达不到设计要求时,必须进行重测或补测。4)编辑与输出:对多测回数据求平均值后,编辑成一定格式或制作表格直接输出。4 工程实例4.1 工程概况4.1.1 测区概况测区位于厦门市集美区东北部。测区属亚热带海洋性气候,湿度较大,上半年野外观测调绘作业受雨湿气候影响明显。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 FJCORS 下利用 RTK 做控制。4.1.2 已有资料及其应用 平面控制成果属“92 厦门坐标系”与“西安 80 坐标系” 。92 厦门坐标系中央子午线 118°30′,1.5°带高斯平面直角坐标,城市高程投影面为 0 米,参考椭球体为克拉索夫斯基参考椭球体,使用时平面坐标表示 X(N)省略千公里和百公里数,Y(E)省略百公里数。测区附近有厦门市国土资源与房产管理局科技测绘处提供的一等水准点 I 同集 4、I 杭广南 284(经踏勘检核无误)作为高程起算,成果属 1985 国家高程基准。本次测量运用到厦门 CORS 系统,下面对其进行简要介绍:厦门市连续运行 GPS 参考站系统截至到 2010 年 3 月总共建成 8 个参考站。其中同安、大嶝岛、大帽山、东孚镇、集美区、军营山、曾厝垵七个参考站隶属福建省测绘局,还有一个隶属福建省地震局[14]。该项目的建成能满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、灾害监测、安全监测、交通控制等多种信息化管理的社会需求,并在数字厦门的建设和厦门市的城市规划、建设、管理中能够发挥巨大的作用。参考站网各部分的连接图和分布图如图 4-1 和图 4-2。图 4-1 厦门市 CORS 参考站子系统连接框图图 4-2 厦门市连续运行 GPS 参考站网分布图84.2 点位的选取及布网4.2.1 点位的选取点位的选取跟选取 GPSRTK 控制点选取的条件基本一致,要保证接收机所需的信号强度,尽量减少点位周围事物对接收机的影响。由于测区水稻田居多,因此点位的布设要考虑到农民耕种对点位的破坏;布设的控制点应尽量的远离河流、海岸,以避免多路径效应的影响。在有变压器以及其他发电设备的地域,布设时兼顾点位的距离都要保持远离它们 200m 以上。由于测图时使用的是全站仪,所以选取的点最少要有一个通视点。其它按技术方案对点位要求进行选取。4.2.2 控制点埋设在水泥路面上埋设时,用切割机切割成 15cm×15cm 的正方形边框,边槽深 0.5 cm,宽 0.5cm,中心用冲击钻钻孔,埋入标志,并用混凝土固紧;在沥青路面上埋设时,先将沥青面凿成 15cm×15cm 的正方形,深度以凿到路基碎石为准,清去杂土,灌入混凝土并埋入标志;在土质地面埋设标石时,标石规格为 12cm×20cm×60cm 的混凝土标石(可以是预制的混凝土标石,也可以现场浇注) 。本次项目所埋设的控制点及组成的控制网见图 4-3。图 4-3 控制网略图4.3 利用 CORS进行点位观测4.3.1 观测条件用 CORS 作业的误差来源主要有:CORS 接收机误差,CORS 数据中心与 RTK 数据通信误差,RTK 测量误差等 [9]。为尽量减少这些误差影响作业应注意以下几点:1)认真检查仪器、天线及电源的连接情况,确认无误后方可开机观测。2)观测时一定要严格整平、对中仪器,观测员要认真、细心地操作仪器,严防人或牲畜碰动仪器、天线和遮挡卫星信号。3)雷雨季节观测时,仪器、天线要注意防雷击,雷雨过境时应关闭接收机并卸下天线;观测期间,不得在天线附近 50m 以内使用电台,10m 以内使用对讲机和手机。4)观测过程中要确保接收机的卫星数≥6,PDOP 值<6.4.3.2 观测步骤在作业之前对 RTK 进行适当的网络接入设置,成功接入 FJCORS 网络,就可以在 FJCORS 下实现快速作业。本次作业采用的是中海达 V8 CORS RTK,其采用 GSM/CDMA/UHF 数据传输技术,能无缝兼容CORS 系统,接入 CORS 网络只要的设置步骤为 [3]:1).将 SIM 卡放入 RTK 天线卡座里面,正面(有金属触点一面)向下插入插槽。将卡座下压前推,卡住不松动方可。92).打开手簿,设置作业后, “设置, “连接” ,屏幕上就会显示“连接成功” ,如果连接不成功,请检查仪器端口 COM 设置问题, “设置, “选项” , “串口设置” ,把仪器端口号设置为和手簿机身一致。图 4-4 设置作业项目 图 4-5 GPS 连接3).“设置” , “V8 网络设置” , “数据链模式选择” ,依次选择“城市参考站” , “GPRS”, “GMNET”,点击下一步,此时依次输入“IP” , “服务器端口号” , “原节点” ,以及 CORS 监控中心提供的用户名和密码,此时完成了 CORS 网络的设置工作,RTK 已经进入了 CORS 的网络服务,也就能够接收到 CORS 监控中心提供的差分信息了。4).进入“设置” , “移动站” ,选择原节点为“RTCM3.0 或 RTCMiMAX3.0”,选择内部 GPRS,并且在“GGA”前面的复选框打勾。5).“查看” , “差分站信息,在“查看类型”中把“GPSBLH”改为“当地 XYH”。设置完各个菜单,实现了 CORS 系统与网络 RTK 之间的数据通讯,就可以直接利用 CORS 提供的查分信息进行定位测量,当 RTK 在某个点上显示“窄带固定解”的时候就可以记录点的坐标了。4.3.3 坐标转换用 CORS 参考站测出的坐标是 WGS-84 坐标系,经过相应参数改正后转换成厦门当地坐标系。手簿参数设置见图 4-6。测量点成果坐标各个参数是不一样的,经过校正后才能使用和转换。测量点成果参数(以 10 个测量点为例)和转换后坐标见表 4-1、4-2。10图 4-6 移动站手簿参数设置图 4-1 测量点成果参数测量点成果参数点名 J001 J002 J003 J004 J005 J006 J007 J008 J009 J010X 精度(m) 0.010 0.006 0.002 0.007 0.003 0.008 0.010 0.004 0.006 0.003 Y 精度(m) 0.008 0.009 0.007 0.010 0.006 0.012 0.009 0.009 0.006 0.014 高程精度(m) 0.012 0.009 0.005 0.008 0.013 0.006 0.008 0.003 0.008 0.005 RMS 0.012 0.008 0.009 0.011 0.007 0.013 0.008 0.009 0.010 0.006 PDOP 值 1.925 1.997 2.216 1.934 1.936 2.338 1.985 1.937 1.963 1.902 卫星数 9.000 9.000 9.000 9.000 9.000 9.000 9.000 9.000 9.000 9.000 高度角 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 5.000 采集时间(2010 年9 月 16 日)14 时53 分16 秒15 时01 分54 秒15 时07 分12 秒15 时13 分21 秒15 时19 分06 秒15 时26 分15 秒15 时33 分32 秒15 时40 分12 秒15 时48 分21 秒15 时56 分19 秒到基站北 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 到基站东 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 到基站高 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 到基站斜距 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 天线高(m) 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 表 4-2 转换后坐标点名 坐标 X 坐标 Y 高 程(水准)J001 27923.961 50063.767 35.785J002 27933.413 50536.871 27.192J003 27866.518 51083.271 26.772J004 27206.554 49182.463 36.021J005 27459.036 49364.590 28.714J006 27475.574 49782.002 27.136J007 27521.752 50268.724 25.332J008 27055.302 49969.230 16.724J009 27094.669 50430.472 19.399
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