现代测绘理论及方法--测绘工程-1

1、CORS原理及应用老师：方源敏测绘工程 201370100摘要：随着全球卫星导航定位系统(GNSS)应用的普及，CORS作为其重要的基础设施,赁借其灵活、高效、高精度的定位服务，逐渐为人们所重视。这几年，一种新的动态GPS技术连续运行卫星定位系统（CORS），在各地陆续建立，它具有操作简便、成本低、精度高、实时性强、覆盖率广等优点，特别是CORS系统内网络RTK测量功能的实现改变了传统测量作业模式，较大地提高了测绘工作的效率，在城市测绘中得到越来越多的应用，正逐步取代传统单基站 RTK 技术。本文简要阐述了CORS系统的组成、技术特点及基本工作原理，为各类用户提供应用参考。关键字：CORS；定

2、位；RTK；原理；应用CORS principles and applicationAbstract：With the popularity of the global satellite navigation system (GNSS) applications, CORS as its critical infrastructure, Dian by its flexible, efficient, high-precision positioning services, gradually paid more attention to. In recent years, a new dy

3、namic GPS technology - continuous operation of satellite positioning system (CORS), in the country have created, it is a simple, low cost, high precision, real-time, wide coverage, etc., especially CORS network RTK system to achieve the measurement function has changed the traditional measurement mo

4、de of operation, greatly improving the efficiency of surveying and mapping work, get more and more applications in urban mapping, and is gradually replacing the traditional single-base RTK technology. This article briefly describes the composition, technical characteristics and basic principle of CO

5、RS system to provide a reference for the application of various types of users.Key word：CORS；positioning；principle；application0 引言随着全球卫星定位系统（GPS）技术的快速发展，特别是近几年，实时动态差分型GPS- RTK(Real Time Kinematic)技术已完全成熟，大大提高了测绘成果的精度、实用性和高效性，但RTK也存在其自身的使用限制：用于单基站作业模式，每次测量都要重复的架设基站求取参数，而且测量的精度和可靠性也会随着作业半径的增大而降低。为了克服G

6、PS-RTK技术上的缺陷，这几年，一种新的动态GPS技术连续运行卫星定位系统（CORS)，在各地陆续建立，它具有操作简便、成本低、精度高、实时性强、覆盖率广等优点，特别是CORS系统内网络RTK测量功能的实现改变了传统测量作业模式，较大地提高了测绘工作的效率，在城市测绘中得到越来越多的应用，正逐步取代传统单基站RTK技术。1 CORS概述及原理连续运行参考站系统（Continuous Operational Reference System，简称CORS系统）可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS/GNSS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LANWAN)技术组成的网络，实时地向

7、不同类型、不同需求、不同层次的用户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。它是目前GPS测量技术发展的一个方向，是网络RTK技术和GPS主板技术的发展的产物，它的产生弥补了一些传统的RTK的不足，促进了GPS在测量和其他领域的应用。CORS 系统主要由基准站网，数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统 5 个部分组成，各基准站与数据处理中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。a) 基准站网:基准站网由控制区域范围内均匀分布的基准站组成，负责采集GPS卫星观测数据并输送至数据处理中心，同时提供系

8、统完善的监测服务。b) 数据处理中心：数据处理中心是CORS系统的核心单元，也是高精度定位得以实现的关键，主要设备包括网络设备，服务器、计算机，不间断电源等构成的内部局域网和系统软件等，它用于接收各基准站数据，进行数据处理，形成多基准站差分定位用户数据，组成一定格式的数据文件，分发给用户。c) 数据传输系统：各基准站数据通过通讯专线传输至数据处理中心，该系统包括数据传输硬件设备及软件控制模块。d) 定位导航数据播发系统：系统通过移动网络，UHF电台、Internet 等形式向用户播发定位导航数据"可分为静态数据服务单元和动态数据服务单元两部分，静态数据服务功能通过网站以http，ft

9、p等方式向用户提供数据交换和在线计算；动态数据服务功能依靠无线通信方式（GSM、CDMA、GPRS、RDS 等）实现。e) 用户应用系统：用户部分就是用户的接收机和无线通讯的调制解调器，包括用户信息接收系统，网络型RTK定位系统，事后和快速精密定位系统以及自主式导航系统和监控定位系统等，接收机通过无线网络将自己的初始位置发给控制中心，并接收中心的差分信号，生成位置信息。CORS技术在用途上可以分成单基站CORS、多基站CORS和网络CORS。1.1 单基站CORS和多基站CORS单基站CORS：就是只有一个连续运行站。类似于一加一或一加多的RTK，只不过基准站由一个连续运行的基站代替，基站同时

10、又是一个服务器，通过软件实时查看卫星状态、存储静态数据、实时向Internet发送差分信息以及监控移动站作业情况。移动站通过GPRSCDMA网络通讯和基站服务器通讯。多基站CORS：就是分布在一定区域内的多个单基站联合作业，基站与基站之间的距离不超过50公里，他们都将数据发送到一个服务器。流动站作业时，只要发送它的位置信息到服务器，系统自动计算流动站与各个基站之间的距离，将距离近的基站差分数据发送给流动站。这样就确保了流动站在多基站CORS覆盖区域移动作业时，系统总能够提供离距流动站最近的基站差分数据已达到最佳的测量精度间。单基站CORS和多基站CORS解决了传统RTK作业中1）用户需要架设本

11、地的参考站，且架设参考站时含有潜在的粗差2）没有数据完整性的监控3)需要人员留守看护基准站，生产效率低4)通讯不便5)电源供给不便等问题1.1.1 单基站CORS作业原理基准站连续不间断的观测GPS的卫星信号获取该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数，按照用户要求把静态数据打包存储并把基准站的卫星信息送往服务器上Eagle软件的指定位置。移动站用户接收定位卫星传来的信号，并解算出地理位置坐标，并通过GPRS/CDMA数据通讯模块发送到服务器。移动站用户访问Internet从服务器获取基准站提供的差分信息后输入用户单元GPS进行差分解算。移动站用户在野外完成静态测量后，可以到服务器下载

12、同步时间的静态数据进行基线联合解算。单基站CORS总体数据流程图见图1。图11.1.2 多基站CORS多基站CORS作业原理和单基站相同，只是在单基站的基础上，应用一套基站选择软件，将多个单基站联合起来作业。系统实时计算任意一个移动站到各个基站的距离，选择离移动站最近的基站为该移动站提供实时差分信息。单基站和多基站都具有投入较少，随时可以升级和扩展，数据可靠、稳定、安全，作业范围广，施工周期短的特点。1.2 网络CORS多参考站CORS虽然在一个较大范围内满足了精度要求，但是建站的密度相对较大，需要较大的投资，且还存在区域内精度不均匀的问题。网络CORS技术的产生使得我们完全可以在一个较大的范

13、围内均匀稀松的布设参考站，利用参考站网络的实时观测数据对覆盖区域进行系统误差建模，然后对区域内流动用户站观测数据的系统误差进行估计，尽可能消除系统误差影响，获得厘米级实时定位结果，网络RTK技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀。1.2.1 网络CORS的原理采用精密星历和精密钟差，采集距离最近的三个参考站的同步观测值进行差分处理，给每个三角形产生一组区域改正参数，通过三角网模拟出该区域内综合误差改正模型。模型覆盖范围包括三角网内及网外30公里。利用多个基准站观测数据对电离层、对流层、轨道误差等综合误差模型进行优化，同时连续监控参考站数据的完整性。作业时，流动站需要把它的点位信息(GGA数

14、据)，通过GPRS、CDMA 等类型的双向数据通讯装置发送给中央控制中心。系统根据流动站位置计算出该点的的GPS轨道误差、电离层、对流层和大气折射引起的误差，将该位置改正的综合误差发给移动站。效果相当于在流动站点位上生成一个“虚拟参考站”，做短基线解算。流动站利用中央控制系统发回的综合误差的改正数实现实时差分定位。目前国内外应用较广泛的网络CORS技术有前文提到的VRS技术和MAX技术,两种技术都是将所有的固定参考站数据发送到数据处理中心,联合解算后,以RTCM等标准格式播发到移动站的,但也存在一定的差别.a) VRS技术工作原理VRS技术原理是利用地面布设的多个参考站组成GPS连续运行参考站

15、网络(CORS),综合利用各个参考站的观测信息,通过建立精确的误差模式(如电离层、对流星、卫星轨道等误差模型),在移动站附近产生一个物理上并不存在的虚拟参考站(VRS),由于CRS位置通过流动站接收机的单点定位解来确定,故VRS与移动站构成的基线通常只有几米到十几米,移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正,实现实时RTK。其工作原理和流程如下: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并建立误差模型；3）流动站将单点定位或DGPS（伪距修正值)确定的位置坐标,通过无线移动数据链路(GPRS等)传送给数据控制

16、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；4）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.b) MAX技术工作原理主辅站技术由端士徕卡测量公司提出，它是基于最新多基站、多系统、多频(L1，L2，L5)和多信号非差处理算法,其基本理论是将所有相关的代表整周未知数水平的观测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数播发给流动站，它本质上是区域改正数(FKP)的一种优化，选择距离流

17、动站最近的一些有效参考站作为单元进行网解，发送主站差分改正数和辅站与主站改正数的差值给流动站，对流动站进行加权改正,最后得到精确坐标。MAX技术的整个处理过程为：数据处理中心首先进行基准网的数据处理，如模糊度解算、辅站相对于主站改正数差的计算，然后把主站改正数和辅站与主站改正数差发送给流动站。主辅站技术可以使用单向数据通讯和双向数据通讯两种方式。单向数据通讯方式下的主辅站技术Leica称为MAX技术，双向数据通讯方式下的主辅站技术称为i-MAX技术。MAX技术中同一个网络单元中发播同一组数据,用户接收机目前只有LEICA公司生产的新型接收机才能使用。i-MAX技术与VRS技术一样,流动站必须播

18、发自己的概略位置给数据处理中心,数据处理中心根据其位置计算出流动站的改正数,再以标准差分协议格式发播给流动站,流动站可以是各种支持标准差分协议格式的接收机。2 CORS系统的应用CORS系统在城市管理和运行中相比过去技术方式具有很强的优越性，可以解决很多困扰管理人员的技术难题和管理模式瓶颈，CORS系统的引入必将带来新一轮的变革。2.1 测绘作业模式转变和测量标志管理 一般测绘的技术路线主要有两种,一种是利用全站仪等测量仪器，从已知坐标点起算，逐步实地测量，得到待定点的准确坐标，其弊端是野外工作量大，步骤复杂；另一种是利用GNSS接收机，接收卫星信号，依靠地面固定的已知坐标点，确定待定点的坐标

19、，其弊端是每次野外测量必须设立一个临时基准站点，向流动站发布信号，制约了流动作业范围,且其高程精度较低。引进CORS系统之后，将彻底改变传统测量作业模式，用户只要携带一台GNSS接收机，通过网络建立与CORS系统之间的联系，就可以进行各种测绘工作，工作效率精度都将极大提高。另外，一般情况下，两种测绘技术路线的前提都是在野外必须有大量长期保存完好的测量标志，因此，测量标志管理是测绘管理工作的重要内容之一，耗费大量的人力、物力和财力，引进CORS系统以后就可以大大缩减测量标志管理工作量，测量工作已经不依赖于大量野外测量标志，测量标志管理重点放在几个CORS系统站点上。2.2实时高精度定位导航当前实

20、时定位导航的精度基本是在米级、十米级甚至更低精度范围，无法达到实时厘米级高精度定位和导航，这是受美国、俄罗斯等导航卫星产权国的政策影响，导航卫星不对外公开发布高精度定位导航信息数据，特别是在军事紧张时期，实时定位导航精度更低，有时甚至无法定位和导航。引进CORS系统之后，将解决厘米级（平面坐标位置最高精度2cm，高程精度受当地似大地水准面精化精度的影响，一般在5cm以内）实时高精度定位导航问题，提高城市管理效率和质量，也会促进人们生活方式的转变。2.3实时定位导航与公共安全我们现在的实时定位一般都是通过接收美国和俄罗斯卫星发射的信息数据来完成的，他们发布的都是国际坐标系（WGS84坐标系），此

21、坐标系是全球通用的，无法确保定位导航的保密性，我们必须要将地图转换成国际坐标系，才能实现定位导航与当地地图的匹配，按照测绘法的要求,采用国际坐标系必须经国务院测绘行政主管部门会同军队测绘主管部门批准，也说明了采用国际坐标系的危险性，但是受卫星发布数据的限制，无法自主决定，引进CORS系统以后,就可通过其发布当地坐标系或国家统一坐标系的定位导航信息数据，在保证用户精度需求的前提下，确保了国家的安全。2.4提高气象数据精度和工作效率 大气温度、大气压、大气密度和水气含量等量值是描述大气状态最重要的参数，无线电探测、卫星红外线探测和微波探测等是获取气温、气压和湿度的传统手段，但是与CORS系统手段相

22、比，就显出其局限性。无线电探测法的观测值精度较好，垂直分辨率高，但地区覆盖不均匀，在海洋上几乎没有数据，被动式的卫星遥感技术可以获得较好的全球覆盖率和较高水平分辨率，但垂直分辨率和时间分辨率很低,引进CORS系统来遥感大气的优点是覆盖率高，费用低廉，精度高，垂直分辨率高，也将大大提高气象工作效率。2.5地震与地壳变形监测 利用CORS系统中建在基岩上的基准站组成地区地壳变形监测网，利用基准站的观测数据，积累地区地壳形变资料，为城市地震预报提供实测数据，CORS系统将是地震及地质灾害预报的重要组成部分，为城市地壳形变监测、断裂带监测、滑坡监测、地面沉降监测提供测量基准。 CORS系统建设一般应采

23、用当前流行的可以接收美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO等卫星系统数据的硬件设备,同时应装备气象等数据接收设备，并具有同步处理多套数据的相应软件，同时应考虑兼容我国即将推广使用的北斗等其他卫星信息数据的能力。尽量提高CORS系统站点坐标的精度和可靠性，在联测站点坐标时，应采用不低于B级和二等水准的观测要求，平差计算时应尽量考虑兼容性好的点起算，以最高相对精度为目标，来提高CORS系统发布数据的相对精度，规避传统天文大地测量方法建立的起算点误差带来的精度损失，站点的稳定性也应定期监测。站点应提供有线和无线等多种数据发布模式，应将当地似大地水准面精化成果集成到发布数据当中，用

24、户可以直接得到改算后的高程值，使用户一次性完成工作任务。一般应发布国家统一的坐标系统，也可根据实际情况采用当地经批准的相对独立的坐标系统，但必须建立该系统与国家统一坐标系统之间的联系，尽量避免直接发布国际坐标系统数据。 根据不同厂商CORS系统硬件的精度指标，一般实时定位在20km范围内水平精度应达到1cm+1ppm,2040km范围内水平精度应达到2cm+1ppm，4050km范围内水平精度应达到5cm+1ppm；高程方面应建立当地高精度似大地水准面，在郊区范围高程精度至少应达到外检核精度为5cm，在城区范围高程精度至少应达到外检核精度为3cm。3 建立CORS的必要性和意义 “空间数据基础

25、设施”是信息社会，知识经济时代的必备的基础设施。城市连续运行参考站系统（CORS）是“空间数据基础设施”最为重要的组成部分，可以获取各类空间的位置，时间信息及其相关的动态变化。通过建设若干永久性连续运行的GPS基准站，提供国际通用各式的基准站站点坐标和GPS测量数据，以满足各类不同行业用户对精度定位，快速和实时定位，导航的要求，及时地满足多种现代化信息化管理的社会要求。建立CORS的必要性和意义主要体现在以下几个方面：1） 改进了初始化时间，扩大了有效工作的范围；可以大大提高测绘精度，速度与效率，降低测绘劳动强度和成本，省去测量标志保护与修复的费用，节省各项测绘工程实施过程中约30%的控制测量费用；连续运行参考站系统能够全年365天，每天24小时连续不间断地运行，全面取代常规大地测量控制网。全天候地支持各种类型的GNSS测量，定位，变形监测和放样作业。2）可以对工程建设进行实时，有效