基于單基站CORS的RTK精度與距離測(cè)試.doc

doi: 10 3969 / j issn 1001 358X 2012 01 009基 于 單 基 站CORS的RTK精度與距離測(cè)試 王鍇華，徐愛功( 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 測(cè)繪與地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 阜新123000)摘要: 連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)( CORS) 迅速發(fā)展，單基站 CORS 的 RTK 定位精度及在中小城市的應(yīng)用亟待探究，研究利用單基站 CORS 進(jìn)行七參數(shù)點(diǎn)校正求轉(zhuǎn)換參數(shù)精度，同時(shí)研究了基于單基站 CORS的 RTK 定位精度，得到不同精度相應(yīng)的測(cè)區(qū)范圍，提供單基站 CORS 系統(tǒng)在城市測(cè)量建設(shè)中應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞: 單基站 CORS;中圖分類號(hào): P228 4RTK;轉(zhuǎn)換參數(shù); 精度文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B文章編號(hào): 1001 358X( 2012) 01 0029 03定基準(zhǔn)站的單基站 COR 基 站，它時(shí)刻處于開機(jī)狀 1單基站 CORS 的基本原理態(tài)，通過(guò)登錄數(shù)據(jù)服務(wù)器，使 用 GSM 數(shù) 據(jù) 鏈，通 過(guò)GPRS / CDMA 網(wǎng)絡(luò)把標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)的差分?jǐn)?shù)據(jù) 發(fā) 送 給一個(gè)或多個(gè)移 動(dòng) 站，這樣移動(dòng)站就可以得到 實(shí) 時(shí) 差網(wǎng)絡(luò) RTK 差 分 定 位 是 CORS 的 主 要 應(yīng) 用，是CORS 的主要工作原理。當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)有虛擬參考站技術(shù)( VRS) 、區(qū)域改正數(shù)技術(shù)( FKP) 、主輔站技術(shù)( MAC) 等。網(wǎng)絡(luò) RTK 技 術(shù) 就是利用地面布設(shè)的一個(gè)或多 個(gè)基準(zhǔn)站組成 GPS 連續(xù)運(yùn)行參考站( CORS) ，綜合利用各個(gè)基站的 觀 測(cè) 信 息，通過(guò)建立精確的誤 差 修 正模型，實(shí)時(shí)發(fā)送 RTCM 差分改正數(shù)來(lái)修正用戶 的 觀 測(cè)值精度，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶的高 精 度 導(dǎo) 航定位服務(wù)。CORS 系統(tǒng)可以分為單基站 CORS、多 基 站 CORS、網(wǎng)絡(luò) CORS。單 基 站 CORS 只有連續(xù)運(yùn)行站 作為基準(zhǔn)站，類似于一加一或者一加多的 RTK，其中 作為基準(zhǔn)站的基站上有一個(gè)控制軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控衛(wèi)星 的狀態(tài)，儲(chǔ)存并向流動(dòng)站發(fā)送實(shí)時(shí)地坐標(biāo)數(shù)據(jù)。單基站 CORS 的工作原理( 參見圖 1) 是作為固分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。單基站 CORS 不同于網(wǎng)絡(luò) RTK 的最主要的地方在于它有一個(gè)固定的、連 續(xù) 接 收 衛(wèi) 星信號(hào)、實(shí)時(shí)向流動(dòng)站傳送差分信息的基準(zhǔn)站，這樣就避免了 RTK 測(cè)量重復(fù)設(shè)置基站，既省時(shí)又經(jīng)濟(jì)。2單基站 CORS 點(diǎn)校正精度研究2 1點(diǎn)校正七參數(shù)模型對(duì)于空間直角坐標(biāo)系中的點(diǎn)，如果考慮高程，則點(diǎn)的平面坐標(biāo)由兩個(gè)變量 x、y、z 控 制。由 于 使 用GPS 進(jìn)行定位都 是 相 對(duì) 于 WGS 84 大 地 坐 標(biāo) 系 而 言的，因此需要把地面點(diǎn)在 WGS 84 的坐標(biāo)通過(guò)坐 標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換為北京 54 坐 標(biāo) 系 或 者 西 安80 坐標(biāo)系。若考慮 高 程，設(shè) ( XDi，YDi，ZDi) 和 ( XGi，YGiZGi) 分別為地面控制點(diǎn)和 GPS 控制點(diǎn)的參心和地心坐 標(biāo)，兩平面坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換由坐標(biāo)原點(diǎn)的位移 X、Y、Z，坐標(biāo)軸 的 旋 轉(zhuǎn) 參 數(shù) 為 x 、y 、z ，坐 標(biāo) 軸的尺度參數(shù) 這四個(gè)參數(shù)控制，其數(shù)學(xué)模型為: XDi XGi y XGi z X YDi = YGi + Y + z YGi ( 1) x ZGi ZDi ZGi Z y x如果需要確 定 這 四 個(gè) 參 數(shù)，至少需要測(cè)定三個(gè) 平面點(diǎn) 分 別 在 WGS 84 和 西 安 80 坐 標(biāo) 系 下 的 坐標(biāo)。2 2實(shí)驗(yàn)概況實(shí)驗(yàn)以遼工大致遠(yuǎn)樓四樓南方單基站 CORS 對(duì)圖 1 單基站 CORS 系統(tǒng)的工作原理理論覆蓋范圍內(nèi)的城市 GPS 控制網(wǎng)進(jìn)行實(shí) 測(cè)，共 實(shí)測(cè) 28 個(gè) GPS 控制點(diǎn)，其中一等點(diǎn) 3 個(gè)，二等點(diǎn) 6 個(gè)，其它 19 個(gè)均為四等 GPS 點(diǎn)，部分控制點(diǎn)如圖 2。表 1 外符合精度計(jì)算表X( m)Y( m)點(diǎn)號(hào)點(diǎn)名12345678910111213141516171819202122232425262728D01D02D03D04D05D06D07D08D09D10D11D12D13D14D15D16D17D18D19D20D20D18D19D20D20D18D19D200 0120 0140 0130 0140 0130 0140 0160 0140 0160 0180 0150 0170 0180 0170 0160 020 0210 0170 020 0230 0220 0240 0260 0290 0310 0330 0360 0370 0110 0120 0120 0130 0150 0170 0140 0150 0150 0160 0170 0180 0210 0190 0180 0170 0180 0220 0190 0270 0260 0270 0240 0280 0270 0290 0320 035圖 2 GPS 控制點(diǎn)的分布在實(shí)驗(yàn)中，首 先 對(duì) 系 統(tǒng)理論覆蓋服務(wù)范圍進(jìn)行 分類，分為 5 km、10 km、15 km、20 km、30 km、40 km、50 km，在各測(cè)區(qū)范圍內(nèi)分別選擇兩組校正點(diǎn)來(lái)求取 轉(zhuǎn)化參數(shù)，利用兩組轉(zhuǎn)換參數(shù)來(lái)實(shí)測(cè)內(nèi)部及 周 邊 的 已知靜態(tài)點(diǎn)，分析轉(zhuǎn)換參數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)精度的影響; 同時(shí) 再對(duì)測(cè)區(qū)外的已知點(diǎn)求轉(zhuǎn)換參數(shù)，與 已 知 點(diǎn) 坐 標(biāo) 比較并計(jì)算內(nèi)、外符合精度。首先選擇 D01 、D02 、D03 三個(gè)已知點(diǎn)作為 第 一 組求解 轉(zhuǎn) 換 參 數(shù)，測(cè)定外符合精度; 再 選 擇 D02 、 D03 、D04 三個(gè)已 知點(diǎn)來(lái)求解轉(zhuǎn)換參 數(shù) 并 對(duì) 已 知 點(diǎn) 的控制區(qū)域內(nèi)部和外部的 3 個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)。5 10 km、10 15 km、15 20 km 的轉(zhuǎn)換參數(shù)也用 同樣的方法求得。當(dāng)距離增至 30 km 時(shí)，為 保 證 參 數(shù)能夠覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，選點(diǎn)時(shí)要選定測(cè)區(qū)內(nèi)的 3 個(gè) 點(diǎn)以及測(cè)區(qū)外的兩個(gè)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)求解 20 30 km、30 40 km、40 50 km 每個(gè)范圍用兩組已知點(diǎn)求 轉(zhuǎn)換參數(shù)，其中 一組在測(cè)區(qū)內(nèi)部，另一組的其中兩 個(gè)點(diǎn)在測(cè)區(qū)上或測(cè)區(qū)外。xx= 0 021 ( m)x = 槡 N( 3)yy= 0 022 ( m)2 3精度研究系統(tǒng)的外附 合精度指的是利用實(shí)測(cè)的 WGS y = 槡 N由以上數(shù)據(jù) 可 以 得 出 如 下 結(jié) 論: 在 較 小 的 范 圍內(nèi)( 30 km 左 右) ，四參數(shù)和七參數(shù)的 所 測(cè) 得 平 面 精 度相當(dāng)，當(dāng)覆蓋范圍再增大時(shí)四參數(shù)法明顯 低 于 七 參數(shù)法的精度，且四參數(shù)精度出現(xiàn)隨距離衰 減 的 趨 勢(shì)。七參數(shù)在 40 km 內(nèi) 精 度 基 本 穩(wěn) 定，但 是 在 距 離 再度增大時(shí)，精度也有下降趨勢(shì)，且成正比關(guān)系。轉(zhuǎn) 換參數(shù)都有它 的 適 用 范 圍，在一定區(qū)間內(nèi)求 解 的 轉(zhuǎn) 換參數(shù)只能用在它的附近和內(nèi)部，而 不 能 在 其 它 測(cè) 區(qū)使用。84 坐標(biāo)系下 所得的經(jīng)緯度坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和 投影后轉(zhuǎn)換成 對(duì) 應(yīng)地方坐標(biāo)系下的坐標(biāo)后并該坐 標(biāo)系下的已知點(diǎn)坐標(biāo)相比較所 得 的 結(jié) 果，表 示 下 式 為:( 2)= 槡N其中: 是測(cè)量點(diǎn)利用參數(shù)轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換值與已知值之差，N 為每一測(cè)點(diǎn)測(cè)量 值 總 數(shù)， 為 系 統(tǒng) 外 符 合精度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)如表 1 所示。范圍不能覆蓋那么遠(yuǎn)的距離。3單基站 CORS 相應(yīng)精度測(cè)區(qū)范圍的研究表 2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與已知點(diǎn)靜態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算表3 1實(shí)驗(yàn)背景單基站 CORS 具 有 作 業(yè) 范 圍 廣、測(cè) 量 精 度 高 的X( m)Y( m)點(diǎn)號(hào)點(diǎn)名123456789101112131415161718192021222324252627282930G01G02G03G04G05G06G07G08G09G10G11G12G13G14G15G16G17G18G19G20G21G22G23G24G25G26G27G28G29G30 0 0150 0170 018 0 014 0 018 0 020 0240 016 0 019 0 0250 018 0 0170 018 0 0170 02 0 049 0 0230 020 023 0 0210 022 0 022 0 0180 0240 019 0 0250 023 0 0280 035 0 0370 015 0 016 0 0140 017 0 0190 023 0 018 0 0210 02 0 0190 021 0 0180 019 0 018 0 017 0 0410 019 0 0210 0220 023 0 0190 02 0 020 0210 023 0 024 0 0240 0270 037 0 039優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)主要研究對(duì)于距離單基站 CORS 基準(zhǔn)站距離不同的控制點(diǎn)分別進(jìn)行 RTK 測(cè) 量 和 靜 態(tài) 測(cè)量，對(duì)比二者的 WGS 84 坐標(biāo)系下的平面及高程坐標(biāo)，從而得到相應(yīng)精度的測(cè)區(qū)范圍。3 2實(shí)驗(yàn)概況及數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)以遼工大致遠(yuǎn)樓南方單基站 CORS 為 中心，分 別 研 究 10km、20 km、30km 范 圍 內(nèi) 單 基 站CORS 的精度。在 0 10 km 范圍內(nèi)選取 15 個(gè)測(cè)點(diǎn)，在 10 20 km 范圍內(nèi)選，取 8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，20 30 km 范圍內(nèi)選取 4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，30 km 以外選取 3 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共 30個(gè)點(diǎn)，先用靜態(tài)測(cè)得 控 制 點(diǎn) 的 坐 標(biāo)，再 用 單 基 站CORS 測(cè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)坐標(biāo)，計(jì)算 X、Y 的差值，實(shí)測(cè)及計(jì)算 數(shù)據(jù)如表 2、圖 3、圖 4 所示。圖 3 X 方向的坐標(biāo)差值分布4結(jié) 語(yǔ)圖 4 Y 方向的坐標(biāo)差值分布精度分析從坐標(biāo)數(shù)據(jù)表可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)的最大誤差通過(guò)對(duì)七參數(shù)模型下點(diǎn)校正精度的分析和不同3 3范圍內(nèi) RTK 實(shí)測(cè)精度的研究，得到如下結(jié)論:( 1) 在 30 km 范圍內(nèi)，單基站 CORS 的轉(zhuǎn)換參數(shù)能夠覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)且單點(diǎn)平面定位精度穩(wěn)定在 3 cm之內(nèi);( 2) 在 30 50 km 范圍內(nèi)，測(cè)區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)換參數(shù)不 能代表整個(gè)測(cè) 區(qū)，需要在測(cè)區(qū)外加測(cè)控制點(diǎn) 求 轉(zhuǎn) 換 參數(shù);( 3) 在 50 km 測(cè)區(qū)范圍內(nèi)，單基站 CORS 基本上 能夠達(dá)到 3 cm 的精度，完全可以進(jìn)行城市 1 500 地為 0039m，該 點(diǎn) 距 離 基 站 km，最 小 誤 差380 014 m，距 參 考 站 0 5 km。由 X、Y 方 向 的 的 坐 標(biāo)差值分布表可以看出，基站在 10 km 的范圍內(nèi) 坐 標(biāo)差隨距離變化 很 小，曲 線 平 緩，精 度 很 高，在 距 離 基站 20km 以內(nèi)平面坐標(biāo)基本上 可 以 達(dá) 到 3 cm 的 精 度，30 km 內(nèi)可以達(dá)到 5 cm 的精度，可以滿足一般工 程的需要。但是距離基站 30 40 km 后 X、Y 方向的 差值 增 大，增 長(zhǎng) 速 度 較 快，主要是由于距 離 基 站 較 遠(yuǎn)，受電離層和對(duì)流層誤差的影響較大，轉(zhuǎn)換參數(shù)的形圖的測(cè)圖及城市工程測(cè)量。( 下轉(zhuǎn)第 68 頁(yè))態(tài)最大下沉值不再顯著增加，標(biāo)志地表初始 下 沉 階段結(jié)束，此后動(dòng)態(tài)下沉盆地出現(xiàn)平底，稱活躍下沉階 段。作面向前移 動(dòng)。此 階 段，滯 后 回 采 工作面一固定距 離的地面最大下沉值基本穩(wěn)定。進(jìn)入衰減階 段。當(dāng) 回 采 結(jié) 束 后，推 進(jìn) 距 離 不 再 變化，下沉曲線向前移動(dòng)較小，最大下沉速度衰減很 快，地面下沉進(jìn)入衰減階段。4結(jié) 語(yǔ)煤礦開采造 成 了 嚴(yán) 重的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，其 中 以采空沉陷引發(fā)的地面變形尤為突出。地面變形不僅 影響煤礦安全生產(chǎn)，損壞地面建筑物，危害人民財(cái)產(chǎn) 安全，而且破壞農(nóng)田耕地，往往帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)損失 與社會(huì)問(wèn)題。煤炭開采活動(dòng)中，必 須充分重視地質(zhì) 災(zāi)害影響。參考文獻(xiàn):1國(guó)家煤炭工業(yè)局 . 建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與原 煤 開 采 規(guī) 程M. 北 京: 煤炭工業(yè)出版社，圖 4初始下沉階段、活躍下沉階段的沉陷變形曲線2004.工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì) . 工程地質(zhì)手冊(cè)M. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.史珍珍，陳緒鈺，牛望等 . 煤礦采空沉陷區(qū)地面變形危害評(píng)估研究J. 中國(guó)礦業(yè)，2009( 4) .2活躍下沉階段。當(dāng)工作面推進(jìn)距離接近 1 3 倍平均采深時(shí)，動(dòng)態(tài)下沉盆地達(dá)到活躍下沉階段，此時(shí)地表下沉速率較大。此后，在勻速等厚開采條件下， 工作面繼續(xù)向 前 推 進(jìn)，工作面一側(cè)下沉盆地 走 向 主 斷面上的動(dòng)態(tài)沉陷變形曲線形態(tài)基本不再變化。也 就是說(shuō)，活躍下沉階段走向主斷面上的地表 下 沉 速 度分布曲線是不隨工作面的繼續(xù)推進(jìn)而變化。最大 下沉速度點(diǎn)滯后回采工作面一固定距離，并尾隨工3 作者簡(jiǎn)介: 范建洲(1964 )，男，山西臨猗人，副教授，就職于山西大學(xué)工程學(xué)院，從事工程測(cè)量教學(xué)和科研工作。( 收稿日期: 2011 10 19)檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸( 上接第 31 頁(yè))7劉彥芳，何建國(guó)，張現(xiàn)禮等 幾種網(wǎng)絡(luò) RTK 技術(shù)的比較分析J 地理空間信息，2009，7( 2) Usui，S，H Higuchi，J Kanda，K Wakimoto，S Tanaka，F(xiàn)Satoh ( 2004) : Nation Wide RTK GPS based on FKPmethod and Applications for Human navigation and Loca-tion Based Services Proceedings of the ICME2004，Tai-pei，Taiwan，June 2004張恒璟 南方單基站 CORS 在校園平面控制網(wǎng)中的應(yīng)用J 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29( A01) .參考文獻(xiàn)81柏 柳，肖 鶩，胡 友 健CORS 的精度及其穩(wěn)定性研究 J河南理工大學(xué)學(xué)報(bào) 2005