衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站基本技術(shù)及應(yīng)用

河北省衛(wèi)生和計劃生育委員會考試培訓中心 高 日

一、引言

目前衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究是地球觀測與導航領(lǐng)域研究的熱點之一, 國內(nèi)外各類參考站網(wǎng)正相繼建立。衛(wèi)星連續(xù)運行基準站系統(tǒng)( Continuously Operating Reference Stations, CORS)是能夠?qū)B續(xù)運行基準站采集的數(shù)據(jù)進行處理并將計算結(jié)果發(fā)送給定位用戶的衛(wèi)星導航綜合服務(wù)系統(tǒng), 是城市、地區(qū)和國家重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。

二、國內(nèi)外連續(xù)運行參考站系統(tǒng)現(xiàn)狀

國外的政府組織和測繪研究機構(gòu)在20世紀90年代就開展了CORS系統(tǒng)的研究和建設(shè)，在CORS的理論、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、系統(tǒng)自動化管理、數(shù)據(jù)采集、處理和分發(fā)等諸多面均取得了令人矚目的成果，同時也得到了較好的應(yīng)用。

國外的CORS 研究主要集中在系統(tǒng)自動化管理、數(shù)據(jù)采集域分發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、基于網(wǎng)絡(luò)的GNSS 定位技術(shù)開發(fā)等。各類CORS工程項目相繼出現(xiàn)，其中具有代表性的全球和國家建設(shè)項目包括：美國NGS CORS、IGS 跟蹤站網(wǎng)絡(luò)、歐洲EPN 永久性連續(xù)網(wǎng)等。國內(nèi)的CORS 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有兩個層次, 第一個層次是國家級的, 如陸態(tài)工程、地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)工程、沿海無線電指向標差分系統(tǒng)等；第二個層次是區(qū)域級的, 如部分省級CORS 和多個城市構(gòu)建的CORS 系統(tǒng)。國內(nèi)的北京、上海、深圳等地也建立了類似的服務(wù)系統(tǒng)，并作為城市信息化管理網(wǎng)絡(luò)的一個重要組成部分。廣東、江蘇等?。▍^(qū)）很早就已經(jīng)建立了省一級的連續(xù)運行衛(wèi)星導航定位綜合服務(wù)系統(tǒng)。

三、CORS技術(shù)概括

（一）CORS 的工作原理

CORS 是在一個較大區(qū)域內(nèi)均勻布設(shè)的、多個永久性連續(xù)運行的GPS參考站，構(gòu)成一個參考站網(wǎng)，各參考站按設(shè)定的采樣率連續(xù)觀測，通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)實時將觀測數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心對各個站的數(shù)據(jù)進行預處理和質(zhì)量分析，并對整個數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一解算，實時估算出網(wǎng)內(nèi)的各種系統(tǒng)誤差改正項( 電離層、對流層、衛(wèi)星軌道誤差) ，獲得本區(qū)域的誤差改正模型。向用戶實時發(fā)送GPS 改正數(shù)據(jù)，用戶只需一臺GPS接收機，便可實時或事后得到高精度可靠的定位結(jié)果。CORS 目前主要的幾種網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)有虛擬參考站( VRS)技術(shù)、主輔站技術(shù)( I-MAX) 、區(qū)域改正參數(shù)( FKP) 技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插法技術(shù)等。

（二）CORS 系統(tǒng)組成

CORS 系統(tǒng)一般由基準站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)通訊部分、用戶應(yīng)用系統(tǒng)四個部分組成, 各基準站與監(jiān)控分析中心間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體,形成專用網(wǎng)絡(luò)。

第一，基準站網(wǎng)： 基準站網(wǎng)是由某一范圍內(nèi)均勻分布的固定參考站組成。參考站網(wǎng)由城市內(nèi)若干均勻分布的固定參考站組成。參考站通過對衛(wèi)星信號的捕獲和跟蹤實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和傳輸，是CORS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。一般由觀測墩和儀器室兩部分組成，主要設(shè)備包括不間斷電源、GNSS 信號接收機、計算機、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、防雷和防電涌設(shè)備等。

第二，數(shù)據(jù)處理中心： 系統(tǒng)的控制中心, 用于接收各基準站數(shù)據(jù), 進行數(shù)據(jù)處理, 形成多基準站差分定位用戶數(shù)據(jù), 組成一定格式的數(shù)據(jù)文件,分發(fā)給用戶。數(shù)據(jù)處理中心是CORS 的核心單元, 也是高精度實時動態(tài)定位得以實現(xiàn)的關(guān)鍵所在。中心24小時連續(xù)不斷地根據(jù)各基準站所采集的實時觀測數(shù)據(jù)在區(qū)域內(nèi)進行整體建模解算,并通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)播發(fā)網(wǎng), 向各類需要測量和導航的用戶以國際通用格式提供碼相位/ 載波相位差分改正信息, 以便實時解算出流動站的精確點位。

第三，數(shù)據(jù)通訊部分： CORS 的數(shù)據(jù)通訊包括固定參考站到控制中心的通訊及控制中心到用戶的通訊。參考站到控制中心的通訊網(wǎng)絡(luò)負責將參考站的數(shù)據(jù)實時地傳輸給控制中心; 控制中心和用戶間的通訊網(wǎng)絡(luò)負責將網(wǎng)絡(luò)校正數(shù)據(jù)送給用戶。

第四，用戶應(yīng)用系統(tǒng)： 用戶數(shù)據(jù)中心提供CORS 系統(tǒng)服務(wù)的下行鏈路，將數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)成果傳遞用戶系統(tǒng)的接收機。接收機通過無線網(wǎng)絡(luò)將自己的初始位置發(fā)給控制中心，并接收中心的差分信號，生成位置信息完成定位。

（三）CORS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

CORS 系統(tǒng)的理論方法主要有：FKP、VRS 和主輔站技術(shù)3 種，下面對其基本原理和主要特點進行簡單的介紹。

第一，CORS 的區(qū)域改正數(shù)法FKP，又稱全網(wǎng)整體解算模型。FKP 利用CORS 基準站觀測數(shù)據(jù)( 相位觀測值和偽距觀測值等) 及基準站坐標等信息，計算基準站網(wǎng)范圍內(nèi)與時空相關(guān)的誤差改正數(shù)模型，然后利用流動站的近似坐標，內(nèi)插出流動站的誤差改正數(shù)，并將其應(yīng)用到實際觀測值中，以消除各種與時間和空間相關(guān)的誤差，來獲得高精度的定位結(jié)果。

第二，虛擬參考站系統(tǒng)( VRS：Virtual Reference System) 的理論是由Herbert Landau 博士提出，并由Spectra /Terrasat 公司推向市場的CORS 理論模型。與常規(guī)RTK 不同，VRS中，各固定參考站不直接向流動站發(fā)送任何改正信息，而是將所有的原始數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通訊鏈路發(fā)送給控制中心;同時，流動站在工作前，先通過GSM 短信息功能向控制中心發(fā)送一個概略坐標，控制中心收到這個位置信息后，根據(jù)用戶位置由計算機自動選擇一組最佳的固定基準站，中心控制站利用與流動站相鄰的各參考站間的基線，整體改正GPS 的軌道誤差、電離層和對流層等誤差，根據(jù)三角形插值方法建立一個對應(yīng)于流動站的虛擬參考站（VRS） ，并將這個虛擬參考站的改正數(shù)信息傳輸給流動站，然后，流動站結(jié)合自身的觀測值，實時解算其精確點位。

第三，主輔站技術(shù)（MAX）是一種基于最新多基站、多系統(tǒng)、多頻（L1，L2，L5） 和多信號的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)。其基本概念是從參考站網(wǎng)以高度壓縮的形式，將所有相關(guān)的、代表整周未知數(shù)水平的觀測數(shù)據(jù)，如彌散性的和非彌散性的差分改正數(shù)，作為網(wǎng)絡(luò)的改正數(shù)播發(fā)給流動站。它本質(zhì)上是區(qū)域改正數(shù)（FKP）的一種優(yōu)化，選擇距離流動站最近的一些有效參考站作為單元進行網(wǎng)解，發(fā)送主站差分改正數(shù)和輔站與主站改正數(shù)的差值給流動站，對流動站進行加權(quán)改正，最后得到精確坐標。

四、HebCORS 系統(tǒng)簡介

河北省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)（簡稱HebCORS）,系統(tǒng)是河北省在“十一五”期間整體經(jīng)濟發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)高速發(fā)展和對基礎(chǔ)地理信息強勁需求的帶動下所建設(shè)的一項基礎(chǔ)性、前期性的測繪項目。系統(tǒng)一期工程建設(shè)于2008年8月啟動，2010年4月完成并投入正式運行，二期基準站工程建設(shè)于2011年6月正式啟動，2011年底完成，截至目前共建設(shè)覆蓋全省的64個全球衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準站，并建設(shè)了完善的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理中心及用戶應(yīng)用子系統(tǒng)，利用衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，向社會提供精確定位、實時定位和移動目標導航等空間位置信息的服務(wù)系統(tǒng)，是實現(xiàn)現(xiàn)代化、大眾化、集約化、高質(zhì)量的地球空間信息服務(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。

系統(tǒng)所能達到的實時動態(tài)定位平面精度為1cm-3cm，高程精度為5cm左右，自建成以來，在社會各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，滿足了測繪、國土、規(guī)劃、氣象、國情監(jiān)測、地質(zhì)勘探、水利水電、災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、精細農(nóng)業(yè)及交通管理等多種相關(guān)領(lǐng)域現(xiàn)代化、信息化管理的需求，為政府及有關(guān)部門的科學決策提供可靠依據(jù)；同時滿足了社會日益迫切的動態(tài)定位及位置服務(wù)的需求，發(fā)揮了極大的社會效益和經(jīng)濟效益。

五、存在問題及未來展望

第一，目前我國在CORS 系統(tǒng)方面的建設(shè)，主要還是以地區(qū)和行業(yè)為主，相應(yīng)的CORS 系統(tǒng)的信息和成果，只能在本地區(qū)、本行業(yè)、本部門內(nèi)部交流, 基本上只發(fā)揮了專業(yè)CORS網(wǎng)的作用。這些行業(yè)性或是地方性CORS系統(tǒng)，由于技術(shù)、利益和行政管轄等問題，一般難于實現(xiàn)跨行業(yè)跨地區(qū)的信息共享，不易發(fā)揮為社會各方面服務(wù)的功能。

第二，連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)缺乏統(tǒng)一標準。在全國建設(shè)參考站網(wǎng)絡(luò)時，對于基準站站址選擇、天線墩建設(shè)要求、數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)存儲格式、信號編碼與傳輸格式、參考站驗收方法等沒有統(tǒng)一的規(guī)范；對于地震、地殼形變監(jiān)測、測繪、氣象觀測等諸多應(yīng)用領(lǐng)域沒有制定適合實際應(yīng)用需求的技術(shù)指標。

第三，鑒于當前我國CORS 系統(tǒng)的建設(shè)狀況和發(fā)展趨勢，需要有政府主管部門進行協(xié)調(diào)、管理。負責制定CORS系統(tǒng)標準和協(xié)調(diào)各部門的需求，制定CORS系統(tǒng)規(guī)劃，整合各省市CORS 系統(tǒng)，開展數(shù)據(jù)共享機制和共享網(wǎng)絡(luò)。

六、結(jié)語

隨著各地城市衛(wèi)星連續(xù)運行參考站(CORS)系統(tǒng)的相繼建立，CORS 系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)將更加完善。CORS 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)技術(shù)研究將會成為CORS 系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要方向，CORS 系統(tǒng)應(yīng)用也將對各行各業(yè)發(fā)展產(chǎn)生積極的不可估量的影響。