CORSRTK技術(shù)在地表移動觀測中的應(yīng)用

程詩廣

摘 要：CORS RTK（Real Time Kinematic，實時動態(tài)）測量技術(shù)是基于載波相位觀測值的實時動態(tài)定位技術(shù)，能夠?qū)崟r提供GPS流動站在特定坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，在有效測量范圍內(nèi)精度可達到厘米級。其中，綜合了現(xiàn)代計算機、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System，簡稱CORS系統(tǒng)），較傳統(tǒng)GPS-RTK大大提高了RTK數(shù)據(jù)傳輸效率、傳輸范圍和測量精度。CORS系統(tǒng)由于具有建站成本低、實用性強、建站方法相對簡單等特點，劉莊煤礦從實用性、經(jīng)濟性、可靠性綜合考慮，建立了單基站CORS測量系統(tǒng)。在劉莊煤礦西三采區(qū)171306工作面地表移動觀測站建立中，通過實例探討了CORS RTK技術(shù)在本礦區(qū)的實際定位精度，論證了CORS RTK測量在平面精度能夠滿足地表移動觀測站控制點連接測量及監(jiān)測點首次全面觀測精度要求，解決了GPS靜態(tài)觀測無法實時獲得測點的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)等缺點，在礦區(qū)具有良好的運用效果。本文對RTK技術(shù)的測量精度控制進行了初步分析，并對RTK測量的質(zhì)量控制提出了相應(yīng)措施，對CORS實時動態(tài)RTK模式作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：CORS RTK；單基站；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；地表移動觀測站；質(zhì)量控制

1 緒論

劉莊煤礦位于淮南煤田西部，東西走向長16km，南北寬35～8km，面積約82.2km2。本礦區(qū)為淮河沖積平原，地形平坦，村莊較密，濟河流經(jīng)本區(qū)東北部，流向東南。井田范圍內(nèi)，口孜東-劉莊-板集鐵路橫跨西一、西三、西四、東一采區(qū)。

本礦區(qū)巖移參數(shù)采用八十年代潘謝礦區(qū)移動觀測站獲取的移動參數(shù)，但由于地質(zhì)采礦條件變化，為了研究巨厚松散層下采煤引起的地表移動變形規(guī)律及求取相關(guān)移動參數(shù)，更準(zhǔn)確的對塌陷下沉進行預(yù)測預(yù)計，保障礦區(qū)鐵路正常運行，應(yīng)當(dāng)建立地表移動觀測站開展地表移動觀測。傳統(tǒng)的觀測方法主要采用全站儀配合水準(zhǔn)儀進行平面和高程測量來獲取測點三維坐標(biāo)。由于塌陷觀測的時效性。平面、高程需要同步進行觀測，需要大量的測繪人員，且測量效率低，制約了開采沉陷觀測工作的有序開展。將RTK測量技術(shù)應(yīng)用于地表移動觀測，是目前移動觀測發(fā)展的重要方向。本文通過對RTK技術(shù)進行精度分析，討論滿足于地表移動觀測的測量方法。通過對單基站CORS RTK測量技術(shù)在劉莊礦區(qū)地表移動觀測中的應(yīng)用分析，提出可行的解決方法。

2 RTK定位技術(shù)分析

2.1 傳統(tǒng) RTK定位技術(shù)分析

實時動態(tài)（RTK）定位是以載波相位觀測值為根據(jù)的實時差分GPS技術(shù)，它是GPS技術(shù)在測量應(yīng)用中的一個重要突破。實時動態(tài)定位（RTK）測量系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、流動站和數(shù)據(jù)通訊組成，建立無線數(shù)據(jù)通訊是實時動態(tài)測量的保證，其原理是取點位精度較高的首級控制點作為基準(zhǔn)點，安置一臺接收機作為參考站，對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，流動站上的接收機在接收衛(wèi)星信號的同時，通過無線電傳輸設(shè)備接收基準(zhǔn)站上的觀測數(shù)據(jù)，流動站上的手簿根據(jù)相對定位的原理實時計算顯示出流動站的三維坐標(biāo)和測量精度。[1]

無論靜態(tài)測量定位，還是準(zhǔn)動態(tài)測量定位等作業(yè)模式，得到的都是WGS-84坐標(biāo)，須進行室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，進一步坐標(biāo)轉(zhuǎn)化才能得到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。由于滯后數(shù)據(jù)處理模式，無法實時解算測點坐標(biāo)，并且無法對觀測成果數(shù)據(jù)進行檢驗，難以保障觀測數(shù)據(jù)的有效性。在實際測量過程中常常出現(xiàn)由粗差引起的不合格觀測成果需要重測返工。目前，主要解決方法就是延長測點數(shù)據(jù)采集時間、選擇作業(yè)時間窗口來保障測量數(shù)據(jù)的可靠性。然而，這樣就降低了測量的工作效率。RTK技術(shù)的發(fā)展極大的改進了GPS定位測量模式，比較傳統(tǒng)測量作業(yè)模式不但滿足全天候作業(yè)，而且實時顯示測量成果，以及實時顯示數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量，根據(jù)待測點的精度指標(biāo)，選擇合理的觀測時間，可以有效減少冗余觀測，大大提高了工作效率，降低了成本。在測圖、放樣等傳統(tǒng)測量中發(fā)揮了及其重要的作用。

但RTK測量技術(shù)也同樣存在自身缺點，由于RTK測量模式是通過差分方法來消除流動站和基準(zhǔn)站之間的共有誤差，隨著流動站與基準(zhǔn)站之間距離的增加，二者之間的相關(guān)性會逐步衰減，當(dāng)距離超過5公里或者更遠時，會出現(xiàn)整周模糊度無法固定，測量成果精度迅速下降的現(xiàn)象。[2]并且無線電臺的發(fā)射功率與距離成反比，會隨著距離的增加而信號衰減，導(dǎo)致RTK流動站接收不到差分?jǐn)?shù)據(jù)。因此，作業(yè)半徑成為制約RTK 的重要因素。另外，每次外出作業(yè)，需要架設(shè)基準(zhǔn)站并進行校核，需要攜帶移動電源、腳架等大量設(shè)備，增加了大量的準(zhǔn)備工作。

2.2 CORS RTK技術(shù)分析

近年來，連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)（Continuously Operating Reference System，簡稱CORS）成為GPS測量現(xiàn)代發(fā)展的重點，特別是基于單基站CORS 的RTK測量模式發(fā)展較為成熟，較常規(guī)GPS-RTK測量，其使用更方便，測量精度更高，覆蓋范圍更廣。

單基站CORS-RTK較傳統(tǒng)GPS-RTK的優(yōu)勢：（1）GPS-RTK由于受基準(zhǔn)站作業(yè)半徑限制，需要頻繁移動設(shè)置基準(zhǔn)站。而CORS RTK基準(zhǔn)點為永久點，標(biāo)稱作業(yè)半徑一般為50公里，減少了GPS-RTK模式頻繁架設(shè)基準(zhǔn)站所產(chǎn)生的誤差環(huán)節(jié)。（2） GPS-RTK模式測量作業(yè)，數(shù)據(jù)發(fā)射電臺需要外接移動電源來發(fā)送差分改正數(shù)據(jù)，電源有效時間素會影響作業(yè)有效時間。而CORS基準(zhǔn)站能夠?qū)崿F(xiàn)全天候作業(yè)。（3）傳統(tǒng)GPS-RTK采用無線發(fā)射電臺發(fā)送差分改正數(shù)據(jù)，無線電臺信號易受干擾，且信號隨距離而衰減，信號轉(zhuǎn)播距離有限。而CORS RTK采用GPRS/CDMA通訊，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、距離不受限制，只要有手機信號的地方就能接收到基準(zhǔn)站的通訊數(shù)據(jù)。（4）傳統(tǒng)GPS-RTK流動站每次測量作業(yè)前，都需要找已知控制點進行校正，控制點的選擇，對測量成果起決定性作用。對于沒有控制點的測區(qū)須進行控制測量。而CROS-RTK系統(tǒng)則無需校正，只需一次建立CROS基準(zhǔn)站，選擇測區(qū)轉(zhuǎn)化參數(shù)即可，可輕松實現(xiàn)單人隨時進行測量作業(yè)。

隨著數(shù)字化礦山的發(fā)展，礦山測量任務(wù)越來越多。其中對于礦區(qū)地表移動觀測站的建立和觀測，使用傳統(tǒng)的全站儀導(dǎo)線測量和靜態(tài)GPS觀測，在每個測點上花費時間太長，且內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理工作量大，經(jīng)濟效益較低，并且對于數(shù)量較多的監(jiān)測點，如果不能在一天內(nèi)觀測完，將不利于觀測點移動數(shù)據(jù)分析，而RTK定位每個點只需幾秒鐘或幾分鐘，無需數(shù)據(jù)后處理，給這種快速的數(shù)據(jù)采集提供了有效途徑。但是利用CORS RTK定位技術(shù)測量是否能夠滿足相應(yīng)等級的精度要求，本文通過實例實驗分析，對CORS RTK在地表移動觀測站建立中的觀測精度進行了分析，從而指導(dǎo)RTK作業(yè)。

3 礦區(qū)CORS基準(zhǔn)站的建立

中煤新集劉莊煤礦位于阜陽市潁上縣，井田區(qū)域為淮河沖積平原，地形平坦，且礦區(qū)周圍布設(shè)有均勻分布的等級控制點。根據(jù)測量技術(shù)的發(fā)展及實際生產(chǎn)需要，2010年8月礦建立單基站CORS系統(tǒng)。GPS基準(zhǔn)站的選址關(guān)系到參考站系統(tǒng)質(zhì)量，根據(jù)覆蓋礦區(qū)范圍、視野開闊、遠離強電磁干擾，方便維護與管理等原則。劉莊煤礦CORS基準(zhǔn)站選址于礦內(nèi)2#公寓樓樓頂，并與井田范圍附近已知北京54坐標(biāo)的控制點進行坐標(biāo)聯(lián)測，GPS控制網(wǎng)形如圖一，其中宿舍樓為CORS基準(zhǔn)點。

以上四個點均為2005年安徽省地質(zhì)測繪院布設(shè)的C級GPS 點，其中許莊、高莊為三等水準(zhǔn)點，顧莊、李莊為四等水準(zhǔn)點。都具有北京54 坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)和85 國家高程。采用三臺接收機每個點同步觀測一小時，觀測結(jié)束后，采用徠卡公司LGO軟件進行基線解算，網(wǎng)平差，精度評定和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后確定基準(zhǔn)站的北京54坐標(biāo)和85高程。然后將平差得到的各點WGS-84平面坐標(biāo)和橢球高與已知的北京54平面坐標(biāo)和高程輸入手簿，采用一步法七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型，求得劉莊礦區(qū)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換七參數(shù)，指導(dǎo)CORS RTK作業(yè)。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)求解方法：CORS RTK首先測得的坐標(biāo)是WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，實際應(yīng)用中一般需要當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系下的坐標(biāo)，如北京54坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，這就需要求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)一般根據(jù)兩個以上控制點的兩套坐標(biāo)，建立兩坐標(biāo)系間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，然后采用最小二乘法求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，并對轉(zhuǎn)換參數(shù)的顯著性進行檢驗。[3]根據(jù)控制點求解轉(zhuǎn)換參數(shù)的方法一般有兩種：一種是點校正法，即流動站不設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)，直接測出已知控制點的WGS-84坐標(biāo)，再將相應(yīng)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)輸入手簿，根據(jù)隨機軟件轉(zhuǎn)換模型求取轉(zhuǎn)換參數(shù)；一種是已知區(qū)域內(nèi)多個控制點的WGS-84坐標(biāo)和地方坐標(biāo)，根據(jù)兩套坐標(biāo)及相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模型，求解轉(zhuǎn)換參數(shù)。其中包括四參數(shù)法（即平移參數(shù)，旋轉(zhuǎn)角 和尺度因子 ）和七參數(shù)法（即平移參數(shù)，旋轉(zhuǎn)參數(shù)，和尺度參數(shù)k），四參數(shù)法是求解同一橢球內(nèi)不同坐標(biāo)系之間的平面轉(zhuǎn)換參數(shù)，要求至少兩個及以上已知點坐標(biāo)，七參數(shù)法求解的是兩個不同橢球間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，要求至少三個及以上已知點坐標(biāo)。

對于四參數(shù)法，其應(yīng)用較為靈活方便，但控制范圍較小，對于大范圍控制的參數(shù)求解，應(yīng)采用七參數(shù)法，并要求參與求解的已知點要均勻分布在測量區(qū)域內(nèi)，能夠覆蓋整個區(qū)域，以達到更好的轉(zhuǎn)換效果。劉莊煤礦西一、西三、東一、東二采區(qū)處于四個控制點構(gòu)成的封閉圖形內(nèi)部。

4 實例應(yīng)用分析

口孜東-劉莊鐵路線貫穿劉莊煤礦西三（17）采區(qū)，將受171305工作塌陷影響。因此，171305工作面回采前須建立地表移動觀測站。該采區(qū)地面地形平坦，多為農(nóng)田，分布兩個村莊。地面標(biāo)高在25.0m～26.5m之間，適合RTK作業(yè)。根據(jù)設(shè)計，171305工作面地表移動觀測站有走向控制點6個，監(jiān)測點60個，傾向控制點6個，監(jiān)測點83個。采用CORS RTK進行放樣埋點，待標(biāo)石穩(wěn)定后，進行連接測量和全面觀測。為確定CORS RTK測量精度能否滿足連接測量及全面觀測精度要求。首先對觀測站控制點進行了測量比較。

4.1 實例應(yīng)用分析

本次實驗?zāi)康氖遣捎肅ORS RTK定位測量技術(shù)測定點位坐標(biāo)，探討其精度如何，是否能夠代替GPS靜態(tài)和全站儀進行地表移動觀測站的連接測量和首次全面觀測。本次實驗流動站徠卡GPS接收機2臺，用腳架代替對中桿實時動態(tài)定位。在171305工作面地表移動觀測線已知控制點上架設(shè)GPS流動站接收機，每站分別觀測3分鐘，5分鐘和10分鐘，每站各獨立觀測14次，以控制點已知平面坐標(biāo)和高程作為參考，取其中一點（已知坐標(biāo)為X：30315.870，Y：3179.585，Z：26.7843）為例，其CORS RTK作業(yè)模式的平面成果與已知坐標(biāo)較差如圖二、圖三、圖四，高程成果對比如表一。

二到圖四分別為觀測三分鐘、五分鐘和十分鐘時，CORS RTK測量的平面坐標(biāo)與實際坐標(biāo)的點位較差，可以看出，定位精度基本在2cm以內(nèi)，可應(yīng)用于城市、礦山等區(qū)域性的控制測量、工程測量和地籍測量（根據(jù)測量規(guī)范規(guī)定，四等平面控制網(wǎng)最弱點的相對點位中誤差不超過±5cm）。另外，從圖中可以看出，觀測三分鐘時，點位誤差波動較大，而觀測五分鐘和十分鐘時，波動相對平滑，取平均值后精度得到提高，并且對于地表移動觀測站重復(fù)觀測求取相對移動變形量，這種方法更為適用，所以綜合考慮測量精度和工作效率，本次移動觀測站連接測量平面控制部分采取CORS RTK動態(tài)觀測五分鐘，獨立觀測2次，并取平均值做為定位結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)較差超限，增加觀測次數(shù)。

根據(jù)表一數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻資料可知，CORS RTK測量平面精度受外界影響因素較小，而高程精度受影響較大。表一中，CORS RTK高程數(shù)據(jù)與實際高程較差部分很小，但某些時刻卻相差很大，如三分鐘時的3.67cm，五分鐘時的2.27cm及十分鐘時的-1.13cm等，

主要是受儀器高量取誤差、電離層折射、多路徑效應(yīng)及地球高程異常等因素的影響，高程精度無法滿足連接測量高程要求。決定觀測站控制點高程連接測量采用三等水準(zhǔn)觀測，12個測線控制點按兩條符合水準(zhǔn)路線聯(lián)測許莊、高莊已知水準(zhǔn)點。全面觀測采取四等水準(zhǔn)。

為試驗?zāi)康?，后期在兩條測線兩端各取一個高程控制點，對轉(zhuǎn)換模型再次擬合測區(qū)的似大地水準(zhǔn)面。

4.2 移動監(jiān)測

在應(yīng)用CROS-RTK進行全面觀測過程中，為了提高內(nèi)部符合精度，每測站觀測2次，每次觀測時間為1分鐘，儀器用腳架、對點器進行對中整平。為檢驗CROS-RTK高程數(shù)據(jù)的精度，采用四等水準(zhǔn)測量方法對局部視線條件良好的16個監(jiān)測點進行了水準(zhǔn)觀測。經(jīng)測量成果分析，CORS-GPS擬合高程與水準(zhǔn)測量高程較差為2-10mm之間，完全滿足四等水準(zhǔn)的精度要求。

本次監(jiān)測工作目前已進行6期（兩次連接測量，四次全面觀測），連接測量觀測時采用三腳架對中，每站觀測三分鐘。全面觀測每站觀測1分鐘?？傆?55個觀測點，利用現(xiàn)有的兩臺CROS-RTK流動站兩人兩天就可以完成，較傳統(tǒng)方法，極大的提高了工作效率。

4.3 數(shù)據(jù)分析

通過對6期觀測成果資料的整理分析，H方向測量標(biāo)準(zhǔn)差最大為2.7 mm，最小為0.2 mm，點位中誤差見表2；可知RTK觀測滿足精度要求，而且其誤差分布均勻、穩(wěn)定。

5 總結(jié)

通過CORS-RTK測量方法在171306工作面的實踐經(jīng)驗可知：

（1）CORS RTK技術(shù)可以快速、準(zhǔn)確地獲得測點平面位置，精度可達厘米級，完全能夠滿足礦山測量控制點的精度要求，且不需數(shù)據(jù)后處理直接得到測點的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，省去大量內(nèi)業(yè)工作，極大提高了工作效率。

（2）使用CORS RTK定位時，當(dāng)測區(qū)超出所建坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)適用范圍時，應(yīng)重新選擇均勻分布于測區(qū)外圍三個以上的高等級控制點求解相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。在高程方面，高程的轉(zhuǎn)換必須精確，要求盡量在測區(qū)內(nèi)分布均勻的控制點上聯(lián)測，建議用水準(zhǔn)測量提高高程測量精度，以求得比較精確的高程轉(zhuǎn)換參數(shù)?？梢圆捎肎PS水準(zhǔn)擬合的方法得到高精度的區(qū)域似大地水準(zhǔn)面。CORS-RTK擬合高程測量可以達到四等水準(zhǔn)測量精度要求。精度滿足地表沉降觀測全面觀測及日常巡視測量的要求。

（3）CORS RTK可以部分取代常規(guī)測量方法進行礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測，其具有的高效、簡便、高精度、不必控制測量等優(yōu)勢，使得礦區(qū)開采沉陷監(jiān)測的效率得到了極大的提高，應(yīng)用前景必將十分廣闊。但是，要注意在局部障礙地區(qū)初始化時間長或不能初始化，在信號不好的時候，無法固定解時。須配合常規(guī)測量方法，以避免出現(xiàn)較大測量誤差。

參考文獻：

[1]劉茂海.GPS技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用.呼倫貝爾學(xué)院學(xué)報，2004.02.29.

[2]王智超.單基站CORS-RTK精度測試與分析.大連理工大學(xué)碩士論文，2013，06，01.

[3]陳帥.基于RTK技術(shù)的開采沉陷監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及實施.安徽理工大學(xué)碩士論文，2012，06，01.