沈阳市连续运行卫星定位服务系统的建立与运行

GNSS 连续运行基准站网运行维护的相关问题探讨陈明;武军郦【摘要】GNSS Continuously Operating Reference Stations (CORS ) construction is in full swing ,many provinces ,cities built or are building the base station network ,part of the region has begun to provide services to the community .CORS operation and maintenance considerations coordinate frame maintenance ,data management ,facilitymaintenance ,safety management and emergency support ,application services ,and daily operation and manage‐ment aspects .CORS operation and maintenance specifications were introduced ,combined with the work practice ,the technical problems related to the operation and maintenance of CORS are discussed .%国内GNSS连续运行基准站网建设全面展开，很多省、市建成或正在建设基准站网，部分的地区已经开始对社会提供服务。

基准站网运行维护主要考虑坐标框架维护、数据管理、设施维护、安全管理与应急保障、应用服务、日常运行管理等方面内容。

本文对基准站网运行维护规范进行了介绍，结合基准站网运行维护的工作实践，对基准站网运行维护的相关技术问题进行了探讨。

01概述基准站网的组成卫星连续运行基准站网（Continuously Operating Reference Stations，缩写CORS）是由若干连续运行基准站及数据中心、数据通信网络组成的，提供数据、定位、定时及其他服务的系统。

CORS 的组成（1）连续运行基准站连续运行基准站由GNSS 设备、气象设备、电源设备、通信设备、计算机等设备及观测墩、观测室、工作室等基础设施构成，具备长期连续跟踪观测和记录卫星信号的能力，并通过数据通信网络定时或实时将观测数据传输到数据中心。

（2）数据中心数据中心由计算机、网络设备、专业软件系统以及机房构成，具备数据管理、数据处理分析及产品服务等功能，用于汇集、存储、处理、分析和分发基准站数据，形成产品和开展服务。

（3）数据通信网络数据通信网络由公用或专用的通信网络构成，用于实现基准站与数据中心、数据中心与用户数据交换，完成数据传输、数据产品分发等任务。

分类与布设原则依据管理形式、任务要求和应用范围，基准站网划分为国家基准站网、区域基准站网、专业应用网三类。

（1）国家基准站网国家基准站网是国家地理空间信息的重要基础设施，主要用于维持和更新国家地心坐标参考框架，开展全国范围内高精度定位、导航、工程建设、地震监测、气象预报等国民经济建设、国防建设和科学研究服务。

国家基准站网应覆盖我国领土及领海，全国范围内均匀分布、站间距100-200km，满足国家地心坐标参考框架建设的需要，并兼顾社会发展、经济建设、自然条件和定位服务需求等因素。

国家基准站网在每个省、自治区内应至少有3 个分布均匀、观测墩建造埋设于基岩上的基准站，直辖市内应至少有 1 个-2个观测墩埋设于基岩上的基准站。

（2）区域基准站网区域基准站网是省、市、自治区等区域地理空间信息的重要基础设施，用于维持和更新区域地心坐标参考框架，开展区域内位置服务和相关信息服务。

区域地心坐标参考框架应与国家地心坐标参考框架保持一致。

基于虚拟观测的CORS定位数据处理方法及应用邰贺【期刊名称】《《全球定位系统》》【年(卷),期】2019(044)005【总页数】6页(P117-122)【关键词】PIVOT; 数据质量; 虚拟观测数据【作者】邰贺【作者单位】沈阳市勘察测绘研究院辽宁沈阳110004【正文语种】中文【中图分类】P228.40 引言目前,城市连续运行参考系统(CORS)已经成为城市现代测绘基准的重要组成部分[1],其提供的实时、高精度的定位服务成为智慧城市空间数据采集的重要手段[2].目前,城市级CORS基本以CORS+网络实时动态(RTK)的服务模式对外进行服务.目前,市场上的主流CORS技术有VRS、i-max、FKP等[3].在CORS+RTK的实际使用过程中,经常发现流动站用户在作业过程中由于受到复杂环境[4](如无信号、高楼遮挡等)的影响,经常不能获得RTK固定解,导致无法作业[5].一般情况下,只能利用常规静态方法解决这种复杂环境下的控制点解算问题,但该方法耗时、耗力,造成项目的成本增加.因此,本文首先介绍了虚拟观测数据的生成原理,并提出了虚拟观测数据的数据质量评价指标,最后通过实际案例分析虚拟观测数据如何进行指标评价以及采用虚拟观测数据之后对于工程解算精度的改善情况.1 虚拟观测数据的生成原理图1 虚拟观测定位示意图如图1所示,参考站A、B、C构建起服务三角形,共视卫星i及卫星j;虚拟参考站V(VRS)、用户流动站U(rover)以及主参考站A之间有一定的距离.由于相位观测值表现为几何距离以及多种误差的和,在忽略轨道误差和多路径效应的影响下,就可以建立主参考站A与虚拟参考站V之间的观测方程(1)和(2):λφAS=ρAS+c(ζtA-ζtS)-IAS+TAS-λNAS,(1)λφVS=ρVS+c(ζtV-ζtS)-IVS+TVS-λNVS.(2)分别将公式(1)和(2)在共视卫星上对(i,j)求差,得到公式(3)和(4):λφAij=ΔρAij-c·Δζtij-ΔIAij+ΔTAij-λNAij,(3)λφVij=ΔρVij-c·Δζtij-ΔIVij+ΔTVij-λNVij.(4)再通过求差形成双差,得到公式(5):ΔIAij)+(ΔTVij-ΔTAij)-λ(NVij-NAij)=Δ2ρAVij-Δ2IAVij+Δ2TAVij-λΔ2NAVij,(5)其中:Δ2为双差因子;为主参考站A的载波相位观测值星间单差;为星站双差;以及为系统误差残差.双差整周模糊度中,由于虚拟参考站V不存在整周模糊度参数,而只与主参考站的模糊度参数的星间差分有关,因此易于确定.由于唯一的未知量为虚拟参考站V上的单差观测值,因此可以得到虚拟参考站观测值的单差观测值的计算公式(6):Δ2TAVij)-Δ2NAVij.(6)由于载波相位和伪距的双差观测方程如下:λΔ2φ+λΔ2N=Δ2ρ-Δ2I+Δ2T+Δ2O+Δ2M+ε,(7)Δ2P=Δ2ρ+Δ2I+Δ2T+Δ2O+Δ2M+ε.(8)如公式(7)和(8)所示,流动站位置的误差项中包含了大气误差、轨道误差、多路径效应以及接收机噪声在内的双差残差.就其对VRS观测结果影响大小来看,双差电离层延迟Δ2I、双差对流层延迟Δ2T以及双差轨道误差Δ2O的精确求解具有重要意义. 在确定了具体算法之后,以CORS站的精确坐标为基准,通过长时间的观测得到关于双差电离层延迟Δ2I、双差对流层延迟Δ2T以及双差轨道误差Δ2O的精确模型,进而根据该模型计算出单历元的误差值,并通过方程反推出虚拟参考站的单历元观测数据,进而形成虚拟观测数据.2 虚拟观测数据质量评价指标虚拟观测数据的质量直接影响着定位解算的精度和可靠性.本文参考了《GB/T 28588-2012 全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》中关于基准站站址环境的评价指标,认为虚拟观测数据质量评价指标应包含卫星数量、多路径效应、周跳比、信噪比等[1].2.1 卫星数量卫星数量是指观测文件中记录的卫星总数.其主要通过TEQC等质量评估软件给出的SV数值进行体现.虚拟观测数据的可见卫星数量应与当前虚拟观测数据生成参与基站的共视卫星数量一致.2.2 多路径效应多路径效应是指接收机除直接收到卫星发射的信号外,还同时包含测站附近的物体表面一次或者多次的反射信号,这种不同路径的信号与直接信号叠加,产生的时延效应成为多路径效应[6].多路径效应指标主要通过TEQC等质量评估软件给出MP1、MP2进行体现,理论上其不得小于0.5 m.2.3 周跳比周跳是接收机在连续工作的过程中由于信号干扰或者是信号受到遮挡等原因，造成接收机计时器的信号中断产生的整周相位跳变.周跳比指标为观测值总历元数量除以发生周跳的历元数量的比值,主要通过TEQC等质量评估软件给出的o/slps进行体现,其一般捆绑观测值完好性指标共同说明.一般情况下,周跳比越大越好,观测值完好性一般不低于85%.2.4 信噪比信噪比是载波的信号强度与噪声强度之比,是反映载波信号质量的指标之一.卫星信号的信噪比越高,说明卫星的信号强度越大.对实时观测的原始数据进行解析和呈现能够实时地表现原始数据的质量,是质量分析和判断的重要方面.信噪比一般通过RTKlib等软件给出的信噪比(SNR)进行体现,一般不低于45.3 实例分析本文选取2018年6月10日沈阳市卫星导航定位基准站网(SYCORS)[7]的FAHA 站作为本次分析的参考测站,利用Trimble pivot软件在该站的真实坐标位置生成虚拟观测文件,使用TEQC最新版本以及RTKlib软件中的RTKplot数据质量分析软件[8]对虚拟观测数据的可见卫星数量、DOP、周跳比、多路径效应、SNR等质量指标进行分析,并与真实的观测数据进行对比.然后,选用沈阳市长青桥GNSS控制网项目进行实际工程验证,解算采用Trimble Business center软件,并采用cosaGPS V5.21版本进行平差.3.1 可见卫星数量评价将物理观测数据与虚拟观测数据的观测值经过TEQC解算,得到可见虚拟观测数据的卫星数量分布图2和物理观测数据的可见卫星数量分布图3.图2 虚拟观测数据可见卫星数量图3 物理观测数据可见卫星数量由图2和图3对比可以看出,虚拟观测数据的可见卫星数量与物理观测数据的可见卫星数量基本相当,分布基本一致.经查验观测文件每个历元的卫星数量,与当前虚拟观测数据的生成参与基站的共视卫星数量一致.3.2 多路径效应指标评价经过TEQC解算出的虚拟观测数据的MP1、MP2与物理基站观测数据的MP1、MP2的对比如表1所示.表1 多路径效应指标对比指标名称物理观测数据虚拟观测数据 MP10.380.26 MP20.340.30可以看出,虚拟观测数据在多路径效应指标方面比物理观测数据指标上要好.3.3 周跳比指标评价经过TEQC解算出的虚拟观测数据与物理基站观测数据的周跳比以及观测值完好性的对比情况如表2所示.表2 周跳比及观测值完好性对比指标名称物理观测数据虚拟观测数据周跳比345326857 观测值完好性96%99.9%从表2可以看出,由于虚拟观测数据在CORS系统长期稳定运行之后基本不包含周跳信息,所以o/slps的数值明显大,而且观测值完好性比物理观测数据表现优异,几乎为100%.3.4 信噪比指标评价经过TEQC解算出的虚拟观测数据的SNR以及物理观测数据的SNR分别如图4及图5所示.图4 虚拟观测数据SNR图5 物理观测数据SNR从图4和图5对比可以看出,虚拟观测数据的SNR与物理观测数据的SNR基本相当且分布基本一致,平均值均在50左右,大于45的指标,处于一个优秀的指标水平.3.5 实际工程计算本次计算采用两套方案:方案1采用项目测区最近的物理参考站作为控制,网型如图6所示;方案2采用测区周边1 km左右范围内生成虚拟基准站作为控制,网型如图7所示.方案1与方案2中,求取的坐标通过投影至N、E方向,精度比较也均在N、E分量上进行.首先,比对两种方案对于基线长度的影响.由于商业软件采用单基线计算模型,其基线越短,形成基线的站点之间的相关度越高,对流层误差、电离层误差等的相关度也越高,基线解算的精度也就越高.按照方案1计算得到的控制网平均基线边长为12.015 km;按照方案计算得到的控制网平均基线边长为2.428 km,方案2比方案1的平均边长缩短5倍.图6 加载物理基站控制网网图图7 加载虚拟基站控制网网图其次,比对两种方案对于基线解算精度的影响.无论物理基站或虚拟基站,其至临近最近未知点的基线共有4条,基站之间的基线共有6条,总计10条.这里不区分物理和虚拟,基准站以A-D顺序编号,未知点以1-4顺序编号.按照方案1和方案2分别进行同配置的基线解算,其解算精度如表3所示.表3 基线解算精度表基线名称方案1 水平精度(95%)方案1 垂直精度(95%)方案2 水平精度(95%)方案2 垂直精度(95%) A-B0.0110.0230.0050.016 B-C0.0150.0280.0040.015 C-D0.0170.0200.0110.016 D-A0.0210.0310.0140.015 A-C0.0250.0350.0080.020 B-D0.0290.0330.0060.019 A-10.0140.0220.0140.017 B-20.0180.0280.0120.022 C-30.0210.0310.0150.024 D-40.0130.0330.0050.025可以看出,由于方案2的基线平均边长相比于方案1显著降低,导致了基线解算的精度相比于方案1要提高很多.然后,比对三维约束平差后的定位精度情况.将基线解算的成果经过三维约束平差之后,其平差精度情况如表4所示.表4 约束平差精度表基线名称物理mX物理mY物理mZ物理mP虚拟mX虚拟mY虚拟mZ虚拟mP KZ061.181.801.662.721.031.521.442.33KZ031.341.932.193.211.221.711.912.84KZ012.313.453.745.591.432.192.403.55KZ022.042.833.154.701.151.511.742.58KZ041.231.731.972.901.091.501.672.50KZ051.471.861.752.951.071.451.492.34JH061.351.741.672.761.031.321.282.11KZ081.251.641.562.590.961.321.342.11KZ071.521.901.823.040.931.291.292.05JH051.692.693.004.361.321.661.582.64KZ091.682.402.734.000.901.461.662.38KZ101.652.462.683.990.881.571.822.56KZ121.812.723.074.490.791.301.562.17KZ112.993.335.166.830.751.141.411.96KZ131.662.513.564.662.002.123.524.57KZ061.181.801.662.721.031.521.442.33从表4可以看出,三维约束平差后,方案2比方案1点位的三维精度要高.本项目中JH05、JH06两点为检核点位,其N、E坐标已知.将方案1和方案2的点位坐标成果与已知成果进行对比,情况如表5所示.表5 检核点坐标精度对比表(仅保留小数位数)基线名称物理N物理E虚拟N虚拟E已知N已知E物-已N物-已E虚-已N虚-已EJH05∗.477∗.488∗.472∗.479∗.463∗.4820.0140.0060.0090.003JH06∗.851∗.932∗.845∗.934∗.839∗.9430.012-0.0110.006-0.009表注：物-已表示物理站坐标减去已知点坐标，虚-已表示虚拟站坐标减去已知点坐标.因保密原因，这里仅表示小数位，小数点前面用*表示.从表5可以看出,采用虚拟基站观测数据,其通过三维约束平差之后,已知点检核的精度成果要优于采用物理基站的成果,这主要是由于虚拟基站策略的基线平均长度短,解算精度高,基线残差小造成的.4 应用条件1)CORS站稳定运行虚拟观测数据的生成需要依托于CORS站的长时间稳定运行.为保证生成精度,原则上CORS站稳定运行的时间不低于30天,且需要进行精度测试,采用的方法为与最近物理基站进行超短基线测试,基线三维分量残差在低于2 cm时可以使用.2)平均站间距不宜过长虚拟观测数据的质量与CORS站的平均站间距有关.站间距越小,误差建模的精度越高,其虚拟观测数据生成的精度也就越高.如果平均站间距过长,将导致误差模型建模精度下降,导致虚拟观测数据生成精度下降.一般情况下,平均站间距不宜超过50 km.3)仅可用于平面控制由于虚拟观测数据生成时的坐标是天线相位中心的平均坐标,且无法提供天线类型,这导致在三维处理中无法采用NGS等机构提供的绝对天线校正数据,仅能够采用软件自带的直接处理至相位中心的模式,导致高程U方向的结果无参照.实际应用时仅能用于平面控制和指标评定.5 结束语在城市级网络RTK的实际使用中,由于各种外界环境的影响,可能无法正常获取固定解.而虚拟观测数据这一技术手段,在求解未知控制点的应用中具有高精度、方便、低成本等优点,可以作为网络RTK技术的有益补充.同时,现有城镇化高速推进造成GNSS控制点标志被大量破坏,使用虚拟观测数据可在不用埋设控制点的情况下,完成GNSS控制网的设计、观测和处理,极大地降低了项目成本,具有很强的推广意义. 参考文献【相关文献】[1] 吴寒,许超钤,刘邢巍.基于CORS的现代测绘基准体系应用[J].全球定位系统,2016,41(3):89-92,96.[2] 赵庆海,杨华忠,万鑫.GPS观测数据质量与观测环境的相关性研究[J].全球定位系统,2009,34(3):7-10,29.[3] 周晓卫,胡明,匡志威,等.CORS系统虚拟观测应用[J].城市勘测,2018(4):81-83.[4] 邰贺.TEQC在沈阳市现代测绘基准体系建立数据处理中的应用[J].全球定位系统,2018,43(2):115-118.[5] 汪胜国,朱照荣,张锡越.基于北京CORS系统的虚拟观测数据质量分析[J].岩土工程技术,2018,32(3):120-124.[6] 魏二虎, 王中平, 龚真春,等.TEQC软件用于GPS控制网数据质量检测的研究[J] 测绘通报,2008(9):6-9.[7] 邰贺.沈阳市卫星导航定位服务系统升级建设[J].全球定位系统,2018,43(4):117-121.[8] 白天阳,兰孝奇,陈浩.基于RTKLIB预处理的GNSS数据分析[J].地理空间信息,2019,17(2):34-37,41.。

连续运行卫星定位服务系统（Continuous Operational Reference System），简称CORS，是建立于现代GNSS技术、计算机网络技术、网络化实时定位服务技术、现代移动通信技术基础之上的大型城市定位与导航综合服务网络，是城市“空间数据基础设施”的最为重要的组成部分，也是数字城市多种空间数据采集的基准参考框架，是现代化城市获取和采集各类空间信息的位置、时间和与此相关的动态变化的一种基础设施。

CORS最大的特点就是将网络化的概念引入到大地测量应用中，不仅为测绘行业带来深刻变革，而且也将为现代社会带来新的位置、时间信息的服务模式。

CORS系统按照其作用范围可分为微型、区域型、国家型和全球型等，按照其实时性可分为静CORS和动态CORS。

一、国内外连续运行GPS基准站建设动态1.1 美国的连续运行参考站网系统(CORS)是一个多功能网，除满足用户精密定位要求外，还可满足气象、地球动力学、地震监测、实时广域差分等多项任务。

其目标是：100-200km距离上的GPS相对定位，几分钟或更短时间即可达1cm级的相对定位精度水平。

其服务方式原则上是公益性的。

1.2 美国CUE，ACCQPOINT公司的广域定位导航服务网络CUE和ACCQPOINT公司是美国、加拿大地区的两个卫星无线网络通信公司。

公司在美国和加拿大有20余个GPS永久跟踪站，通过FM提供亚米级到十米级的广域差分有偿性服务。

最近开发了利用FM副载波发送GPS载波相位观测修正数据进行实时动态精密定位服务（RTK FMTM）技术，有效作用距离可达70km ，动态定位精度可达±1cm。

1.3 加拿大的主动控制网系统（CACS）加拿大大地测量局将该国目前已建成的十几个永久性GPS卫星跟踪站构成一个主动控制网（CACS），作为加拿大大地测量的动态参考框架。

其目的通过因特网提供网站地心坐标和相应的GPS卫星跟踪观测数据，用户采用GPS单机即可进行事后精密定位。