Admin随着GPS技术的飞速进步和应用普及,它在城市测量中的作用已越来越重要。当前,利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统(Continuous Operational Reference System,缩写为CORS)已成为城市GPS应用的发展热点之一。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。
CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成,各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体,形成专用网络。
基准站网:基准站网由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,同时提供系统完好性监测服务。
数据处理中心:系统的控制中心,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。数据处理中心是CORS的核心单元,也是高精度实时动态定位得以实现的关键所在。中心24小时连续不断地根据各基准站所采集的实时观测数据在区域内进行整体建模解算,自动生成一个对应于流动站点位的虚拟参考站(包括基准站坐标和GPS观测值信息)并通过现有的数据通信网络和无线数据播发网,向各类需要测量和导航的用户以国际通用格式提供码相位/载波相位差分修正信息,以便实时解算出流动站的精确点位。
数据传输系统:各基准站数据通过光纤专线传输至监控分析中心,该系统包括数据传输硬件设备及软件控制模块。
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。
用户应用系统: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。按照应用的精度不同,用户服务子系统可以分为毫米级用户系统,厘米级用户系统,分米级用户系统,米级用户系统等;而按照用户的应用不同,可以分为测绘与工程用户(厘米、分米级),车辆导航与定位用户(米级),高精度用户(事后处理)、气象用户等几类。
CORS系统彻底改变了传统RTK测量作业方式,其主要优势体现在:1)改进了初始化时间、扩大了有效工作的范围;2)采用连续基站,用户随时可以观测,使用方便,提高了工作效率;3)拥有完善的数据监控系统,可以有效地消除系统误差和周跳,增强差分作业的可靠性;4)用户不需架设参考站,真正实现单机作业,减少了费用;5)使用固定可靠的数据链通讯方式,减少了噪声干扰;6)提供远程INTERNET服务,实现了数据的共享;7)扩大了GPS在动态领域的应用范围,更有利于车辆、飞机和船舶的精密导航;8)为建设数字化城市提供了新的契机。
CORS系统仅是一个动态的、连续的定位框架基准,同时也是快速、高精度获取空间数据和地理特征的重要的城市基础设施,CORS可在城市区域内向大量用户同时提供高精度、高可靠性、实时的定位信息,并实现城市测绘数据的完整统一,这将对现代城市基础地理信息系统的采集与应用体系产生深远的影响。它不仅可以建立和维持城市测绘的基准框架,更可以全自动、全天候、实时提供高精度空间和时间信息,成为区域规划、管理和决策的基础。该系统还能提供差分定位信息,开拓交通导航的新应用,并能提供高精度、高时空分辨率、全天候、近实时、连续的可降水汽量变化序列,并由此逐步形成地区灾害性天气监测预报系统。此外,CORS系统可用于通信系统和电力系统中高精度的时间同步,并能就地面沉降、地质灾害、地震等提供监测预报服务、研究探讨灾害时空演化过程。
连续运行参考站系统(CORS)可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站,利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN/WAN)技术组成的网络,实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地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。与传统的GPS作业相比连续运行参考站具有作用范围广、精度高、野外单机作业等众多优点。
1、国内外现状及背景
1.1国外CORS发展概况
国际大地测量发展的一个特点是建立全天候、全球覆盖、高精度、动态、实时定位的卫星导航系统。在地面则建立相应的永久性连续运行的GPS参考站。目前世界上较发达的国家都建立或正在建立连续运行参考站系统(CORS)。
美国的GPS连续运行参考站系统(CORS)。它由美国国家大地测量局(NGS)负责,该系统的当前目标是:①使全部美国领域内的用户能更方便地利用该系统来达到厘米级水平的定位和导航;②促进用户利用CORS来发展GIS;③监测地壳形变;④支持遥感的应用;⑤求定大气中水汽分布;⑥监测电离层中自由电子浓度和分布。
至2001年5月,CORS已有160余个站。美国NGS宣布,为了强化CORS,从即日起,以每个月增加3个站的速度来改善该系统的空间覆盖率。CORS的数据和信息包括接收的伪距和相位信息、站坐标、站移动速率矢量、GPS星历、站四周的气象数据等,用户可以通过信息网络,如Internet很容易下载而得到。
英国的连续运行GPS参考站系统(COGRS)的功能和目标类似于上述CORS,但结合英国本土情况,多了一项监测英伦三岛周围海平面的相对和绝对变化的任务。目前已有近60个GPS连续运行站。
德国的全国卫星定位网由100多个永久性GPS跟踪站组成。它也提供4个不同层次的服务:①米级实时DGPS(精度为±1～3 m);②厘米级实时差分GPS(精度为1～5 cm);③精度为1cm的准实时定位;④高精度大地定位(精度优于1 cm)。
其他欧洲国家,即使领土面积比较小的芬兰、瑞士等也已建成具有类似功能的永久性GPS跟踪网,作为国家地理信息系统的基准,为GPS差分定位、导航、地球动力学和大气提供科学数据。
在亚洲,目前日本已建成近1200个GPS连续运行站网的综合服务系统———GeoNet。它在以监测地壳运动地震预报为主要功能的基础上,目前结合大地测量部门、气象部门、交通管理部门开展GPS实时定位、差分定位、GPS气象学、车辆监控等服务。
1.2国内CORS发展概况
随着国家信息化程度的提高及计算机网络和通信技术的飞速发展,电子政务、电子商务、数字城市、数字省区和数字地球的工程化和现实化,需要采集多种实时地理空间数据,因此,中国发展CORS系统的紧迫性和必要性越来越突出。几年来,国内不同行业已经陆续建立了一些专业性的卫星定位连续运行网络,目前,为满足国民经济建设信息化的需要,一大批城市、省区和行业正在筹划建立类似的连续运行网络系统,一个连续运行参考站网络系统的建设高潮正在到来。
深圳市建立了我国第一个连续运行参考站系统(SZCORS),目前已开始全面地测量应用。全国部分省、市也已初步建成或正在建立类似的省、市级CORS系统,如:广东省、江苏省、北京、天津、上海、广州、东莞、成都、武汉、昆明、重庆等。
四川地震局建立的CDCORS,已经运行三年多,原本主要目的是用来做监控四川地区地震灾害,但是通过对其潜在功能的挖掘,在GPS大地测量方面开发利用,通过授权拨号登录,对外开放网络使用权,实现用户GPS实时高精度差分定位,取得了一定的收益。
2、建立CORS的必要性和意义
“空间数据基础设施”是信息社会、知识经济时代必备的基础设施。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,及时地满足城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、交通监控,矿山测量等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) CORS的建立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。由于城市建设速度加快,对GPS-C、D、E级控制点破坏较大,一般在5-8年需重新布设,至于在路面的图根控制更不用说,一二年就基本没有了,各测绘单位不是花大量的人力重新布设,就是仍以支站方式,这不但保证不了精度,还造成了人力物力财力的大量浪费。随着CORS基站的建设和连续运行,就形成了一个以永久基站为控制点的网络。所以,可以利用已建成的CORS系统对外开发使用,收取一定的费用,收费标准可以根据各地的投入和实际情况制定,当然这一点上更多的是社会效益。
(2) CORS的建立,可以对工程建设进行实时、有效、长期的变形监测, 对灾害进行快速预报。CORS项目完成将为城市诸多领域如气象、车船导航定位、物体跟综、公安消防、测绘、GIS 应用等提供精度达厘米级的动态实时GPS 定位服务, 将极大地加快该城市基础地理信息的建设。
(3) CORS将是城市信息化的重要组成部分, 并由此建立起城市空间基础设施的三维、动态、地心坐标参考框架, 从而从实时的空间位置信息面上实现城市真正的数字化。CORS建成能使更多的部门和更多的人使用GPS 高精度服务,它必将在城市经济建设中发挥重要作用。由此带给城市巨大的社会效益和经济效益是不可估量的, 它将为城市进一步提供良好的建设和投资环境。
3、南方CORS发展情况
当前国内不同行业建设的CORS系统基本上还是独立运行的,很多单位的数据只在本单位甚至是本部门内共享和利用。目前国内市场上的CORS建站方案动辄百万甚至上千万的资金投入,相对于那些对CORS只停留在小规模的应用的单位而言就显得投入与产出太过于失衡,导致许多行业与单位只能对CORS系统望而却步。
针对这种情况,我们提出了“服务现在、面向未来的可拓展的SOUTH-CORS解决方案”。SOUTH-CORS提供了从单基站到多基站以及多基站网络系统的一整套解决方案。在有条件的情况下,数个SOUTH-CORS单基站增加一套中央控制器软件就可以无缝升级到南方网络CORS,这种可拓展的方案使得不同的用户单位可以根据自身的需求选择最佳的解决方案。
南方公司推出的CORS系统,先后在山西晋城、黑龙江哈尔滨、齐齐哈尔、山东莱州、陕西咸阳、河南洛阳、湖北随州、咸宁、广东大亚湾、三水等多个城市建成,近期更是一举中标湖北宜昌测绘大队五个基站的网络CORS项目,成为首个进军网络CORS项目建设的国内厂商。
在当前技术水平和市场可供产品条件下,根据本部门实际情况,从提高投资效益角度出发,选择单基站CORS系统是比较适合一些地级市、县测绘部门的一个优选方案。
3.1单基站CORS的特点
投入较少
随着南方单基站技术的成熟,只要较少的投资即可在一个中小城市建立一个CORS基站,满足当地测量用户不同层次空间信息技术服务的需要:基站所在城区及近郊区、城市进出口主要交通沿线,以及以基站为中心三十公里范围内区县城镇城乡地区实现快速厘米级实时定位及事后差分。
随时可以升级和扩展
单基站系统可以随时增加新的基站,加大实时RTK作业的覆盖区域,一旦建立虚拟参考站系统的条件成熟,只要进行系统软件的升级,花费不大的投资,单参考站系统即可轻松地升级成虚拟参考站网络系统。
数据可靠、稳定、安全
基站连续观测,静态数据全天候采集,点位精度高,数据稳定;用户登录采取授权方式,数据中心可以管理登录用户,数据安全性高。
作业范围广
目前基于南方单基站的RTK 作业半径已经扩大到30公里,能够实现快速厘米级实时定位及事后差分,利用GPRS/CDMA进行50公里左右RTK测试成功案例也已经屡见不鲜。
施工周期短
单参考站技术经过实践表明它是一种比较成熟的技术,从方案落实开始采购设备,安装调试,到验收运行整个周期1个月以内。
3.2 单基站方案的目标与内容
南方单基站CORS方案目标为:建立和维护测量区域内的GPS基准站支持,为该系统提供一套完整的GPS工程技术标准,其具体项目为:
(1)建设一个永久连续观测的GPS定位基准站。
(2)建立一个可提供基准站网络服务的网络系统。
(3)建立基准站与系统管理中心的内部局域网的数据传输。
(4)为测量用户提供RTK实时差分、静态后处理的数据信息。
3.3 系统原理
单基站CORS,就是只有一个连续运行参考站。类似于一加一或一加N的RTK,只不过基准站由一个连续运行的基准站代替。它将尖端科技领域的卫星定位技术和地理信息技术、通信技术和先进的软件开发技术有机地结合在一起,为用户提供了全新、透明、可视、实时的测量服务。基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态、存储和发送相关数据,同时有一个服务器提供网络差分服务和用户管理。
3.4 系统作业流程
基准站连续不间断地观测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。
移动站用户的数据通讯模块通过局域网从服务器的指定位置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,可以从基准站软件下载同步时间的静态数据进行基线联合解算。
3.5 系统性能指标
南方单基站建成后,达到的各项性能指标:
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