連續運行參考站系統的發展綜述

曾 超，劉智敏

（山東科技大學測繪與工程學院，山東青島 266510）

連續運行參考站系統的發展綜述

曾 超，劉智敏

（山東科技大學測繪與工程學院，山東青島 266510）

CORS技術是當前全球導航衛星系統GNSS的應用研究的熱點之一，代表了GNSS的發展方向之一。對CORS系統的原理及構成進行了闡述，重點介紹了CORS系統中的VRS、坐標轉換等關鍵技術及其國內外發展、存在問題及研究熱點。

CORS；VRS技術；坐標轉換；定位

近年來，隨著全球定位系統（GPS）技術的快速發展和應用普及面的擴大，傳統的GPS測量技術為了跟上時代發展的需要，也在積極地創新和完善。連續運行參考站系統（CORS）是為了滿足GPS精密定位應用而產生的利用多基站網絡實時動態定位（RTK）技術建立的連續運行衛星定位服務系統，是全球導航衛星系統（GNSS）技術發展的產物。

CORS最初形成于20世紀90年代初，是在考察GPS全球精密定位方法及精度的基礎上發展的一種基準站的定位方法和數據處理技術。1994年成立的國際GPS地球動力學服務局（IGS）大大地促進了GPS精密定位技術的發展，其主要任務是建立永久基準站用于提供長年連續的GPS觀測數據。在此基礎產生的GPS定位新技術美國稱此為ContinuousOperationalReference System，即連續運行參考站系統。CORS的出現，解決了常規RTK測量基線短且相關誤差難以確定等局限性。目前，很多國家紛紛建立起長年連續跟蹤GPS衛星的基準站，以滿足本國GPS大地測量定位技術等各種需求。我國的不同行業和地區也布設了若干基準站網系統，以滿足用戶及科研要求。本文即對CORS的原理及構成進行了闡述，重點介紹了CORS系統中的VRS、坐標轉換等關鍵技術及其國內外發展、存在問題及研究熱點。

1 CORS的原理構成

CORS的核心思想是，在一個多臺儀器同步的觀測會戰中，固定其中幾臺儀器作為基準站，在會戰期間不搬遷測站，其余若干臺儀器可在觀測期間流動設站觀測。其中基準站衛星跟蹤數據可用來改進衛星軌道，然后用改進后的衛星軌道對其他流動設站進行精密的、靜態的網定位，使其定位精度可大大提高[1]。

GNSSCORS服務系統一般由以下幾個部分構成[2]：1）基準站網--由若干個分布合理的GNSSCORS組成；2）數據傳輸系統--基準站的GNSS數據通過有線或無線網絡傳輸至數據處理和監控中心；3）數據處理和監控中心--接收基準站的數據，進行數據處理和監控，形成用戶數據；4）面向用戶的數據發播系統--包含多種手段：因特網、UHF/VHF電臺和FM電臺的副載波；5）用戶通過移動電話如GSM、CDMA獲取GPS定位數據和GNSS氣象預報等數據。CORS的工作流程如圖1所示。

圖1 CORS的基本工作流程 [3]

2 CORS的關鍵技術

連續運行參考站系統是實現中長距離高精度實時動態定位的有效手段，其核心問題是：首先，實時解算參考站間的整周模糊度，用來準確估計空間相關誤差的影響；其次，利用它們建立空間相關模型求解網絡改正數并播發給流動站。另外，CORS系統獲得的流動站的初始坐標是 WGS-84坐標，而在實際生產中一般需要的是國家或地方坐標，所以還要根據不同需求對坐標進行轉換。下面對其進行一一介紹。

2.1 參考站間整周模糊度的確定

由于已知的精確參考站坐標和很短的采樣間隔，探測和修復周跳相對來說變的容易[4-5]。對于雙頻碼相關的GPS接收機，除了獲得載波相位觀測值，還能獲得L1、L2頻率上的P碼偽距。為了方便求解整周模糊度，引入了寬巷整周模糊度。

2.2 參考站系統實時動態定位解算改正數的相關技術

目前，CORS實時動態定位解算的技術主要基于網絡RTK差分信息的生成：虛擬參考站技術（VRS）；區域改正數技術（FKP）；主輔站技術（MAC）。

2.2.1 虛擬參考站技術VRS

虛擬參考站技術就是在一定區域內架設一定數量的基準站，精確測定這些基準站的位置及變化率，基準站連續接收衛星信號，將信息傳送至信息處理中心，數據處理中心同時接收流動站發送的接收機概略位置信息，數據處理中心會根據移動站的位置，選擇與之較近或定位精度較好的基準站信息，“虛擬”出一個參考站，然后根據各基準站上誤差信息通過一定的數學模型內插出該虛擬站的誤差，將虛擬出的流動站改正數據播發給流動站，這樣虛擬參考站的位置通常是在移動站真實位置的周圍5 m范圍內，保證了虛擬參考站與流動站誤差的相關性。

虛擬基準站法的關鍵在于如何構建出虛擬的觀測值。一旦構建出虛擬的觀測值，在數據處理時就可把它當作一般基準站來看待。例如，流動站U采用單點定位先求出自己的概略坐標（XV，YV，ZV），設為VRS并傳送到數據處理中心，設流動站U位于參考站網三角形ABC內且距離A站最近，則選A作為主參考點。忽略衛星軌道誤差和多路徑效應影響，建立主參考站A與虛擬參考站V之間的觀測方程

2.2.2 區域改正數技術FKP

FKP是由德國CEO++公司最先提出的。這種區域改正數法利用GPS基準站觀測數據，主要是相位觀測值和偽距觀測值，以及基準站已知坐標等數據，計算得到基準網范圍內與時間或空間相關的誤差改正數模型，然后利用測量點的近似坐標內插出測量點的誤差改正數，將其應用到觀測值中，從而消除各種與時間空間有關的誤差，提高定位結果的精度，是對VRS的一種改進。德國的SAPOS網絡正是采用的FKP技術。

2.2.3 主輔站技術MAC

主輔站技術是由Leica公司提出的。MAC技術的基本要求就是將相位距離簡化為一個公共的整周未知數水平；主輔站方法發送主參考站的全部改正數及坐標信息，對于輔參考站只播發相對于主參考站的差分改正數和坐標差，這樣可以減少參考站網絡中的數據播發量。使用單差散射和非散射相位改正數形成壓縮的差分信息，其區域誤差改正數模型由流動站設備自定義[11]。

主輔站技術本質上是區域改正數 (FKP)的一種優化，在實際應用中，我國昆明市連續運行GPS參考站系統的建設就采用了主輔站技術[12]。對VRS、FKP和MAC三種技術的對比分析見表1。

表1 幾種網絡RTK技術的對比

2.3 CORS的坐標轉換

通過 CORS系統得到的流動站的初始坐標是WGS-84坐標，而在實際生產中一般需要的是國家或地方坐標，因此就產生了坐標轉換的問題。

一般方法是先按區域求出轉換參數，然后利用轉換參數進行坐標轉換。目前求解坐標轉換參數的方法有兩種：一是將測區控制點的 WGS-84坐標和地方坐標直接鍵入到流動站的控制器中，來求取坐標轉換參數；二是控制點若無 WGS-84坐標，可采取現場采集的方法，通過鍵入一定數量控制點的地方坐標，然后在這些控制點上用RTK采集WGS-84坐標，通過點校正擬合出坐標轉換參數。

兩種求解轉換參數的模式有其優點，但對于較大范圍（如一個省或大城市）會造成很多不便。因此有的學者就提出一種新的坐標轉換方法-坐標移動轉換法[13]。其基本思路是：以流動站為中心，采用一定的距離為半徑畫圓，形成一個搜索范圍，選取該范圍內的已知點坐標，求取坐標轉換參數，然后利用這套參數對流動點坐標進行轉換。對于一個區域，不需求取統一的區域轉換參數，只需對每個點按上述思路進行坐標轉換即可。由于在求轉換參數時，并不是一個區域的所有已知點都參與計算，而是根據需要將離中心點(待轉換點)一定距離范圍內的點篩選出來參與求解，距離范圍的設定根據實際情況而定。這樣確定的轉換參數不但轉換精度高，而且也能統一到所需要的基準上。

3 CORS的國外應用及發展

3.1 CORS的國外應用

美國的 GPS連續運行參考站系統 (CORS)。它由美國國家大地測量局 (NGS)負責，該系統的當前目標是：使用戶達到厘米級水平的定位和導航；促進用戶利用CORS來發展GIS；監測地殼形變及電離層中自由電子濃度和分布。截止到2009年9月，CORS站點達到了1370個，并且以每年200站的速度增加以改善該系統的空間覆蓋率。新近建設的站點已具備接收GLONASS信號的功能[14]。

德國的全國衛星定位導航服務計劃（SAPOS）是把當前德國各部門的差分GPS計劃協調統一起來，建立一個長期運行的、覆蓋全國的多功能差分GPS定位導航服務系統。計劃建設200個永久性 GPS跟蹤站，平均密度40 km。

加拿大的主動控制網系統（CACS）。通過 CACS提供的精密衛星星歷、衛星鐘差改正數和基準站的觀測值，在加拿大任何位置使用單臺接受定位可獲得厘米到幾米的精度定位結果。到2006年5月，CACS已擁有14個永久性跟蹤站、12個西部變形監測站和20個區域主動控制站。

日本已建成全國近1 200個GPS連續運行站網的綜合服務系統COSMOS[15]。它在以監測地殼運動和預報地震為主要功能的基礎上，結合氣象和大氣部門開展GPS大氣學的服務。

3.2 國內的發展現狀

在我國，很多城市、省區和行業正在籌劃建立連續運行網絡系統，主要應用領域有：建立并維護一個高質量地心坐標基準，取代常規測量控制網，城鄉GIS系統的實時更新，地球物理與環境監測，公共安全，GPS氣象學，地面施工機械的自動引導，提供實時RTK測量作業服務，提供各種后處理技術服務以及滿足節水、精密農業的需要。深圳市建立了我國第一個連續運行參考站系統 (SZCORS)，目前已開始全面地測量應用。國內已建成投入使用的GPS連續運行參考站網系統有北京、上海、天津、武漢、昆明、深圳、貴陽、河北等。

3.3 國內CORS存在的問題及研究熱點

目前，我國在 GNSS定位技術研發、工程建設水平與國外CORS基本持平，但在基準站網覆蓋范圍、站點密度、服務內容等方面上存在一定差距。又由于管理及政策的原因，缺乏國家級層面對GNSSCORS系統的統一規劃和設計。在美國，2009年美國國家大地測量局已經完成國家CORS網絡和合作型CORS網絡的合并，用戶現在可下載兩種網絡下的數據 [14]。而我國各地CORS基本處于獨立運行的狀態，尚未實現跨行業、跨地區的聯網，這也造成國內的CORS系統之間的追蹤數據不易于統一處理、協調共享。

現在國內外許多CORS研究主要集中在基礎設施建設、系統自動化管理、數據采集域分發、基于網絡的衛星定位技術的開發等方面。具有代表性的項目有IGS跟蹤站網絡、美國NGSCORS、歐洲EPN永久性連續網及國內的中國地殼運動觀測網絡CMONOC、中國沿海無線電指向標－差分定位系統 (RBN-DGPS)等[16]。需要注意的是，近年來我國地質災害頻發，造成了重大的人員傷亡及財產損失。如何利用CORS對地質多發地帶進行有效的監測并嘗試建立預報機制，也是一大研究熱點。新西蘭的 LINZ CORS[17]在全國已建成32個CORS站用于檢測地殼板塊活動，而中國地殼運動觀測網絡建成遍布全國的主要用于地殼運動的準實時監測與事后處理分析的25個長年GPS基準站顯然是不夠的。在地質災害監測方面，我們可以借鑒日本GEONET系統，眾所周知日本是地震多發的國家，他們在利用GPS連續觀測監測地殼變化方面已經取得一定有效的成果。我國目前雖不能建立覆蓋全國的高密度的連續運行參考站，但是在地質災害多發區域率先建立高密度GPS觀測系統是可行的。此外，合理協調利用地方CORS系統也是解決問題的有效途徑。

4 結 語

連續運行多基準站差分網絡將是21世紀GPS發展的熱點，它集成了衛星定位和通訊、有線及無線網絡、氣象采集等技術，形成了一個不間斷地面信息源采集系統，成為坐標框架建設和維持的主要技術手段和基礎設施。現在CORS在測繪領域、地震監測、氣象輔助預報、規劃建設、交通導航、災害防治等領域正發揮重要的作用。雖然目前我國CORS建設仍存在建設利用單一，資源共享難等問題，但卻正在沿著正確的方向改進并前進著，即如何在專業應用網和區域參考站網建設的基礎上，實現面向全國、為全國各行各業提供服務的國家級CORS系統。

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Summarizing the Development of Continuous Operational Reference System

by Zeng Chao

As is a research highlight in current study of Global Navigation Satellites System(GNSS),Continuous Operational Reference System(CORS)represents the development direction of GNSS.This paper expounded the principle and structure of CORS,and stressed the main points such as VRS,coordinate-conversion,its development including home and abroad,existing problem and research highlight.

CORS,VRS,Coordinate-conversion,location （Page:53）

P228.42

B

1672-4623(2011)01-0053-04

2010-07-19

項目來源：國家自然科學基金資助項目（40704001）。

曾超，碩士，從事GPS數據處理研究。