鞍山市連續運行參考站系統建設與定位精度分析

馬洪濱，孫 軍，周海壯，陳永生

（1.東北大學 資源與土木工程學院，沈陽 110819；2.沈陽天信測繪科技有限公司，沈陽 100016）

1 引言

城市數字化和數字城市是現代城市的發展趨勢，城市空間信息基礎設施是數字城市的基礎［1］，鞍山市連續運行參考站 （簡稱ASCORS）網絡系統是鞍山市城市空間數據基礎設施的重要組成部分，其基本任務是在鞍山建立一個高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的GNSS綜合信息服務網，把CORS這一高新技術綜合應用于鞍山市的大地測量、工程測量、地籍測量、土地勘測、氣象測量、地震監測、地面沉降監測以及城市地理信息系統等領域。同時兼顧社會公共定位服務，以滿足日益增長的城市綜合管理與城市化建設的需要，為促進鞍山市經濟又好又快地、持續地健康發展提供空間基本信息。它將在數字鞍山的建設和鞍山市的國土資源管理與勘察、城市規劃、建設、管理中發揮巨大的作用［2-3］。

2 鞍山市連續運行參考站網絡系統的建立

2.1 系統概述

鞍山市連續運行參考站系統是由鞍山市國土資源局主管，武漢大學提供系統運行軟件開發和技術支持，鞍山市國土資源勘測設計院和東北大學測繪系負責組織實施建設。自2008年4月開始啟動以來，分兩期建設 （前期4個站，后期3個站），歷經2年多的建設，于2009年9月投入試運行，2011年7月正式投入運營。整個系統由1個控制中心 （位于鞍山勘察測繪院機房內）和7個參考站組成 （分別為鞍山科大站、岫巖石廟子站、大營子站、新甸站、海城的孤山子站、西四站和臺安站）站間平均70km。覆蓋鞍山市全境以及周邊一萬四千多平方千米。系統參考站和系統中心分布見圖1。

圖1 參考站分布圖

2.2 系統建設

鞍山市連續運行參考站網絡系統建設主要包括參考站子系統、通訊網絡子系統、系統控制中心與數據處理子系統以及用戶應用子系統等［4-7］。

（1）參考站子系統

鞍山市連續運行參考站子系統在分析了CORS參考站網形的空間均勻性以及站間距離的合理性的基礎上，由GNSS接收機、雙頻扼流圈衛星天線及天線保護罩、大容量記憶卡、墩標、不間斷電源、通訊網絡、雷電防護及其它所需電纜及配件等設備組成。可以24h不間斷的接收衛星信號，提供高質量的衛星偽距、相位觀測值、星歷等數據信息。以滿足各參考站所覆蓋區域的不同精度、不同類型差分定位的需要以及參考站網絡對參考基準維持的需求。

（2）系統控制中心

系統控制與數據處理中心是整個ASCORS的核心單元，中心由計算機網絡系統、軟件系統等組成，與各參考站之間依靠網絡、TCP/IP方式相連。作為整個系統的核心，ASCORS控制中心具備以下功能：數據處理、系統運行監控、信息服務、網絡管理、用戶管理。根據需要，控制與數據處理中心子系統建在鞍山市國土資源勘測設計院辦公樓內，組成獨立的局域網，同時配備4臺計算機工作站與7臺ASHTECH公司生產的GNSS參考站接收機相連，用于遙控和數據采集。其中解算采用兩臺服務器并行運行，增加整個系統的備用性。各接收機與數據中心之間的通訊采用光纖或ADSL專線 （固定IP）。有條件的地方采用光纖通訊，無光纖的地方采用ADSL專線通訊。通過網絡與每個參考站接收機進行通訊，并與其它計算機實現數據共享，支持臺站網軟件進行數據發布并通過Internet（NTRIP）發送RTD、RTK等差分數據給流動站用戶。

（3）數據通訊子系統建設

ASCORS數據通訊子系統主要分為兩部分，一部分用于連接參考站和系統控制中心，另一部分用于連接系統數據中心和用戶應用系統，在數據通訊子系統的連接下，ASCORS可以實現所覆蓋范圍內的聯網及數據交換。在ASCORS參考站與數據中心間的數據通訊構建中，為7個GNSS參考站和數據中心申請1條光纖和6條ADSL專線寬帶線路，并配有固定IP地址的Internet接入。在ASCORS數據中心和用戶應用系統數據通訊構建中，考慮了兩方面的數據需求。一是實時RTK數據播發的數據通訊，二是事后用戶靜態數據下載。對于實時RTK數據播發，流動站用戶可以使用調制解調器，通過GSM/GPRS來接收RTK改正數據。對于事后靜態數據的下載，ASCORS系統將GNSS參考站的數據文件或其他數據檢查報告和事件記錄文件匯總到數據中心，數據中心記錄文件并發送到指定的FTP或Web地址。用戶可通過Internet下載必要的數據。

（4）用戶應用子系統

ASCORS的用戶按照應用的精度不同，可以分為毫米級用戶系統，厘米級用戶系統、分米級用戶系統、亞米級用戶系統、米級用戶系統。按照應用目的不同又可分為：國土資源系統專業用戶 （遍布以上所有精度范圍），測繪與工程應用用戶 （厘米與分米級），車輛導航與定位用戶 （米級），高精度用戶 （事后處理）等幾類。系統的基本構成是接收數據鏈、GNSS接收機和中央處理器。按照不同的應用需求，可能還要求具備電子手簿，電子地圖、回傳數據鏈等設備。用戶單元的設備結構如圖2所示。

圖2 用戶單元的設備結構

3 系統測試

為全面驗證系統各項技術指標，評定系統是否達到設計要求，2009年11月19日～2009年11月26日鞍山市國土資源勘測設計院和東北大學測繪系組織人員從系統定位精度、定位服務的時效性、空間可用性、時間可用性以及對各種主流GPS接收機的兼容性等方面進行了測試。在已做好的基準框架網中均勻選取20個點作為檢測點。檢測點基本包括了鞍山市所有區域，既有網內點又有網外點，具有較強的代表性。GPS C級基準框架網共130個點，除去7個CORS站點，共123個GNSS C級網點。檢測點的比例占到整個基準網點16.2%。

3.1 初始化時間分析

系統定位服務的初始化時間，即為RTK實時定位的時效性。測量原始數據是由若干個初始化段組成的。初始化時間一般由觀測環境、儀器質量以及系統的穩定性決定。

在ASCORS動態定位測試中，記錄了不同型號接收機初始化時間。從測試的結果來看，接收機型號不同其初始化時間也不相同，其中Z－x平均初始化時間為18.332s；Z－max平均初始化時間為16.523s；PM500平均初始化時間為14.325s。在整個測試過程中，采用GPRS作為流動站的通訊方式。

3.2 RTK定位精度分析

RTK定位精度測試是為了檢測出在實時動態作業條件下，利用系統播發的網絡RTK改正信息，通過區分RTK接收參考站差分信息時間的長短進行對比分析，分析待定點的點位精度情況，可以得到的實時定位服務精度及其隨時間的變化情況。同樣對于12個已知等級點進行網絡RTK定位測試。首先選用不同廠家當時最新型號的接收機進行數據采集精度測試，結果幾個知名的老GNSS廠家在相同的時間內精度無明顯差別，這里沒有列出，而同一型號的接收機在不同的數據采集時間其精度卻不相同，這里將某型號接收機在12個已知點上分別用30s、60s、300s、900s、1 200s采集數據的平均定位精度計算結果分別為：0.015 75mm；0.012 75mm；0.011 67mm；0.008 75 mm；0.008 17mm，通過定位結果我們可以看出網絡RTK定位精度，與觀測時間有關，觀測時間越長，RTK定位精度越高，同時隨著定位時間的延長 （15min左右），精度越趨向穩定，變化幅度減小。這樣就可以根據具體測繪項目的精度要求確定其觀測時間，從而產生同精度同作業方法可以有不同技術要求的新作業。但也可看出一個事實，一旦RTK出現固定解，再增加的數據采集時間對提高定位精度影響不是很大。

RTK精度測試的12個點是為鞍山建立CORS空間框架系統中用靜態方法觀測解算的國家C級GNSS點，均勻分布在ASCORS的各個區域，但每個點都是隨機選擇的，每個點上按照不同時間進行數據采集，僅分析了不同時間間隔數據采集與定位精度之間的關系，沒有分析不同方式采集的數據以及在網內不同位置采集的數據對定位精度的影響，為更全面的考核CORS系統的可靠性、穩定性等還需做進一步的分析。

3.3 定位成果的數據統計與分析

ASCORS觀測數據成果定位精度指標主要有內符合精度和外符合精度。內符合精度反映了觀測數據的質量，外符合精度反映了ASCORS在實際參考框架網中定位生產作業的精度，參考框架網是GPS C級網。

檢測方法是不同時段多歷元的靜態已知點檢測法。在每個已知點位上分別觀測兩個時段，數據采樣率為1s。每個時段撥號兩次，每次撥號得到固定解后開始記錄測量結果，連續觀測一定時間，記錄一組測試數據 （一般30個歷元以上），然后掛斷重新撥號記錄另一組同樣觀測時間的固定解結果。

（1）內符合精度

系統內符合是各個歷元觀測值之間的比較，也是觀測值誤差收斂程度和穩定性的體現，在工程測量中，是觀測點位精度的主要參考指標，統計內符合精度有利于分析系統穩定性。內符合精度數據采集以及計算方法為：在同一點上分別采集100個歷元的RTK固定解數據，計算每一測點所有測量值的平均值，再將該平均值與每一測量值求差。統計所有差值的分布情況，并對差值在不同區間的概率進行統計，同時依下式分別計算系統在X，Y，H方向的內符合精度。

誤差方程為

其中，L為觀測值，為觀測值的平均值，因其為等權觀測且為單位權，根據最小二乘原理得

內符合精度為

其中，n為每一點觀測值總數，Δ為觀測值與相應測試平均值的差值M1為系統的內符合精度，反映系統實時定位的穩定性和系統的收斂性。

以網內DGTT一點來進行算例分析：DGTT點位于網內，距離主站AS站16km，如圖3所示

圖3 內符合參考站分布

表3 DGGT點測試點數據

ASCORS的內符合數據采集結果如表3所示，精度統計如表4所示，從表中得知平面坐標內符合精度約1cm～3cm，最大值不超過4cm；高程內符合精度約為2cm～4cm，最大值不超過5cm；高程的內符合精度比平面坐標低，集中在2cm～4cm分別占90%和80%，而平面坐標內符合精度主要集中在1cm～3cm，占到90%左右。從結果上還可以看出雙頻雙星接收機與雙頻接收機RTK采集數據精度沒有明顯的區別。

表4 內符合精度統計表

（2）外符合精度分析

外符合精度是評價CORS系統的可靠性與商業可操作性的重要依據，計算外符合精度應用靜態已知點檢測的方法，將CORS觀測值與靜態觀測的C級已知坐標值進行比較，即可得出各測點的外符合分布情況，再計算系統在x，y，z方向的外符合精度

和內符合精度測試一樣，我們同樣選擇一些點進行分析，如圖4：SZ3距離AS站30km，XS距離其45km，兩者皆在網內。

而LG點距離AS站25.3km，且為網外。根據ASCORS的組網原則，AS站為SZ3和LG的主站，而HC站為XS的主站。在這三個點上每個點上獨立 （每次都重新開機關機初始化）采集數據33次，通過三個站共組成100個測試數據。

圖4 外符合參考站分布圖

表5 外符合測試數據

將100個實測值與已知值進行比較，得出每點的差值，即外符合誤差如表5所示。ASCORS的外符合精度統計如表6所示，從表6中可知，平面坐標外符合精度控制在2cm～4cm，最大值不超過5cm；高程外符合精度約為2cm～4cm，最大值不超過5cm；系統精度較高，比較穩定。能夠滿足大比例尺地形圖和土地規劃的需要。

表6 外符合精度統計表

3.4 內插與外推精度分析

在CORS應用中，由于基準站網大小或者基準站個數的限制，流動站用戶作業時的位置可能處于基準站所構成三角形網的外部，相比于在基準站網內部進行幾何內插，其外推的定位精度就會有所差異。針對用戶這兩種不同情況，結合ASCORS，從數據精度的角度出發，詳細分析和比較內插和外推流動站綜合誤差的精度差異。

圖5 流動站示意圖

實驗數據來自ASCORS系統，采集時間為2009年11月12號，采樣間隔15s，采樣2h。在7個基準站觀測數據中首先選取AS，XY，HC3個基準站構成的三角形為基準站網，以AS站為主站，分析DS點的內插精度。然后選取AS，HC，TA三個基準站構成三角形，分析DS的外推精度。點DS距離主站AS站28.4km。如圖5，我們任意選取一對衛星 （G02、G27），解算出內插和外推的雙差綜合誤差 （如圖6、圖7）。

從圖6可以看出，采用內插算法所內插得到的雙差綜合誤差，其值隨歷元變化的整體趨勢與解算值有一小段偏差量，外推AS－DS綜合誤差在歷元中的走勢與解算值相差比較遠。

為了更詳細比較內插和外推兩者精度差異，將實驗中內插出的綜合誤差與和外推的綜合誤差進行了統計。統計顯示，內插方法的差異90%部分在±0.02m，5%的誤差超過±0.02m，總體誤差在±0.04m以內，而外推形式下的誤差超過±0.04m的數量占到了20% ，總體誤差在±0.08m以內，容易看出，在構造區域中同一點的綜合誤差時，內插構造的精度會優于外推時的精度。

所以可以看出，在進行CORS作業時，內插所得的綜合誤差可以相當準確地反映綜合誤差變化情況，內插所得的綜合誤差相比外推更能真實并準確地反映出了誤差的變化情況。由此，在建設CORS系統時，在保證基準站之間的距離不能過長和用戶定位精度的同時，也要考慮到該系統所能覆蓋的網內用戶作業范圍。

圖6 AS－DS內插綜合誤差 （m）

圖7 AS－DS的外推綜合誤差 （m）

3.5 定位穩定性分析

定位穩定性即時間可用性是針對系統提供的CORS實時定位服務而言。它在一定程度上受客觀因素的影響，當由于衛星運動、大氣變化、系統本身穩定性等原因造成某時刻系統可用衛星數達不到CORS定位服務所需的最少衛星數或者系統本身無法結算時，系統將無法提供有效的網絡RTK定位服務。

測試方法：選擇一個固定點，利用Z－max雙頻GPS接收機連續觀測24h，以GPRS為通訊方式，采樣率1s，采集CORS固定解數據，天頂角設為10°根據應測固定解數與實測固定解數，統計丟失固定解和丟失率，用以統計系統在時間上的可用性，觀測完成后統計ASCORS系統可用性為97%。

3.6 兼容性分析

系統的兼容性決定該系統是否能更好的進行商業化以及與不同系統的融合，ASCORS兼容性測試過程中，參加測試的儀器有ASHTECH公司的Z－x，Z－Max，PM500，及國產設備和其他進口GPS設備。測試表明都能得到穩定可靠的固定解，平面精度小于3cm，高程精度小于5cm。

4 結論

（1）ASCORS網絡系統采用改進型綜合誤差參考站技術，基于光纖和ADSL專線網絡，低成本通訊技術這一創新方案，大大降低了通訊費用，同時保證了系統的可靠性、穩定性、可用性和高精度。平面平均誤差2.1cm，高程平均誤差4.6cm。

（2）通過各種方法對系統精度進行測試，結果表明：內符合精度高于外符合精度1cm～2cm，但不成規律分布；同一點位不同時間段所有測試值與已知坐標的差值均在±0.04m范圍內，所有測試值坐標分布在±0.01m～±0.05m范圍內。

（3）ASCORS系統的空間可用性良好，在初始化分析中，RTK首次初始化約30s；系統數據兼容RTCM2.3，RTCM3.0及CMR/CMR＋中任何一種差分改正數據格式。區域內插精度明顯高于外推精度，系統RTK的有效工作范圍可從網邊緣外推至網外30km左右可滿足各類工程測量的要求。

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