虛擬參考站系統建設及蘇州似大地水準面的應用

◎ 蘇州市規劃編制信息中心 李 宏

1、引言

信息化是蘇州面向21世紀發展的新主題和新動力，隨著經濟的迅速發展，蘇州的城市面貌日新月異，城市信息化、數字化建設已成迫切。蘇州市委、市政府根據全球信息化發展的趨勢和特點，適時地提出了建設“數字蘇州”的戰略措施，建設基于全市服務的基礎地理信息平臺，實現蘇州市政府部門間基于信息同步的信息交換和共享，進一步為政務工程的協同督辦和綜合決策提供支持服務。而基于傳統測量方式的地理空間信息的獲取和管理方法越來越不能滿足城市建設的需要，于是蘇州市連續運行參考站系統應運而生。它是一項重要的城市空間數據基礎設施，可滿足不同行業用戶的需求，具有降低成本、縮短作業時間、提高測量效率和定位精度等優勢。它將在“數字蘇州”的建設和蘇州市的城市規劃、建設、管理中發揮巨大的作用。

2、虛擬參考站

連續運行參考站系統（Continuously Operating Reference Stations，CORS）是在一定的區域內以一定的間隔建設若干永久性連續運行的GNSS衛星定位跟蹤站。通過數據通信網絡，如因特網、衛星通信網或無線電廣播網、蜂窩數據非分組交換網（CDPD）等，向各類需要測量定位、導航、定時或其他延伸性研究開發需求的用戶提供跟蹤站站點坐標和衛星跟蹤數據，以滿足各類不同行業、不同用戶對精密定位、快速和實時定位、導航、授時、守時、時間同步的要求，諸如城市規劃、土地管理、房產調查 、環境監測、防災減災、交通控制、精密農業、以及電力和通信網時間同步等多種社會需求，提供及時的空間定位基準。

Trimble虛擬參考站（VRS）系統，是當前世界上應用最廣、最成熟的GPS網絡系統。VRS技術是應用網絡內所有GPS基準站的數據，生成整個網絡區域內的動態模型，為整個網絡覆蓋范圍內的用戶提供差分數據，同時，對于網絡覆蓋外的一定區域，也能提供同樣精度的差分改更信息。VRS可以滿足用戶以最少的投資建設覆蓋最大范圍應用網絡的需求，但為了保證達到最好的使用效果，用戶應在覆蓋范圍內建立一定數目的基準站。

VRS系統由連續運行參考站網、系統控制與數據中心、數據通信網絡以及用戶應用系統四個部分組成，各基準站與監控中心間通過數據傳輸系統連接成一體，形成專用網絡。

連續運行參考站網：由連續運行GPS參考站和相應的數據傳輸設備組成，負責采集GPS衛星觀測數據并輸送至監控中心。

系統控制與數據中心：系統的控制中心，用于接收各參考站數據，進行數據處理，形成GPS參考站網絡模型，并記錄各參考站的原始數據，響應用戶的需求，通過因特網、無線電臺、GSM數據業務、GPRS或CDMA等方式向用戶發布實時差分數據或為用戶提供后處理數據。

數據通信網絡：分為兩種，一種是連接各參考站和控制中心，將參考站數據實時傳輸至監控中心；另一種用來連接用戶應用系統和監控中心，為用戶提供實時、事后服務。

用戶應用系統：用戶使用網絡數據進行應用的相應軟件和硬件，如RTK定位系統、DGPS定位系統、定位數據事后處理系統，及自主式導航系統和監控定位系統等。

3、蘇州VRS系統設計建設

蘇州VRS系統網絡體系是覆蓋蘇州全市，以數據中心為中心節點的星型網絡。數據流分為內部和外部數據流兩類，內部數據流是指在系統內部交換的流量數據，不對外公開；外部數據流是蘇州VRS系統與用戶間進行交換的流量數據，這兩類數據通過各子系統進行處理變換。系統中各類數據的流動和控制全部自動完成，無須人員干預，當數據流發生阻塞時，系統嘗試失敗后會提示報警，以使操作員排除故障，恢復運行。

蘇州市規劃局的VRS系統在全蘇州地區建立了七個連續參考站，并建設了兩個互為備份的數據中心，數據中心通過MSTP光纖與各參考站連成網絡。

VRS（虛擬參考站系統）的工作流程如下：

◇ 各GPS基準站的實時觀測數據實時的傳遞到控制中心運行GPSNet軟件的服務器；

◇ 控制中心服務器定時下載精密預報星歷；

◇ GPSNet軟件監測各基準站的數據，將數據和精密預報星歷對比，檢查數據質量，剔除較差的數據，篩選用戶自定義數據信息（高度角等），進行周跳修復等數據處理；

◇ 處理后的數據進入同步處理模塊，所有數據進入相應數學模型，根據所有數據生成星歷改正、電離層模型、對流層模型等，等待移動站請求信息；

◇ 移動站請求實時差分改正，將單點定位信息發送到控制中心GPSNet服務器；

◇ GPSNet服務器在每一個移動站發回的位置生成一個虛擬參考站，并發送實時差分信息。

系統運行界面如下圖所示：

4、蘇州似大地水準面精化

蘇州市虛擬參考站網的建設成功，提供了直接測定地面點大地高的精密技術, 目前精度可達厘米級, 若已知厘米級精度大地水準面, 由一點的大地高與大地水準面高之差可得該點的正高, 目前可以代替國家四等水準或三等水準測量, 這一GPS水準測高技術的進一步發展將要求不斷提高大地水準面的分辨率和精度, 使其能和GPS垂直定位及等級水準測量精度相匹配。

蘇州市規劃局和武漢大學合作，在蘇州似大地水準面計算中，采用了1048個點重力數據和蘇州的51個高精度GPS水準資料和蘇州及其周邊的9個江蘇省C級網GPS水準成果，并以地球重力場模型EIG03C作為參考重力場，由第二類Helmert凝集法完成了大地水準面的計算。重力似大地水準面與獨立的51個高精度GPS水準資料比較的精度為±0.015m，利用球冠諧調和分析方法將重力似大地水準面與GPS水準聯合求解得出的2′30″×2′30″格網似大地水準面其精度達到±0.006m。

5、結論

蘇州高精度局部似大地水準面及高精度GPS虛擬參考站網成果，不僅可以建立與國家大地測量坐標相一致的精確的區域大地測量平面控制框架，而且結合高精度GPS虛擬參考站網大地高可以快速地獲取地面點的水準高程，將極大地改善傳統高程測量作業模式，滿足長距離二等水準測量的精度要求，從而使費用高、難度大、周期長的傳統低等級水準測量工作量減少到最低限度。似大地水準面成果結合GPS測量可以滿足目前1∶10000、1∶5000、1∶2000、1∶1000和1∶500大比例尺測圖對高程精度的需要，為加快“數字蘇州”和各種基礎測繪、國土資源、水利、交通、生態環境保護等工程的建設，具有特別重要的科學意義、社會效益和巨大的經濟效益。