基于重慶市GPS綜合服務系統進行實時獲取地方坐標測量方法探討

肖勇 ，吳寒，高翔，夏定輝，張黎

(重慶市地理信息中心，重慶 401121)

1 前 言

目前全國大部分連續運行衛星定位服務系統即CORS 系統作為城市空間數據的基礎設施建設，其基本僅直接提供WGS84 坐標實時獲取服務，若需獲取實時服務則有兩種常用方法:一是在移動站手簿上設置相關坐標系及WGS84 與地方坐標系間的轉換參數;二是將實時獲取的WGS84 坐標發送指定服務中心進行處理。這既違背保密規定，又必備相關實施的前提條件，同時浪費人力、財力、嚴重影響了作業效率。

重慶市GPS 綜合服務系統(簡稱“CQGISS”)［1，2］已為重慶的現代化時空基準體系，從2006年開始已經為高效率、高精度、實時動態地獲取空間位置信息提供服務，為充分發揮CQGISS 的作用，直接滿足用戶的需求，既保證空間基準服務質量，又需要符合國家基礎測繪成果保密的要求。由此在CQGISS 基礎上擴展開發“基于VRS 技術的重慶GPS 實時測量平臺”進行實時獲取地方坐標測量的探索并完成試驗，它拓展城市參考站網絡的服務方式。本文深入分析CORS 之VRS模型的工作原理，開展了在滿足參數保密條件下的實施獲取地方獨立坐標的方法探索。

2 CORS 之VRS 技術的工作原理

虛擬參考站VRS(Virtual Reference Stations)技術就是利用多個參考站組成GPS 連續運行參考站網絡(CORS)［3，4］，綜合利用各參考站的衛星觀測數據，通過建立相應誤差模型來修正相關誤差，在收到流動站請求后在其附近產生一個虛擬參考站VRS，由于虛擬參考站通過流動站用戶接收機的單點定位解來確定，因與流動站構成基線一般只有十幾米，流動站接收CORS 平臺發布的差分電文如CMR、RTCM23、RTCM30 進行改正，即可獲取厘米級的坐標解，從而實現RTK 服務。其基本工作原理主要分為兩個部分:一是系統服務部分，計算中心通過各參考站實時的GNSS 原始觀測數據，實時解算并建立誤差模型;二是流動站將自身位置坐標通過無線移動數據鏈路(如GPRS、CDMA)傳送給數據控制中心，控制中心在流動站附近位置創建一個虛擬參考站，通過內插得到虛擬參考站各誤差源影響的改正數，并通過CMR、RTCM23、RTCM30 等電文傳輸給流動站，使之RTK［5］定位達厘米級如圖1所示。

圖1 基于VRS 的流動站差分工作原理圖

3 基于CORS 系統之VRS 模型實時獲取地方坐標成果的探索

3.1 研究地方坐標系參數對坐標轉換精度的影響

地方坐標系一般包括參考橢球、高程投影抵償面、中央子午線，北東偏移量等參數。筆者首先以某城市坐標系為例，研究高程投影抵償面、中央子午線、北東方向偏移量調整后再計算轉換參數，探索該方法對坐標轉換精度的影響，如表1所示。

表1 同名點

將該地方坐標系的高程投影抵償面、中央子午線、北東方向偏移量等實施改變形成一個虛擬坐標系Z，變化量分別為:△H、△L、△N、△E，重新計算轉換參數T。再采用虛擬坐標系Z 和轉換參數T 完成坐標轉換，最后進行坐標比較，如表2所示。

表2 坐標轉換較差表

通過一系列實驗看出，地方坐標系參數在一定范圍進行變化時，盡管變化量較小，也足以使轉換參數改變較大，尤其是旋轉量，但對坐標轉換結果的影響較小。經過分析:盡管坐標系參數發生變化會導致轉換參數較大變化，但在手簿進行差分運算時，可能會導致程序判定轉換參數不合理而使運算結果錯誤。經過測試在天寶GPS 手簿計算時，如果旋轉參數太大，其測量成果與計算機理論計算成果較差達十多厘米。

要解決旋轉參數變化大的問題，筆者探索將地方坐標Z0 與虛擬坐標Z 同一個點的空間坐標差值△計算出，并將此差值△改正到VRS 的坐標值中，從而改善了旋轉角度過大問題。

3.2 實時獲取地方坐標的系統實現

在目前CORS 系統下實時獲取地方坐標成果，可從以下3 個方面著手，一是更新CORS 系統處理中心建立中心化網絡RTK;二是流動站手簿植入可保密服務含參數的專門測量程序;三是在流動站與數據中心之間進行技術改進。

以重慶市GPS 綜合服務系統為基礎，從CORS 的核心入手，通過編程建立實時服務平臺在坐標系參數和轉換參數保密的前提下實時獲取地方坐標系成果，對流動站與計算中心之間進行改進。在流動站與CORS 計算中心之間進行數據交互過程的進行流程改進。在重慶CORS 系統的計算中心和流動動站之間，增設一個中間服務器，分別與服務器和移動站實現雙向數據通訊，通過對它們之間的通信信息解碼，獲取與調整VRS 的坐標(X，Y，Z)。通過將地方坐標Z0 與虛擬坐標Z 同一個點的空間坐標差值△與對VRS 的坐標進行糾正，形成一個新的VRS1 的坐標(X－△x，Y－△Y，Z－△Z)，將VRS1 反饋至通信中，由流動站手簿進行配合相應虛擬坐標系參數和轉換參數以實現實時獲取獨立坐標系成果，原理如圖2所示。

圖2 改進后流動站差分工作原理圖

以此原理采用關系數據庫、ArcSDE 空間數據引擎建立可實現對空間信息的集成管理，嚴格遵循數據層/邏輯層/表現層的三層體系結構，提供參數管理、數據處理、電文編碼解碼、用戶監控、用戶管理等功能，既滿足用戶對平面和高程定位成果的實時需求，又滿足管理部門對用戶管理的要求的建立實時服務平臺［6］，其設計架構如圖3所示。

圖3 平臺設計總體框架

4 試驗探索

為探索實時地方坐標測量的可靠性，筆者在重慶市的都市區、渝東北、渝東南3 個區域以2012年重慶市現代基準［7］成果為依據分別進行都市坐標系、渝東北坐標系、渝東南坐標系進行實時測量實驗，其總體分別范圍如圖4所示:

圖4 實驗區域分布

在重慶市整個區域范圍內從2012年4月～2012年11月，筆者組織相關人員及測量單位分別采用天寶、徠卡、南方等公司的網絡RTK 功能接收機進行實驗，完成2 752點位實驗，分別采用真參數和虛擬參數兩種方法同時測量，獲取各自地方坐標系成果，然后坐標較差比較，統計出不同區域不同電文格式的實驗測量精度，如表3～表6所示

表3 都市區實驗1012 點坐標較差均值表

表4 渝東北實驗830 點坐標較差均值表

表5 渝東南實驗910 點坐標較差均值表

表6 實驗總體精度統計表

該實驗數據表明:該方法能夠實現在重慶市區域的實施地方坐標測量，對于不同的電文格式的效果基本沒有差異，同時對不同的接收設備均兼容。其既實現了坐標系參數和坐標轉換參數的保密，又可使測量成果精度是滿足相關規范要求。

5 結 語

本文通過重慶市GPS 綜合服務系統運行原理剖析，實現數據流程的改變，在VRS 坐標信息作適當的改變，在不改變本系統的運行核心軟件的前提下，使用戶不能獲取WGS84 的真實坐標，同時在流動站手簿上設置配套的偽虛擬參數，實現了在不發布真參數的情況下獲取地方坐標系，又可極大提高了用戶作業效率，同時又能夠廣泛應用，本文所做的探索推動CORS 系統的向更深入領域應用，可為其他CORS 系統推廣應用借鑒。

［1］羅靈軍，徐永書，夏定輝等．重慶市連續運行衛星定位綜合服務系統(CQGISS)建設［J］．測繪科學，2007(6):164～166．

［2］張黎，徐永書，夏定輝．重慶市GPS 綜合服務系統的網絡建設［J］．全球定位系統，2009(1):54～57．

［3］譚志彬，戴連君，過靜君．北京市全球衛星定位綜合應用服務系統［J］．測繪通報，2004(8):38～40．

［4］郭萬里，張永，王小剛等．城市GPS 連續運行參考站網(CORS)應用綜述［J］．PEARL RIVER 人民珠江，2008(1)．

［5］高磊，楊艷鋒，董國橋．對昆明市GPS 參考站升級為GPS/GLONASS 雙星系統后RTK 測量的分析研究［J］．城市勘測，2009(1):52～55．

［6］夏定輝，周玉清，高翔等．基于VRS 技術的重慶GPS 實時測量平臺建設實現［J］．地理空間信息，2011(6):46～52．

［7］楊本廷，謝征海．淺談重慶市現代測繪基準體系建設［J］．城市勘測，2013(6):70～72．