VRS技術與PPK的作業方法在西藏CORS系統中適用性驗證

黃訓兵 王濤

（西藏自治區測繪院，西藏 拉薩 850000）

0 引言

當前，在現代測繪基準體系當中，全球衛星導航系統（GNSS）連續運行參考站（CORS）是最為具有基礎性的工程之一。與其他測量手段相比，基于CORS 的測量在精準度和測量效率上具有一定優勢，而我國的CORS 的網絡RTK 除西藏以外的地區應用較為廣泛。由于西藏通信網絡覆蓋率低、CORS 建設維護狀況相對落后等一系列原因，西藏CORS的使用率相對較低。虛擬參考站法（VRS）技術與事后差分動態處理方法（PPK）是目前比較成熟的技術，將這兩種技術結合起來運用或將適合西藏區域特點，驗證VRS與PPK 相結合的作業方法在西藏CORS 系統中的適用性，對于推廣西藏CORS 的應用，對發揮西藏CORS 服務西藏社會經濟發展有著很強的現實意義。

1 西藏CORS應用的現狀

目前，西藏CORS 系統的應用水平遠落后于區外省份。主要表現為：（1）西藏基站相對較少，2019 年前，投入使用的只有少量現代基準的陸態網絡基準站[1]，2019 年底，新建的30 個GNSS CORS 開始投入運行。目前，接收機主要為南方SOUTHNETS9、天寶（Trimble）NETR8/9系列。（2）西藏CORS系統的運行狀態有待提高，主要原因是維護經費和人員較少、氣候環境惡劣、維護難度大等，目前，仍有部分基站數據需要人工拷貝數據，西藏CORS 每天平均觀測時長為23.41h，95%的分位點為23.35h；平均數據有效率為96.90%，95%的分位點為96.96h；數據連續性方面中斷比例達19.56%[2]。（3）數據使用率相對較低，目前僅有36 家單位注冊使用相關服務。西藏CORS 系統實時對外發布服務從2019 年年底才正式開始，起步較晚，作業單位更習慣采用傳統RTK 測量的作業方法，使用CORS 系統的作業生產的習慣尚未培養形成，使用意愿不強烈。

2 西藏CORS應用的展望

2.1 VRS技術在西藏CORS系統應用的初步探討

多基站差分是現在和未來GPS 發展的一個重要方向，用于多基站差分系統的數據處理方法將會是多樣化的，作為對數據進行處理的有效手段，虛擬參考站法(VRS)表現出了許多的優勢，目前是世界上應用最為廣泛的一種網絡RTK 技術，因此有其存在的價值，該方法也會有進一步的發展。使用VRS解算模型的軟件有Trimble公司的GPSNet、Topcon公司的TopNet、南方測繪公司的Venus。

VRS 工作原理和流程如下：（1）多個參考站將觀測數據實時傳送至數據中心。（2）數據中心針對從參考站內獲取到的不同基線所具有的載波相位全周期模糊度數值進行在線計算和解析。（3）計算出參考站各個網絡的整周模糊度以后，通過參考站（網）相位觀測所得的數值進行不同基線造成誤差源頭的具體或者整體誤差造成影響的數值，以此為基礎進行空間參數模型的構建，主要參數包括對流層、電離層、軌道誤差等有關距離所存在的誤差。（4）流動站利用通過單點定位粗略的坐標（NMEA-0183 格式）經由數據鏈路向數據中心進行傳輸，利用流動站單點定位的概略坐標進行虛擬參考站（VRS）的創建，隨后利用用戶、參考站以及衛星之間存在的幾何關聯，通過內插計算，獲取到VRS上對不同誤差源產生影響的改正值，并以RTCM的格式依據差分改正數據向流動站用戶進行發送。（5）數據中心在將差分改正數據傳送給用戶以后，流動用戶通過差分解析計算確定修正后的位置。在這一運行模式下，流動用戶站跟VRS 之間形成短基線，因為控制中心對參考站獲取到的觀測值進行模擬，在物理層面上實際并不存在，因此被叫虛擬參考站[3-4]。VRS具體運行原理見圖1。

在未來幾年內，我們國家除西藏以外的地區已廣泛應用基于VRS 技術的CORS 網絡RTK 服務，還難以在西藏CORS系統中實現應用。主要瓶頸為以下三個方面：（1）部分西藏CORS 因為硬件條件的限制，觀測數據依賴人工拷貝，無法實時傳送回數據中心。（2）目前西藏CORS 尚未組網，只能滿足單基準站差分服務的需求，基于VRS技術網絡RTK需要多個（三個以上）CORS的實時觀測數據參與距離相關誤差的空間參數模型的解算。（3）基于VRS技術網絡RTK，需要建立信息中心與用戶實時的雙向數據傳輸鏈路，西藏地廣人稀，通訊設施建設的水平與其它省份差距巨大，還存在著很多無線網絡盲區或不穩定區域，制約了基于VRS技術網絡RTK的應用。

針對以上三個方面的應用瓶頸，事后差分動態處理方法（PPK）或可很好的解決。

2.2 PPK在西藏CORS系統應用的優勢

在無線網絡盲區或不穩定區域，用戶無法實時穩定地接收到VRS的差分改正信息，故實時的VRS技術在西藏地區還存在很大據局限性。通過事后在用戶站附近位置生成VRS觀測數據的方法，利用動態定位后處理技術（PPK）實現VRS 與用戶站的事后差分解算，可作為CORS網絡RTK服務的一種補充手段。關鍵技術在于構建出VRS上的觀測值和動態后處理算法[5]。

PPK 是目前比較成熟的數據處理方法，PPK 無需進行動態數據的傳輸就能夠開展實時監測，在野外進行測量的過程中，地面的物體和地貌通常不會對移動站跟基準站造成影響，所以相較于動態RTK，事后差分PPK 測量系統具有顯著的優勢[6]，而VRS 技術與PPK 的作業方法在西藏CORS 系統應用中則更加符合西藏地區的實際情況，其優勢主要表現為以下幾個方面：

一是采用PPK 測量方式的優勢是可以實現虛擬參考站VRS 技術在西藏CORS 系統的應用，目前西藏CORS 系統尚未組網，無法實現基于VRS 技術網絡RTK 服務，只能單基站差分，使用PPK 技術后，可以按實際需求選取多個基站數據采用虛擬參考站VRS 進行差分，在有效距離方面，虛擬參考站VRS 的應用使得RTK 技術從15km 提高到超過50km，極大地提高了中長基線(20km～50km)上的相對定位精度[7]。二是擴大了西藏CORS 系統可用的空間范圍和應用場景，有助于提高西藏CORS系統的利用率。現階段應用的單基站CORS 差分技術30km 以內的實時定位精度較好[8]，但這種技術依賴無線網絡信號，西藏地區通訊基礎設施建設還很落后，尚存在大面積的無線網絡盲區或不穩定區域，單CORS 基站差分網絡RTK 的實際可用范圍受到了客觀條件極大的制約。而現階段西藏地區更廣泛的采用傳統RTK技術，會隨著基線長度的增加，站間對流層和電離層等誤差所存在的關聯不斷下降甚至清除，站間星際差分無法將距離有關的偏差進行減弱甚至消失，傳統RTK理論基礎決定了其單基站的作業范圍不宜過大。同時，傳統的RTK系統所使用的數據一般是RTCM 差分信號，是通過超高頻UHF、甚高頻VHF 獲取的，實際作業范圍當然會受到電臺發射的功率和站間“電磁波通視”條件的限制，通常情況下，電臺的信號覆蓋半徑不超過15km，由于UHF 與VHF 的衍射性能差，而且都是站間直線傳播，這就要求天線必須“準光學通視”，所以在山區、林區或者荒漠地區等地形、地貌較為復雜的地區，傳統RTK 作業范圍會受到很大限制。而不依賴于網絡信號和電臺傳輸數據的PPK 處理技術就較好的解決了這個問題。三是減少了野外作業的工作量，節約了測量成本，傳統RTK 需要架設基準站，在人工、設備、和車輛調配上成本相對較高，架設一次基準站作業的范圍相對較小，超出作業范圍需要頻繁重新架設基準站，采用PPK 的測量方式后，CORS 系統得以應用，在野外控制測量等工作上免除了大量的低等級控制導線、控制網的測設作業。而高原環境下氧氣缺乏、寒冷、紫外線強烈、氣壓低等都會造成人不同程度的生理性損傷，出現無法正常呼吸，會引發頭疼、心率過快、血壓增加、臟器變大等癥狀，長時間的環境性缺氧甚至會造成永久性傷殘[9]，降低野外作業的實踐和強度對于西藏地區具有十分重要的意義。

3 基于VRS 技術的CORS 系統PPK 測量方式在西藏地區的驗證

流動站初始化與數據采集：首先要對流動站進行初始化處理，完成以后，采樣間隔為5s，在無通信數據鏈的情況下，直接測量點位，并將靜態觀測信息進行保存，在各個點進行20 分鐘的觀測，始終保持開機狀態，使接收機持續對衛星進行跟蹤。假如衛星發生失鎖問題，需要重新將接收機初始化，并依據上述操作流程重新操作。

測試方法：（1）選取拉薩附近19 個C 級點作為測試點，將它們的成果坐標作為參考值；（2）按5min、10min、15min、20min 時長，截取測試點位觀測數據（采樣率均為1s，歷元數分別為300、600、900、1200）；（3）選取西藏CORS 墨竹工卡站（XZMZ）、江孜站（XZJZ）、申扎站（XZSZ）三個參考站連續觀測數據參與解算，利用PPK 服務平臺軟件分別生成各點位的VRS 觀測數據，并以VRS 為基準點，通過動態后處理差分解算測試點位結果；（4）對比解算結果與參考值差異。測試點位不同時長測試數據均能獲得固定解，因數據保密需要，只將計算結果與參考值三維分量差值展示，見圖2。

不同分量上的誤差中誤差情況見表1。

表1 測量點中誤差的中誤差表（單位：m）

在實際作業過程中，能否快速定位也是一項重要的考量指標，為了進一步研究采用VRS與PPK 相結合的作業方法在西藏地區CORS應用中不同觀測時長的平面位置收斂性，圖3 為拉林5 點位上的平面誤差收斂效果圖。

4 結論

基于上述測試數據可以看出：（1）通過圖2可以看出，在采用廣播星歷的情況下，生成的VRS 數據用于長基線靜態后處理精度可以達到±5cm 以內；（2）根據西藏自治區測繪院30 個CORS 交付使用前的單基站CORS網絡RTK精度檢測，流動站在30km以內X、Y方向的分量精度在±5cm 左右，通過表1可以看出，基于西藏CORS 系統采用VRS 技術和PPK 作業模式，5min 觀測時長與單基站CORS 網絡RTK 精度相當。（3）通過圖3 可以看出，基于西藏CORS 系統使用VRS技術與PPK 作業方法，平面位置誤差隨著歷元數增加收斂，當流動站采樣間隔為1s時，5min（300個歷元）測站觀測時長已經達到較好的精度，延長測站觀測時長，差分精度改善不明顯。（4）依據VRS技術與PPK 作業方法在西藏CORS 系統中不依賴網絡信號、無需設置基準站、長基線、平面位置誤差收斂快、精度較高等特性，在西藏特殊地區的作業時，該方法可以作為舊有測量方式的補充或替代方案。

由于西藏CORS 系統暫未進行水準聯測，本文未對西藏CORS 系統采用VRS 技術和PPK 作業模式下高程精度進行驗證。西藏CORS支持多系統，GNSS在特殊地區多系統提升的效果值得進一步研究。