基于重慶市GPS綜合服務(wù)系統(tǒng)進行實時獲取地方坐標(biāo)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(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)即CORS 系統(tǒng)作為城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其基本僅直接提供WGS84 坐標(biāo)實時獲取服務(wù)，若需獲取實時服務(wù)則有兩種常用方法:一是在移動站手簿上設(shè)置相關(guān)坐標(biāo)系及WGS84 與地方坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換參數(shù);二是將實時獲取的WGS84 坐標(biāo)發(fā)送指定服務(wù)中心進行處理。這既違背保密規(guī)定，又必備相關(guān)實施的前提條件，同時浪費人力、財力、嚴(yán)重影響了作業(yè)效率。

重慶市GPS 綜合服務(wù)系統(tǒng)(簡稱“CQGISS”)［1，2］已為重慶的現(xiàn)代化時空基準(zhǔn)體系，從2006年開始已經(jīng)為高效率、高精度、實時動態(tài)地獲取空間位置信息提供服務(wù)，為充分發(fā)揮CQGISS 的作用，直接滿足用戶的需求，既保證空間基準(zhǔn)服務(wù)質(zhì)量，又需要符合國家基礎(chǔ)測繪成果保密的要求。由此在CQGISS 基礎(chǔ)上擴展開發(fā)“基于VRS 技術(shù)的重慶GPS 實時測量平臺”進行實時獲取地方坐標(biāo)測量的探索并完成試驗，它拓展城市參考站網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)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(shù)保密條件下的實施獲取地方獨立坐標(biāo)的方法探索。

2 CORS 之VRS 技術(shù)的工作原理

虛擬參考站VRS(Virtual Reference Stations)技術(shù)就是利用多個參考站組成GPS 連續(xù)運行參考站網(wǎng)絡(luò)(CORS)［3，4］，綜合利用各參考站的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，通過建立相應(yīng)誤差模型來修正相關(guān)誤差，在收到流動站請求后在其附近產(chǎn)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(gòu)成基線一般只有十幾米，流動站接收CORS 平臺發(fā)布的差分電文如CMR、RTCM23、RTCM30 進行改正，即可獲取厘米級的坐標(biāo)解，從而實現(xiàn)RTK 服務(wù)。其基本工作原理主要分為兩個部分:一是系統(tǒng)服務(wù)部分，計算中心通過各參考站實時的GNSS 原始觀測數(shù)據(jù)，實時解算并建立誤差模型;二是流動站將自身位置坐標(biāo)通過無線移動數(shù)據(jù)鏈路(如GPRS、CDMA)傳送給數(shù)據(jù)控制中心，控制中心在流動站附近位置創(chuàng)建一個虛擬參考站，通過內(nèi)插得到虛擬參考站各誤差源影響的改正數(shù)，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(tǒng)之VRS 模型實時獲取地方坐標(biāo)成果的探索

3.1 研究地方坐標(biāo)系參數(shù)對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度的影響

地方坐標(biāo)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(shù)。筆者首先以某城市坐標(biāo)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(diào)整后再計算轉(zhuǎn)換參數(shù)，探索該方法對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度的影響，如表1所示。

表1 同名點

將該地方坐標(biāo)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(biāo)系Z，變化量分別為:△H、△L、△N、△E，重新計算轉(zhuǎn)換參數(shù)T。再采用虛擬坐標(biāo)系Z 和轉(zhuǎn)換參數(shù)T 完成坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，最后進行坐標(biāo)比較，如表2所示。

表2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換較差表

通過一系列實驗看出，地方坐標(biāo)系參數(shù)在一定范圍進行變化時，盡管變化量較小，也足以使轉(zhuǎn)換參數(shù)改變較大，尤其是旋轉(zhuǎn)量，但對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響較小。經(jīng)過分析:盡管坐標(biāo)系參數(shù)發(fā)生變化會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換參數(shù)較大變化，但在手簿進行差分運算時，可能會導(dǎo)致程序判定轉(zhuǎn)換參數(shù)不合理而使運算結(jié)果錯誤。經(jīng)過測試在天寶GPS 手簿計算時，如果旋轉(zhuǎn)參數(shù)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(zhuǎn)參數(shù)變化大的問題，筆者探索將地方坐標(biāo)Z0 與虛擬坐標(biāo)Z 同一個點的空間坐標(biāo)差值△計算出，并將此差值△改正到VRS 的坐標(biāo)值中，從而改善了旋轉(zhuǎn)角度過大問題。

3.2 實時獲取地方坐標(biāo)的系統(tǒng)實現(xiàn)

在目前CORS 系統(tǒng)下實時獲取地方坐標(biāo)成果，可從以下3 個方面著手，一是更新CORS 系統(tǒng)處理中心建立中心化網(wǎng)絡(luò)RTK;二是流動站手簿植入可保密服務(wù)含參數(shù)的專門測量程序;三是在流動站與數(shù)據(jù)中心之間進行技術(shù)改進。

以重慶市GPS 綜合服務(wù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從CORS 的核心入手，通過編程建立實時服務(wù)平臺在坐標(biāo)系參數(shù)和轉(zhuǎn)換參數(shù)保密的前提下實時獲取地方坐標(biāo)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(shù)據(jù)交互過程的進行流程改進。在重慶CORS 系統(tǒng)的計算中心和流動動站之間，增設(shè)一個中間服務(wù)器，分別與服務(wù)器和移動站實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊，通過對它們之間的通信信息解碼，獲取與調(diào)整VRS 的坐標(biāo)(X，Y，Z)。通過將地方坐標(biāo)Z0 與虛擬坐標(biāo)Z 同一個點的空間坐標(biāo)差值△與對VRS 的坐標(biāo)進行糾正，形成一個新的VRS1 的坐標(biāo)(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(yīng)虛擬坐標(biāo)系參數(shù)和轉(zhuǎn)換參數(shù)以實現(xiàn)實時獲取獨立坐標(biāo)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(guān)系數(shù)據(jù)庫、ArcSDE 空間數(shù)據(jù)引擎建立可實現(xiàn)對空間信息的集成管理，嚴(yán)格遵循數(shù)據(jù)層/邏輯層/表現(xiàn)層的三層體系結(jié)構(gòu)，提供參數(shù)管理、數(shù)據(jù)處理、電文編碼解碼、用戶監(jiān)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(wù)平臺［6］，其設(shè)計架構(gòu)如圖3所示。

圖3 平臺設(shè)計總體框架

4 試驗探索

為探索實時地方坐標(biāo)測量的可靠性，筆者在重慶市的都市區(qū)、渝東北、渝東南3 個區(qū)域以2012年重慶市現(xiàn)代基準(zhǔn)［7］成果為依據(jù)分別進行都市坐標(biāo)系、渝東北坐標(biāo)系、渝東南坐標(biāo)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(qū)域分布

在重慶市整個區(qū)域范圍內(nèi)從2012年4月～2012年11月，筆者組織相關(guān)人員及測量單位分別采用天寶、徠卡、南方等公司的網(wǎng)絡(luò)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(shù)和虛擬參數(shù)兩種方法同時測量，獲取各自地方坐標(biāo)系成果，然后坐標(biāo)較差比較，統(tǒng)計出不同區(qū)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(qū)實驗1012 點坐標(biāo)較差均值表

表4 渝東北實驗830 點坐標(biāo)較差均值表

表5 渝東南實驗910 點坐標(biāo)較差均值表

表6 實驗總體精度統(tǒng)計表

該實驗數(shù)據(jù)表明:該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在重慶市區(qū)域的實施地方坐標(biāo)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(shè)備均兼容。其既實現(xiàn)了坐標(biāo)系參數(shù)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密，又可使測量成果精度是滿足相關(guān)規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

本文通過重慶市GPS 綜合服務(wù)系統(tǒng)運行原理剖析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流程的改變，在VRS 坐標(biāo)信息作適當(dāng)?shù)母淖?，在不改變本系統(tǒng)的運行核心軟件的前提下，使用戶不能獲取WGS84 的真實坐標(biāo)，同時在流動站手簿上設(shè)置配套的偽虛擬參數(shù)，實現(xiàn)了在不發(fā)布真參數(shù)的情況下獲取地方坐標(biāo)系，又可極大提高了用戶作業(yè)效率，同時又能夠廣泛應(yīng)用，本文所做的探索推動CORS 系統(tǒng)的向更深入領(lǐng)域應(yīng)用，可為其他CORS 系統(tǒng)推廣應(yīng)用借鑒。

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

［2］張黎，徐永書，夏定輝．重慶市GPS 綜合服務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)［J］．全球定位系統(tǒng)，2009(1):54～57．

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

［4］郭萬里，張永，王小剛等．城市GPS 連續(xù)運行參考站網(wǎng)(CORS)應(yīng)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(tǒng)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(shù)的重慶GPS 實時測量平臺建設(shè)實現(xiàn)［J］．地理空間信息，2011(6):46～52．

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