CORS實時正常高服務方法研究

曾翔強，陳春花，周烽松

( 1. 湖南省測繪科技研究所, 長沙 410007；2. 中國測繪科學研究院 湖南分院, 長沙 410007 )

0 引 言

連續(xù)運行參考站(CORS)技術(shù)能夠?qū)⑿l(wèi)星導航定位的精度提升至厘米級，是現(xiàn)代社會基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分[1]，為滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，我國各個省份均建設(shè)有自己的CORS系統(tǒng)[2]. 目前，我國大部分的CORS系統(tǒng)中網(wǎng)絡實時動態(tài)(RTK)服務均采用虛擬參考站(VRS)技術(shù)，VRS技術(shù)通過在用戶附近虛擬出一個基準站，該基準站利用用戶發(fā)送的位置數(shù)據(jù)獲取，然后將觀測數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，從而獲得厘米級精度的定位結(jié)果. VRS技術(shù)在通用性、兼容性等方面的優(yōu)勢，成為了目前應用最廣泛的網(wǎng)絡RTK技術(shù)[1-3]. 然而VRS技術(shù)也存在以下兩個問題：

1)隨著自動駕駛、人工智能等技術(shù)的興起，CORS系統(tǒng)的用戶已經(jīng)不再局限于測繪地理信息領(lǐng)域，用戶數(shù)量得到了極大地提升. VRS技術(shù)針對每一個用戶都生成虛擬觀測值，虛擬觀測值生成時涉及到大量的計算工作，需要消耗大量的計算資源，無法滿足海量級用戶的高并發(fā)請求.

2)目前大部分CORS系統(tǒng)實時測量得到的成果為大地高，用戶想要獲取正常高成果，必需通過事后轉(zhuǎn)換的方式. 由于各地政策不同，高程轉(zhuǎn)換的流程和所需要的材料也不盡相同. 這種方式存在著效率低下、時效性差等缺點，不利于CORS系統(tǒng)的推廣和應用，因此實時正常高成果的獲取也是一個亟須解決的問題.

1 CORS正常高服務方法

1.1 技術(shù)思路

利用VRS技術(shù)距離較近用戶可使用同一個虛擬參考值進行高精度定位的特點，按照一定的間隔，將CORS服務范圍劃分為多個格網(wǎng)[4]，在格網(wǎng)中心點生成VRS數(shù)據(jù)，并推送到專門的用戶服務器，將數(shù)據(jù)解算與用戶服務分離. 由于解算軟件所需要生成的VRS數(shù)據(jù)是固定的，與用戶數(shù)量無關(guān)，其解算壓力也是恒定的，而用戶服務器無需參與數(shù)據(jù)解算，可以采用分布式、云服務技術(shù)，根據(jù)用戶數(shù)量進行實時擴容，能夠滿足海量級用戶的高并發(fā)請求[5]. 用戶實時測量想得到正常高成果，可以根據(jù)用戶位置和似大地水準面模型，計算出用戶的高程異常值，用戶發(fā)送VRS數(shù)據(jù)時，將VRS坐標中的大地高加上高程異常值后，測量得到的結(jié)果就是正常高成果.

1.2 服務架構(gòu)

系統(tǒng)通過將解算服務器與用戶服務器分離，解算服務器按照格網(wǎng)點生成虛擬觀測數(shù)據(jù)，并單向推送至用戶服務器，用戶服務器根據(jù)用戶請求，在不改變用戶使用習慣的前提下，提供高精度的位置服務. 其整體架構(gòu)如圖1所示.

圖 1 CORS正常高服務系統(tǒng)架構(gòu)

1)虛擬格網(wǎng)差分數(shù)據(jù)生成：虛擬差分數(shù)據(jù)生成服務器將網(wǎng)絡RTK的服務范圍劃分為多個格網(wǎng)，根據(jù)格網(wǎng)中心點的位置，向網(wǎng)絡RTK服務器請求各個格網(wǎng)點的差分數(shù)據(jù)，虛擬出各個格網(wǎng)中心點的差分數(shù)據(jù)，并單向推送到數(shù)據(jù)代理服務器，數(shù)據(jù)代理服務器對虛擬差分數(shù)據(jù)進行解碼，得到VRS坐標、虛擬衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)、VRS信息等數(shù)據(jù)[6].

2)高程異常數(shù)據(jù)獲取：數(shù)據(jù)代理服務器接收到數(shù)據(jù)請求后，根據(jù)接收到的用戶位置，通過服務器代理IP白名單、參數(shù)校驗、接口簽名安全套接層(SSL)加密等方式，向似大地水準面數(shù)據(jù)內(nèi)核獲取用戶的高程異常值.

3)虛擬差分數(shù)據(jù)生成：獲取到高程異常值后，將高程異常值加入用戶所在格網(wǎng)的VRS坐標中，并重新進行編碼，生成虛擬差分數(shù)據(jù).

4)差分數(shù)據(jù)返回：虛擬差分數(shù)據(jù)通過用戶播發(fā)服務器發(fā)送給用戶，用戶接收到虛擬差分數(shù)據(jù)后，與自身的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行差分定位，獲取高精度的定位結(jié)果，由于虛擬差分數(shù)據(jù)中的參考站坐標經(jīng)過了高程異常改正，因此用戶的定位結(jié)果也經(jīng)過了高程異常改正，直接測量得到的成果為正常高.

2 網(wǎng)格劃分策略分析

CORS正常高服務將CORS服務范圍按照一定的間距，劃分為若干個格網(wǎng)，根據(jù)數(shù)字高程模型(DEM)，計算出每個格網(wǎng)中心點的坐標以及高程，根據(jù)計算出的坐標和高程，虛擬出該位置的虛擬觀測值，將發(fā)送給用戶的虛擬觀測值中的參考站坐標大地高加上一個高程異常值，用戶就可以直接測量得到正常高成果. 與傳統(tǒng)的VRS技術(shù)相比，其VRS值的生成并不是根據(jù)用戶的實時位置生成的，且在VRS值中的參考站坐標增加了一個高程異常值，因此需要進一步分析用戶位置與格網(wǎng)點距離所引起的誤差和VRS坐標變化所引起的誤差，來確定適合的格網(wǎng)劃分方案[7].

2.1 用戶與VRS距離引起的誤差分析

分析用戶與虛擬參考距離所引起的誤差以及定位性能，VRS數(shù)據(jù)生成軟件采用天寶Pivot軟件，流動站接收機采用天寶的R8接收機，通過格網(wǎng)化服務軟件，生成了與流動站0～10 km距離的虛擬觀測值，發(fā)送給接收機獲取定位結(jié)果，每次測量60個歷元，分別測量20次，其測結(jié)果如圖2所示.

圖 2 VRS與流動站距離測量精度統(tǒng)計

由圖2可知，當流動站距離VRS小于5 km時，其均方根(RMS)值并沒有明顯的變化，小于10 mm，超過5 km后，其RMS值逐步升高，平面方向達到了2 cm，高程方向達到4 cm. 當VRS與流動站距離超過10 km后，出現(xiàn)了流動站無法初始化的情況. 因此為保證測量用戶的精度，在進行格網(wǎng)劃分時，用戶距離格網(wǎng)點的最大距離不宜超過5 km.

2.2 VRS坐標變化對定位結(jié)果的影響

CORS正常高服務系統(tǒng)為用戶提供正常高服務，是通過修改虛擬觀測值中的參考站坐標來實現(xiàn).VRS坐標的改變相當于起始點位置偏差，VRS與用戶之間的基線向量會產(chǎn)生系統(tǒng)性偏差，系統(tǒng)偏差的大小與起始點位置偏差的大小成正比，與基線平均緯度的正切函數(shù)值成正比[8]. 湖南省位于緯度24°～30°，高程異常值最大約為18 m[9-10]. 根據(jù)文獻[8]分析，在位于平均緯度30°，基準站坐標差為18 m時，其對基線結(jié)果的影響為1.68×10-6. CORS系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡RTK服務的平面精度為2.4 cm，高程精度為5 cm、按照誤差傳播定律，為了保證測量精度，由VRS坐標變化所引起的最大系統(tǒng)性偏差應小于1 cm，以減少對網(wǎng)絡RTK用戶的影響. 因此在湖南省范圍內(nèi)，用戶與格網(wǎng)中心點的距離應小于6 km.

3 實測精度分析

為驗證整個系統(tǒng)的性能，本文在湖南省范圍內(nèi)開展了精度測試，其中格網(wǎng)化正常高服務系統(tǒng)采用的網(wǎng)格劃分為3′×3′，該格網(wǎng)范圍內(nèi)距離中心最遠為3.2 km，保證了格網(wǎng)最遠點至中心的距離小于5 km，虛擬格網(wǎng)點的大地高利用湖南省的DEM數(shù)據(jù)和網(wǎng)格中心點的坐標來獲取. 高程異常獲取采用2017版本的湖南省似大地水準面模型(HNGG2017). 選取了湖南省范圍內(nèi)均勻分布的50個A、B、C級作為測試點，測試點的高程成果為水準高. 分別采用天寶Pivot軟件和CORS正常高服務系統(tǒng)進行網(wǎng)絡RTK定位測試，定位設(shè)備采用天寶R8設(shè)備. 測試時，每次觀測采集60個歷元，測量20次，取其平均值作為測量結(jié)果，天寶Pivot軟件測量完畢后，采用2017湖南省似大地水準面 (HNGG2017)模型計算其正常高. 測試點位分布如圖3所示.

我們對CORS正常高服務系統(tǒng)與Pivot的測量結(jié)果以及控制點真值進行對比，其結(jié)果分別如圖4～5所示. 由圖4可知， CORS正常高服務系統(tǒng)與天寶Pivot軟件測量的平面差異為2 cm以內(nèi)，高程方向的差異為4 cm以內(nèi)，其平面精度為1.1 cm，高程精度為2.3 cm. 由于CORS正常高服務系統(tǒng)的虛擬觀測值同樣也是利用天寶Pivot軟件生成的，其精度相當與CORS系統(tǒng)的內(nèi)符合精度. 由圖5可知，CORS正常高服務系統(tǒng)與控制點成果平面差異在4 cm以內(nèi)，高程方向在10 cm以內(nèi). 經(jīng)統(tǒng)計，其平面精度為2.7 cm，高程精度為4.9 cm. 與現(xiàn)有HNCORS系統(tǒng)的精度相當[11]，CORS正常高服務系統(tǒng)不會降低原有CORS系統(tǒng)的精度，能夠滿足高精度位置服務的需求.

圖 4 CORS正常高服務系統(tǒng)與天寶Pivot軟件測量結(jié)果對比

圖 5 CORS正常高服務系統(tǒng)與控制點真值對比

另外，我們進一步對CORS正常高服務系統(tǒng)測量成果高程與真值對比超過8 cm的點進行分析，如表1所示，其中1983、U225兩個點的差異達到了10 cm以上，主要是由于似大地水準面精化成果與控制點水準成果差異所引起的，其余超過8 cm的點似大地水準面精華成果與控制點水準成果差異也達到了2 cm以上. 而大部分測量的控制點其差異小于8 cm，利用CORS正常高服務系統(tǒng)，完全能夠滿足地形測量對正常高成果的要求.

表 1 CORS正常高服務系統(tǒng)測量成果高程與真值對比超過8 cm的點 cm

4 結(jié)束語

本文研究了基于格網(wǎng)的CORS正常高服務新方法，利用網(wǎng)格劃分方式，生成CORS服務范圍內(nèi)各個格網(wǎng)中心點的虛擬觀測值，通過在VRS中加入用戶所在位置高程異常的方式，實現(xiàn)了實時的正常高程測量，解決了傳統(tǒng)VRS技術(shù)存在用戶上限了的問題，提升了服務能力. 由于用戶直接得到正常高結(jié)果，使其無法反算出高程異常，在保證似大地水準面數(shù)據(jù)安全的前提下，提升了測量效率. 同時本文進一步分析了VRS與用戶距離對定位精度的影響，確定了最佳的格網(wǎng)劃分間隔，能夠為其他省市高精度位置服務提供參考.