基于CORS系统的网络ＲTK 技术原理及应用

来源：《测绘标准化》2014年6月

作者：张永奇，林卓，丁晓光，苏利娜

摘要:网络RTK 技术不受布网条件、通视条件等限制，在精度要求不高的情况下，可以降低工作强度，缩短测量周期。介绍CORS 系统和网络RTK 技术的基本工作原理，分析网络RTK 技术的可能影响因素。在此基础上，对基于CORS 系统的网络RTK 技术在城市地震小区划项目的应用进行探讨，并对测量精度进行分析。结果表明，基于CORS 系统的网络RTK 技术在低精度测量中具有明显优势，同时也表明该技术在相关测绘生产实践中具有广阔的应用前景。

关键词:CORS; 网络RTK; 工程应用; 精度分析

目前，陕西省地震局建立并运维由25 个GNSS连续运行参考站组成的CORS 系统，基于该系统的网络RTK 技术也正式开始提供服务。常规的测量手段易受测量环境、通视条件等限制，作业强度大、效率低，不能满足快速、准确、高效的测量要求，尤其是测量区域范围较大时，上述弊端更加突出。而网络RTK技术不受布网条件、通视条件等限制，在精度要求不高( cm 级) 的情况下，可以降低工作强度，缩短测量周期。本文首先介绍CORS 系统及网络RTK 技术工作原理，然后结合具体工程实例，说明网络RTK 技术在测量实践应用中的可行性和优越性。

1 、CORS 原理及RTK 技术介绍

1.1 CORS 系统工作原理

CORS 系统是基于全球卫星导航定位技术，在一个城市或国家，根据需求按照一定的距离建立的常年连续运行的一个或若干个固定的GNSS 参考站，利用计算机、数据通信和互联网技术将各个参考站与数据中心组成网络，实时将参考站数据传输到数据中心，利用数据处理软件进行处理，向用户自动发布不同类型的GNSS 原始数据和各种类型的RTK 改正数据等。用户只需一台接收机，即可进行准实时、实时快速定位，以及事后定位或导航定位。CORS 系统的具体工作流程如图1 所示。

图1 CORS 系统工作流程

1.2 网络RTK 技术工作原理

RTK 技术形成于20 世纪90 年代，主要分为常规RTK 技术和网络RTK 技术。常规RTK 技术在流动站与参考站距离小于30 km 时，精度可达cm 级; 距离大于30 km 时，测量精度衰减很快，通常只能达到dm级。网络RTK 是由参考站网、数据中心、数据通信链路和流动站组成。基准站配备双频全波长GNSS 接收机，参考站坐标精确已知并按照规定的采样率进行连续观测，通过数据通信链路传回数据中心; 数据中心根据流动站发送的近似坐标计算误差改正信息，然后将改正信息播发给流动站。网络RTK 技术的优势在于用户不用建立基准站，且用户与基准站距离可以扩大到上百公里，同时减少了误差源，使改正信息的可靠性和精度大幅改善。

虚拟参考站( VRS) 技术的特点是各基准站不直接向移动站用户发送任何改正信息，而是将所有的原始观测数据通过数据通信链路发给数据中心。同时在用户开始工作前，先向数据中心发送一个概略坐标，数据中心根据这个位置确定一组最佳基准站，并根据这些站发来的信息，整体改正GNSS 的轨道误差，以及电离层、对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号传给用户。差分信号的作用相当于在移动站旁边建立一个虚拟的参考站，从而解决常规RTK 作业在距离上的限制，保证了用户的精度。

陕西省地震局CORS 系统基准站全部采用Trimble NetR8 接收机和Trimble GNSS 扼流圈天线，数据处理采用GPS-Net 软件，网络RTK 作业方式采用VRS 技术。VRS 技术的主要工作原理如下:

1) 各个基准站通过专用光缆实时将观测的卫星信息传输到数据中心;

2) 数据中心根据各基准站数据实时组网，计算各基准站网内的载波相位整周模糊度，建立误差改正模型;

3) 各移动站用户利用无线传输网络将初始捕获的单点定位结果以NMEA 格式传送至数据中心，数据中心根据移动站位置在其附近建立一个虚拟的基准站，通过内插得到虚拟基准站的各类误差源影响的改正信息，并通过NTRIP 协议回传给各移动站用户;

4) 各移动站与各自的虚拟站的基准站组成常规RTK 网络形态，利用接收到的虚拟基准站差分改正信息进行差分解算，获得移动站的精确位置，得到cm 级的定位结果。

1.3 网络RTK 技术特点

相比于常规光学仪器测量，网络RTK 技术具有如下特点:

1.3.1 操作灵活简单

常规的光学仪器施测时要进行对中整平，还要求测量点之间相互通视，且受地形、气候等影响显著; 网络RTK 技术对观测环境要求较低，只要能够接收到卫星信号和网络通信信号，就可获得精度较高的测量成果。

1.3.2定位精度高且分布均匀

水准仪、全站仪测量易受误差传递积累的影响，距离起算基准越远，精度越差; 而网络RTK 测量不受测量误差传播和误差积累影响，在有效作业范围内，每个点的精度相互独立、互不干扰，因此定位精度高且分布均匀。

1.3.3工作效率高、成本低

在精度要求不高( cm 级) 的情况下，网络RTK技术可以替代全站仪和水准仪进行点位放样、水准测量和地形图测绘等。卫星信号、通信信号正常时，初始化时间通常在5 ～ 20 s，每个点所需的测量时间在5 ～ 15 s，工作效率大幅提高，作业强度明显下降，经济效益显著增长。

2、 网络RTK 技术的影响因素

基于CORS 系统的网络RTK 技术，通常受基准站的影响、通信系统的影响、数据中心的影响、用户设备以及测量环境的影响。

2. 1 基准站的影响

网络RTK 测量受基准站影响不明显，是因为网络RTK 测量采用的是VRS 技术，该技术的原理是在测站附近形成一个“虚拟”的参考站，因此即使出现个别基准站信号不好的情况，对定位精度和初始化时间影响也不大。但必须考虑测区是否在基准站有效覆盖范围内，通常在离基准站100 km 范围内作业，其精度和初始化不会受太大影响，但超过这个范围就可能导致无法获得固定解。

2. 2 通信系统的影响

基准站与数据中心采用专用通信线路( SDH)连接，出现通信故障的情况较少，即使出现，对网络RTK 服务影响也不大。数据中心与用户之间采用的是通信网络( CDMA、GPRS) 传输，如果测区通信网络覆盖不合理，出现手机信号不稳定或无法联网，就会影响初始化时间，甚至无法得到固定解。

2. 3 数据中心的影响

数据中心出现故障导致无法开展网络RTK 测量的原因大致有2 种: 一是由于GPS-Net 软件出现死机，无法提供网络RTK 服务; 二是数据中心终止了该用户的网络RTK 服务。如出现上述情况可向数据中心电话咨询，或向数据中心寻求帮助。

2. 4 用户设备的影响

通常，不同版本和不同型号的GNSS 接收机、记录手簿与通信设备匹配时有一定要求，如Trimble R7-GNSS 接收机与Trimble TSC2 记录手簿支持基于CDMA 模块的移动通信设备，而基于GPRS 模块的移动通信设备则需安装Symbian( 塞班) 操作系统，如果安装Android( 安卓) 操作系统则无法识别。另外当出现无法获取源列表时，需检查用户名和密码是否正确，同时检查设置的源列表类型与授权源列表类型是否一致。

2. 5 测量环境的影响

如果测站周边有高大建筑物、密林、大面积水域、强电磁干扰源，测量精度将受到严重影响，甚至无法获得固定解。此时，如果精度要求不高，可以采取记录浮点解或者调整测量精度限差，降低获得固定解的标准; 如果精度要求较高，则需要结合其他光学测量设备进行联合测量。

3、 网络RTK 技术在城市地震小区划中的应用

3. 1 城市地震小区划项目概述

城市地震小区划项目属于陕西省地震局“十二五”重点项目———关中大震危险性评价建设内容，主要涉及3 个城市。开展城市地震小区划工作，可以为城市提供科学的抗震设防参数，制定科学合理的抗震设防水准和抗震措施，从而有效减少未来地震造成的人员伤亡和经济损失。项目的主要内容是通过现场钻探和测试，查明目标区的地层、岩性、地质构造、水文条件、场地土类型和场地类别，考虑后续工程与研究方便，对剖面钻孔的三维坐标进行了测量。本文结合某市地震小区划项目说明基于陕西省地震局CORS 系统的网络RTK 技术的具体应用。

3. 2 网络RTK 技术的具体应用

根据项目总体设计，结合某市城区实际情况，对89 个钻孔进行了三维坐标测量，测量精度水平方向要求优于5 cm，高程方向优于10 cm。本次测量采用基于陕西省地震局CORS 系统的网络RTK 技术，仪器采用Trimble R7-GNSS 接收机和Trimble TSC2 记录手簿，数据流传输采用基于CDMA 模块的移动通信设备。陕西省地震局CORS 系统在该市周围建有6个基准站，本次测量采用这6 个基准站组成的虚拟站。测前对测量设备进行设置，具体如下:

1) 网络连接设置。进行网络连接时，CDMA 设置时需输入拨号网络码“#777”，用户名和密码分别输入“card”和“card”。另外GPRS 设置需要输入拨号网络码“* 99#”或“* 99***1#”，拨号序列命令输入+ cqdcont = 1、“ip”和“cmnet”。

2) 拨号简表的建立。建立拨号简表时，CDMA设置需要输入名称、简表类型、数据中心提供的IP地址等。需要注意的是，APN 需要输入cmnet，连接类型选择CDPD， IP 地址及NTRIP 用户名及密码输入数据中心提供的信息，GPRS 设置的连接类型选择GPRS。

3) 测量形式设置。主要设置流动站选项和流动站电台选项。需要注意测量类型选择“RTK”，播发形式选择“VRS( RTCM) ”，流动站电台选择“互联网连接”，同时设置测量限差、测量历元、PDOP 值等，拨号简表选择步骤2) 设置的拨号简表类型。

4) TSC2 蓝牙连接。通过蓝牙连接移动通信设备、接收机、记录手簿设备，选择正确的型号和匹配设备。

5) 建立项目实施测量。建立工作任务，输入作业名称，选择合适的坐标系和投影带，即可进行测量。

3. 3 精度统计及分析

该市测量期间卫星信号、通信信号正常，初始化及测量精度优于设计要求。个别点由于周围建筑遮挡严重，卫星信号较弱，初始化时间较长，定位精度较差，但基本满足精度要求，具体精度及收敛时间统计见表1 和表2。由表1 和表2 可以看出所有测点的水平和垂直精度都在设计范围之内，其中精度在1 ～ 5 cm 之间的测点约占90%，初始化时间基本在20 s 之内，说明基于CORS 系统的网络RTK技术完全可以满足测量需求。同时为了获得钻孔在1985 国家高程基准下的高程值，选择3 个1985国家高程基准的已知测点进行联测，求取WGS84 坐标系与1985 国家高程系之间的高程异常值，然后利用该高程异常值对89 个钻孔的大地高进行改正，获得这些点基于1985 国家高程基准的正常高。

4、 结语

基于CORS 系统的网络RTK 技术大大改变了传统的测量作业模式，在工作效率、人员配置、仪器设备等方面都带来意义深远的变革。陕西省地震局CORS 系统的建设与应用不仅给地震事业的发展搭建了良好的平台，同时也给陕西其他行业的发展带来了机遇。随着CORS 系统的不断完善、测量硬件的不断升级和计算分析软件的不断开发，网络RTK 技术必将成为替代传统测量手段的一种重要测量方式，而陕西省地震局CORS 系统也将发挥更加积极的作用。

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