張運(yùn)華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢　430063)

Research and Application of Continuous Operating Reference Station (CORS) in Railway Final Surveying

ZHANG Yun-hua

GPS連續(xù)參考站系統(tǒng)(CORS)在鐵路定測(cè)中的應(yīng)用研究

張運(yùn)華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430063)

Research and Application of Continuous Operating Reference Station (CORS) in Railway Final Surveying

ZHANG Yun-hua

摘要CORS-RTK作為一項(xiàng)成熟技術(shù)在鐵路初測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，在鐵路定測(cè)中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。對(duì)CORS-RTK技術(shù)在鐵路定測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行研究和試驗(yàn)，并在鐵路定測(cè)項(xiàng)目中與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：無(wú)論是采用CORS基站法還是采用CORS-RTK法，其測(cè)量精度均可達(dá)到平面高程±5 cm以內(nèi)，滿足定測(cè)要求；采用CORS-RTK開展定測(cè)工作時(shí)，需聯(lián)測(cè)CPⅠ控制點(diǎn)，其聯(lián)測(cè)密度為10～15 km。

關(guān)鍵詞CORS-RTK鐵路定測(cè)精度

1概述

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(Continuous Operating Reference Station，簡(jiǎn)稱CORS系統(tǒng))是由一個(gè)或若干個(gè)固定的、連續(xù)運(yùn)行的GPS衛(wèi)星參考站，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)(LAN和WAN)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)地向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)提供經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的不同類型GPS觀測(cè)值(包括載波相位、偽距)，各種改正數(shù)，狀態(tài)信息以及其他有關(guān)GPS服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)，是現(xiàn)代GPS發(fā)展熱點(diǎn)之一。作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于規(guī)劃、資源普查、工程建設(shè)等領(lǐng)域[1]。

對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)，接收GPS衛(wèi)星信號(hào)易受到各種干擾因素影響，而CORS服務(wù)網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，使用方便，可提高工作效率；同時(shí)，CORS服務(wù)網(wǎng)有完整的數(shù)據(jù)監(jiān)控機(jī)制，能有效消除系統(tǒng)誤差和周跳，增強(qiáng)作業(yè)的可靠性，可以改進(jìn)RTK初始化時(shí)間，擴(kuò)大RTK有效工作范圍；另外，RTK用戶不需架設(shè)基準(zhǔn)站，能夠真正實(shí)現(xiàn)單機(jī)作業(yè)，減少費(fèi)用。CORS服務(wù)網(wǎng)使用固定的通訊方式，減少了通訊噪聲干擾。

文獻(xiàn)[2]分析了CORS-RTK技術(shù)在鐵路勘測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，并在贛龍線中通過(guò)大量的試驗(yàn)證明，在無(wú)需依靠CPI控制網(wǎng)的情況下，能滿足鐵路初測(cè)階段的勘測(cè)精度要求，并通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)該技術(shù)在鐵路定測(cè)中的效果。文獻(xiàn)[3]的測(cè)試表明，CORS-RTK測(cè)量?jī)?nèi)符合精度和外符合精度在一定的距離內(nèi)能達(dá)到厘米級(jí)，并且CORS系統(tǒng)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)外精度分布均勻，可以提供厘米級(jí)的RTK服務(wù)。文獻(xiàn)[4]從理論和試驗(yàn)兩方面證明了通過(guò)對(duì)CORS的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，可實(shí)現(xiàn)CORS的高精度快速定位，并且在短時(shí)間內(nèi)獲得高精度的測(cè)站成果。

就目前各城市使用情況來(lái)看，相對(duì)于傳統(tǒng)RTK技術(shù)，CORS服務(wù)網(wǎng)在穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量上有長(zhǎng)足進(jìn)步，短時(shí)間內(nèi)局部觀測(cè)精度可以達(dá)到靜態(tài)GPS觀測(cè)的精度；相對(duì)于傳統(tǒng)全站儀做平面控制、水準(zhǔn)儀引測(cè)高程的方法，CORS定位技術(shù)效率高，外業(yè)作業(yè)方便，控制范圍大于1 km2時(shí)精度高于全站儀控制精度[5]。

CORS-RTK技術(shù)在鐵路初測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)CORS-RTK技術(shù)在定測(cè)中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究，精度還有待進(jìn)一步提高。

2CORS-RTK技術(shù)在鐵路定測(cè)中的應(yīng)用

鐵路定測(cè)工作一般在線路基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPI)建立后展開，所有工作的開展均以CPI網(wǎng)成果作為依據(jù)。

使用CORS-RTK技術(shù)替代傳統(tǒng)的RTK作業(yè)，必須先使CORS基站與CPI網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，使兩網(wǎng)坐標(biāo)系統(tǒng)相匹配，求得CORS基站與CPI網(wǎng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

要求得CORS基站與CPI網(wǎng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，需首先選取一定數(shù)量的CPI控制點(diǎn)與CORS基站同步觀測(cè)，使用CORS基站W(wǎng)GS84坐標(biāo)做約束平差，得到CPI網(wǎng)新的WGS84坐標(biāo)，求取CORS基站與CPI網(wǎng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

如何設(shè)計(jì)聯(lián)測(cè)CPI控制點(diǎn)的聯(lián)測(cè)方案，才能既滿足定測(cè)測(cè)量精度，又能提高測(cè)量效率，是問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

3測(cè)試方案設(shè)計(jì)

針對(duì)以上問(wèn)題，在婁邵線定測(cè)階段進(jìn)行CORS-RTK技術(shù)與傳統(tǒng)RTK技術(shù)的對(duì)比測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)試方案設(shè)計(jì)如下：

①婁邵線共設(shè)立4個(gè)CORS基站，分別是邵陽(yáng)站、邵東站、婁底站和雙峰站，并同時(shí)與北京、昆明、烏魯木齊、上海等4個(gè)IGS永久跟蹤站點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

②對(duì)CPI點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，并與CORS基站聯(lián)測(cè)。每5～10 km左右選擇一個(gè)CPI點(diǎn)架設(shè)接收機(jī)與CORS站聯(lián)測(cè)。觀測(cè)完成后，以CORS基站的WGS84坐標(biāo)(采用GAMIT軟件計(jì)算，聯(lián)測(cè)IGS站)為約束點(diǎn)，重新計(jì)算CPI的WGS84坐標(biāo)，再結(jié)合原有的CPI平面坐標(biāo)成果計(jì)算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

③進(jìn)行CPI聯(lián)測(cè)間隔試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇10 km、15 km和20 km的聯(lián)測(cè)間隔進(jìn)行試驗(yàn)，選擇以15 km聯(lián)測(cè)間隔為基準(zhǔn)，對(duì)10 km和20 km聯(lián)測(cè)間隔計(jì)算的CPI坐標(biāo)與15 km聯(lián)測(cè)間隔計(jì)算的CPI坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

④使用CORS-RTK與傳統(tǒng)RTK分別進(jìn)行CPI復(fù)測(cè)、中心方樁放樣、中線扁樁放樣和地質(zhì)放孔4項(xiàng)定測(cè)工作，再進(jìn)行精度的對(duì)比。

4測(cè)試結(jié)果與精度分析

4.1　CPI聯(lián)測(cè)間隔測(cè)試分析

聯(lián)測(cè)完成后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RINEX格式，導(dǎo)入原CPI網(wǎng)中，使用LGO7.0軟件重新解算基線，解算合格后導(dǎo)出ASC格式文件，將GAMIT解算出的CORS站W(wǎng)GS84坐標(biāo)作為三維控制點(diǎn)坐標(biāo)，一同導(dǎo)入COSAGPS5.0(科傻GPS)軟件，在WGS84坐標(biāo)系下進(jìn)行三維約束平差，重新得到CPI點(diǎn)的WGS84坐標(biāo)。再比較10 km、20 km聯(lián)測(cè)間隔重新計(jì)算的CPI點(diǎn)坐標(biāo)與15 km聯(lián)測(cè)間隔重新計(jì)算CPI點(diǎn)坐標(biāo)的差值。

婁邵全線共51個(gè)CPI點(diǎn)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，10 km與15 km聯(lián)測(cè)間隔坐標(biāo)較差最大值為5.2 mm，高程較差最大值為4.0 mm。15 km與20 km聯(lián)測(cè)間隔坐標(biāo)較差最大為15.2 mm，高程較差最大為33.3 mm。

如圖1、圖2所示，10 km與15 km聯(lián)測(cè)間隔坐標(biāo)互差很小。當(dāng)聯(lián)測(cè)間隔為20 km時(shí)，CPI網(wǎng)中部凸出的區(qū)域與其他兩次結(jié)果互差較大，無(wú)法滿足鐵路定測(cè)的精度要求。因此，在保證測(cè)量精度滿足要求的前提下，為減少外業(yè)工作量，提高測(cè)量效率，CORS網(wǎng)絡(luò)與CPI控制網(wǎng)聯(lián)測(cè)的間隔宜采用每10～15 km聯(lián)測(cè)一處最為合適。

圖1　15 km與10 km聯(lián)測(cè)間隔坐標(biāo)較差

圖2　15 km與20 km聯(lián)測(cè)間隔坐標(biāo)較差

4.2　定測(cè)精度分析

使用CORS-RTK與傳統(tǒng)RTK分別進(jìn)行CPI復(fù)測(cè)、中線方樁放樣、中線扁樁放樣和地質(zhì)放孔4項(xiàng)定測(cè)精度的對(duì)比，如圖3～圖6所示。

圖3　CORS-RTK與傳統(tǒng)RTK對(duì)CPI檢測(cè)較差

圖4　CORS-RTK與傳統(tǒng)RTK對(duì)中線方樁檢測(cè)較差

檢測(cè)中最大互差為0.05 m(扁樁檢測(cè)中1點(diǎn)高程

互差為0.05 m)，其余均小于0.05 m，可以滿足新建鐵路定測(cè)中對(duì)RTK作業(yè)的精度要求。

圖5　CORS-RTK與傳統(tǒng)RTK對(duì)中線扁樁檢測(cè)較差

圖6　CORS-RTK與傳統(tǒng)RTK對(duì)地質(zhì)放孔檢測(cè)較差

5結(jié)論

通過(guò)CORS-RTK技術(shù)進(jìn)行的婁邵線定測(cè)項(xiàng)目測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

(1)CORS-RTK技術(shù)無(wú)論采用CORS基站法還是采用CORS-RTK法，其測(cè)量精度均可達(dá)到平面、高程±5 cm以內(nèi)，滿足定測(cè)精度要求。

(2)采用CORS-RTK開展定測(cè)工作時(shí)，需聯(lián)測(cè)CPI控制點(diǎn)，其聯(lián)測(cè)密度宜10～15 km聯(lián)測(cè)一個(gè)。

(3)建議提前策劃和組織，在CPI控制網(wǎng)測(cè)設(shè)前啟動(dòng)CORS基站網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)CPI控制點(diǎn)與CORS基站同步觀測(cè)，使兩網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一，且聯(lián)測(cè)密度更大，為定測(cè)工作提供良好的基礎(chǔ)。

CORS系統(tǒng)中流動(dòng)站測(cè)量點(diǎn)位精度受到衛(wèi)星分布、電離層干擾、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)等多因素的影響，相比于常規(guī)光電測(cè)量方法、靜態(tài)GPS測(cè)量、傳統(tǒng)RTK測(cè)量，CORS-RTK技術(shù)更加具有質(zhì)量控制的不確定性。CORS-RTK技術(shù)是測(cè)量手段的一次巨大變革，在相應(yīng)的規(guī)程確定前，如何進(jìn)行質(zhì)量控制，確保實(shí)時(shí)測(cè)量點(diǎn)位的精度是需要進(jìn)一步研究的工作。

參考文獻(xiàn)

[1]劉經(jīng)南，劉輝.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)-城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003(6)：259-264

[2]金國(guó)清.CORS 技術(shù)在鐵路勘測(cè)中應(yīng)用[J].鐵道勘察，2009(5)：5-8

[3]劉喜.大慶CORS系統(tǒng)精度(RTK)測(cè)試與分析[J].測(cè)繪與空間地理信息，2011(8)：97-99

[4]陳中新，朱麗強(qiáng).基于CORS系統(tǒng)的高精度GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)的模擬研究[J].測(cè)繪科學(xué)，2011(1)：17-19

[5]黃育華，倪宏宇.GORS服務(wù)網(wǎng)的技術(shù)研究[J].地理空間信息，2008(2)：34-36

[6]劉德勝，甄鑫強(qiáng)，郭英起.GPS網(wǎng)精度影響因素研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2010(4)：40-43

[7]唐衛(wèi)明.GPS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)定位精測(cè)檢測(cè)方法研究[J].通信學(xué)報(bào)，2006(8)：73-77

[8]賀俊偉，李春華，劉俊，等.網(wǎng)絡(luò)同步RTK定位原理與精度分析[J].鐵道勘察，2011(5)：20-22

[9]熊偉，吳迪軍.港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].鐵道勘察，2013(3)：1-5

[10]姜衛(wèi)平，袁鵬，田摯，等.區(qū)域CORS組網(wǎng)中的坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2014(5)：566-571

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2015)01-0022-02

作者簡(jiǎn)介：張運(yùn)華(1976—)，男，2003年畢業(yè)于武漢大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2014-11-18