CORS系统与似大地水准面模型的集成与应用研究

李春华，刘晓华，邓 芳

（成都市勘察测绘研究院，四川成都 610081）

一、引 言

目前，国家测绘地理信息、城建、气象、地震、国土等部门已在全国部分省市及区域建成几百个CORS，如江苏省、广东省、四川省以及北京、上海、天津、重庆、成都、青岛、苏州、深圳、东莞等大中城市［1］。基于CORS系统的网络RTK技术可以实现厘米量级的绝对定位，其平面与大地高精度（中误差）约为3 cm和6 cm［2］。同时，全国不少省市和地区都推算出具有厘米量级精度的似大地水准面模型，并已广泛应用于实际的工程项目中，具有非常重要的实用价值。如海南省与江苏省的2＇30″×2＇30″格网模型，其精度分别为9 cm和7.8 cm。2002年深圳市1 km格网似大地水准面模型，其精度为1.4 cm［3］。其他如北京、上海、南京、大连、成都等多个城市的1＇×1＇似大地水准面模型，其高程转换精度优于 3 cm［4］。

然而，CORS系统与似大地水准面模型在时空上依然保持相互独立，基本上采用后处理或准实时处理（如图1所示）的方式完成GPS高程转换。

图1 高程转换流程图

从图1可以看出，流动站需两次访问数据中心或服务器:第一次访问完成（B，L，H）（大地高）的准确求解；第二次访问完成高程异常内插，实现GPS高程转换。

为实现GPS高程的实时转换，或实时获取某点的大地经纬度B、L（用户坐标x、y）与正常高h，本文将在网络RTK定位模式的基础上，探讨似大地水准面模型与CORS系统的集成方法。

二、CORS系统与似大地水准面模型的集成

基于CORS系统的网络RTK的作业过程中，流动站通过无线网络实时将其概略位置（单点定位三维坐标（B，L，H））送回数据处理中心，中心根据概略坐标位置建立区域内的对流层和电离层改正内插模型，并生成差分改正数发送到流动站（即用户接收机）。

同时，数据处理中心也可根据流动站的概略坐标位置及精化大地水准面模型内插出该点的高程异常（概略位置与实际位置之间相距甚短，一般为3～5 m，两点之间的高程异常基本一致，即为常数），并发回到流动站用户。

（似）大地水准面模型为格网数据（如图2所示），如5＇×5＇、2.5＇×2.5＇或1＇×1＇等间隔。将全球或区域格网精化大地水准面数据存储于处理中心，即可通过一定的内插模型（如加权平均、移动曲面拟合、二次曲面等）计算概略位置的高程异常值。

流动站高程异常采用如下内插模型（如图3所示）

式中，（B，L，H）为流动站的三维概略坐标；ξ为流动站内插计算的高程异常；F（）为内插模型。

图2 全球大地水准面模型示意图

图3 高程异常内插模型示意图

1.基于NMEA0183协议的高程异常

NMEA0183协议是美国国家海事电子协会（National Marine Electronics Association，NMEA）制定的，它是关于GPS电子设备之间的通信接口和协议标准。下面以ARSNet/VENUS系统［5］为例详细介绍基于该协议的似大地水准面集成方法。

可以选用支持RTCM v2.2的RTK仪器（如Trimble、Leica等）来进行网络 RTK定位。其中，ARSNet/VENUS的核心运算是通过数据处理引擎实时估计模糊度、对流层延迟等网络参数，利用用户的NMEA GPGGA数据计算并生成差分改正信息，然后先对差分改正信息进行RTCM编码后，再发送给相应的流动用户（NTRIPClient）［6］。

数据中心首先得到用户的请求，要求获取资源表:

其中，“-＞”表示用户向数据处理中心发送数据（不包含在发送信息之中）；Survey-Controller-15.0为发送请求的用户信息（即移动用户的电子手簿）。

数据中心则向用户发送资源表:

其中，“＜-”表示中心向用户发送数据。

用户得到资源表后，选择服务类型，并将挂载点、用户名、密码和包含概略位置的NMEA 0183信息发送至中心:

其中，用户名和密码采用base64编码加密。

中心在接收到用户概略坐标信息后，即可建立虚拟参考站（virtual reference station，VRS），生成差分改正数据，并对其进行RTCM编码，然后数据中心就会发送RTCM数据。同时，数据处理中心还需要通过似大地水准面模型内插该处的高程异常值，并通过标准的GPGGA信息发送回流动站:

其中，中心发送的 VRS站的 RTCM差分数据是TYPE18的双频载波相位数据，用十六进制数表示。用户发出的GPGGA数据和发回流动站的GPGGA数据唯一不同的是后者带有高程异常值。这样，流动站就可以获得其正常高。

2.基于RTCM协议的高程异常

（1）基本原理

由于RTCM可以发送VRS观测值差分改正数，因此，可以在RTCM改正数上进行一些修改，从而直接在流动站上计算出高程异常或正常高。双差改正数的计算公式如下

图4中，ξ是高程异常，θ是卫星s的高度角，p为关于卫星s的观测值的改正值:p=ξsinθ。

从式（3）可以看出，只要在相应卫星的VRS观测值上加上改正值p，并将其发送到流动站上，即可在流动站上直接计算出相应的正常高。

图4 高程异常计算示意图

（2）算例分析

下面给出基于RTCM协议的高程异常计算实例。

某一参考站和流动站的观测数据分别见表1和表2，卫星坐标见表3，参考站和流动站的精确坐标通过GPS静态测量获得，其坐标见表4。

表1 参考站GPS观测值

表2 流动站GPS观测值

表3 GPS观测卫星坐标 m

以上数据为增加改正数以前的参考站和流动站的坐标和在GPS时下的原始观测值和可见卫星的坐标，这两个站的天线相位中心间相距4.402 6 m。当对流动站的观测数据加入-41.000 m的高程异常改正值后，计算出的大地坐标为

表4 参考站与流动站的准确坐标值

可见水平坐标没有发生变化（见表3流动站坐标），仅仅是高程发生了改变。

三、结 论

1）NMEA0183协议定义了数据中心与用户数据通信的交互协议（以ARSNet/VENUS系统为例），即将高程异常值定义到返回流动站的GPGGA数据中，用户可以获得该点的高程异常；RTCM协议是在相应卫星的VRS距离观测值上加上该点的高程异常值，并将其发回到流动站上，即可在流动站上直接计算出相应的正常高。

2）基于NMEA0183或RTCM协议的（似）大地水准面模型与CORS系统的集成方法，均可通过网络RTK测量模式实现GPS高程的实时转换，即用户可以实时获取流动站的高程异常或正常高，极大地提高了作业效率。

［1］ 中国科学技术协会，中国测绘学会.测绘科学与技术学科发展报告（2011—2012）［M］.北京:中国科学技术出版社，2012.

［2］ 韩国超，刘莉萍，李春华，等.NRTK定位原理与性能测试［J］.测绘通报，2010（6）:30-33.

［3］ 宁津生，罗志才，杨沾吉，等.深圳市1 km高分辨率厘米级高精度大地水准面的确定［J］.测绘学报，2003，32（2）:102-107.

［4］ 李春华.基于网络GPS和精化大地水准面的区域实时三维定位理论与应用［D］.成都:西南交通大学，2010.

［5］ 周乐韬，黄丁发，徐锐，等.一种网络RTK新技术——增强参考站［J］.武汉大学学报:信息科学版，2008，33（1）:76-79.

［6］ 周乐韬.连续运行参考站网络实时动态定位理论、算法和系统实现［D］.成都:西南交通大学，2007.