VRS技术与PPK的作业方法在西藏CORS系统中适用性验证

黄训兵 王涛

（西藏自治区测绘院，西藏 拉萨 850000）

0 引言

当前，在现代测绘基准体系当中，全球卫星导航系统（GNSS）连续运行参考站（CORS）是最为具有基础性的工程之一。与其他测量手段相比，基于CORS 的测量在精准度和测量效率上具有一定优势，而我国的CORS 的网络RTK 除西藏以外的地区应用较为广泛。由于西藏通信网络覆盖率低、CORS 建设维护状况相对落后等一系列原因，西藏CORS的使用率相对较低。虚拟参考站法（VRS）技术与事后差分动态处理方法（PPK）是目前比较成熟的技术，将这两种技术结合起来运用或将适合西藏区域特点，验证VRS与PPK 相结合的作业方法在西藏CORS 系统中的适用性，对于推广西藏CORS 的应用，对发挥西藏CORS 服务西藏社会经济发展有着很强的现实意义。

1 西藏CORS应用的现状

目前，西藏CORS 系统的应用水平远落后于区外省份。主要表现为：（1）西藏基站相对较少，2019 年前，投入使用的只有少量现代基准的陆态网络基准站[1]，2019 年底，新建的30 个GNSS CORS 开始投入运行。目前，接收机主要为南方SOUTHNETS9、天宝（Trimble）NETR8/9系列。（2）西藏CORS系统的运行状态有待提高，主要原因是维护经费和人员较少、气候环境恶劣、维护难度大等，目前，仍有部分基站数据需要人工拷贝数据，西藏CORS 每天平均观测时长为23.41h，95%的分位点为23.35h；平均数据有效率为96.90%，95%的分位点为96.96h；数据连续性方面中断比例达19.56%[2]。（3）数据使用率相对较低，目前仅有36 家单位注册使用相关服务。西藏CORS 系统实时对外发布服务从2019 年年底才正式开始，起步较晚，作业单位更习惯采用传统RTK 测量的作业方法，使用CORS 系统的作业生产的习惯尚未培养形成，使用意愿不强烈。

2 西藏CORS应用的展望

2.1 VRS技术在西藏CORS系统应用的初步探讨

多基站差分是现在和未来GPS 发展的一个重要方向，用于多基站差分系统的数据处理方法将会是多样化的，作为对数据进行处理的有效手段，虚拟参考站法(VRS)表现出了许多的优势，目前是世界上应用最为广泛的一种网络RTK 技术，因此有其存在的价值，该方法也会有进一步的发展。使用VRS解算模型的软件有Trimble公司的GPSNet、Topcon公司的TopNet、南方测绘公司的Venus。

VRS 工作原理和流程如下：（1）多个参考站将观测数据实时传送至数据中心。（2）数据中心针对从参考站内获取到的不同基线所具有的载波相位全周期模糊度数值进行在线计算和解析。（3）计算出参考站各个网络的整周模糊度以后，通过参考站（网）相位观测所得的数值进行不同基线造成误差源头的具体或者整体误差造成影响的数值，以此为基础进行空间参数模型的构建，主要参数包括对流层、电离层、轨道误差等有关距离所存在的误差。（4）流动站利用通过单点定位粗略的坐标（NMEA-0183 格式）经由数据链路向数据中心进行传输，利用流动站单点定位的概略坐标进行虚拟参考站（VRS）的创建，随后利用用户、参考站以及卫星之间存在的几何关联，通过内插计算，获取到VRS上对不同误差源产生影响的改正值，并以RTCM的格式依据差分改正数据向流动站用户进行发送。（5）数据中心在将差分改正数据传送给用户以后，流动用户通过差分解析计算确定修正后的位置。在这一运行模式下，流动用户站跟VRS 之间形成短基线，因为控制中心对参考站获取到的观测值进行模拟，在物理层面上实际并不存在，因此被叫虚拟参考站[3-4]。VRS具体运行原理见图1。

在未来几年内，我们国家除西藏以外的地区已广泛应用基于VRS 技术的CORS 网络RTK 服务，还难以在西藏CORS系统中实现应用。主要瓶颈为以下三个方面：（1）部分西藏CORS 因为硬件条件的限制，观测数据依赖人工拷贝，无法实时传送回数据中心。（2）目前西藏CORS 尚未组网，只能满足单基准站差分服务的需求，基于VRS技术网络RTK需要多个（三个以上）CORS的实时观测数据参与距离相关误差的空间参数模型的解算。（3）基于VRS技术网络RTK，需要建立信息中心与用户实时的双向数据传输链路，西藏地广人稀，通讯设施建设的水平与其它省份差距巨大，还存在着很多无线网络盲区或不稳定区域，制约了基于VRS技术网络RTK的应用。

针对以上三个方面的应用瓶颈，事后差分动态处理方法（PPK）或可很好的解决。

2.2 PPK在西藏CORS系统应用的优势

在无线网络盲区或不稳定区域，用户无法实时稳定地接收到VRS的差分改正信息，故实时的VRS技术在西藏地区还存在很大据局限性。通过事后在用户站附近位置生成VRS观测数据的方法，利用动态定位后处理技术（PPK）实现VRS 与用户站的事后差分解算，可作为CORS网络RTK服务的一种补充手段。关键技术在于构建出VRS上的观测值和动态后处理算法[5]。

PPK 是目前比较成熟的数据处理方法，PPK 无需进行动态数据的传输就能够开展实时监测，在野外进行测量的过程中，地面的物体和地貌通常不会对移动站跟基准站造成影响，所以相较于动态RTK，事后差分PPK 测量系统具有显著的优势[6]，而VRS 技术与PPK 的作业方法在西藏CORS 系统应用中则更加符合西藏地区的实际情况，其优势主要表现为以下几个方面：

一是采用PPK 测量方式的优势是可以实现虚拟参考站VRS 技术在西藏CORS 系统的应用，目前西藏CORS 系统尚未组网，无法实现基于VRS 技术网络RTK 服务，只能单基站差分，使用PPK 技术后，可以按实际需求选取多个基站数据采用虚拟参考站VRS 进行差分，在有效距离方面，虚拟参考站VRS 的应用使得RTK 技术从15km 提高到超过50km，极大地提高了中长基线(20km～50km)上的相对定位精度[7]。二是扩大了西藏CORS 系统可用的空间范围和应用场景，有助于提高西藏CORS系统的利用率。现阶段应用的单基站CORS 差分技术30km 以内的实时定位精度较好[8]，但这种技术依赖无线网络信号，西藏地区通讯基础设施建设还很落后，尚存在大面积的无线网络盲区或不稳定区域，单CORS 基站差分网络RTK 的实际可用范围受到了客观条件极大的制约。而现阶段西藏地区更广泛的采用传统RTK技术，会随着基线长度的增加，站间对流层和电离层等误差所存在的关联不断下降甚至清除，站间星际差分无法将距离有关的偏差进行减弱甚至消失，传统RTK理论基础决定了其单基站的作业范围不宜过大。同时，传统的RTK系统所使用的数据一般是RTCM 差分信号，是通过超高频UHF、甚高频VHF 获取的，实际作业范围当然会受到电台发射的功率和站间“电磁波通视”条件的限制，通常情况下，电台的信号覆盖半径不超过15km，由于UHF 与VHF 的衍射性能差，而且都是站间直线传播，这就要求天线必须“准光学通视”，所以在山区、林区或者荒漠地区等地形、地貌较为复杂的地区，传统RTK 作业范围会受到很大限制。而不依赖于网络信号和电台传输数据的PPK 处理技术就较好的解决了这个问题。三是减少了野外作业的工作量，节约了测量成本，传统RTK 需要架设基准站，在人工、设备、和车辆调配上成本相对较高，架设一次基准站作业的范围相对较小，超出作业范围需要频繁重新架设基准站，采用PPK 的测量方式后，CORS 系统得以应用，在野外控制测量等工作上免除了大量的低等级控制导线、控制网的测设作业。而高原环境下氧气缺乏、寒冷、紫外线强烈、气压低等都会造成人不同程度的生理性损伤，出现无法正常呼吸，会引发头疼、心率过快、血压增加、脏器变大等症状，长时间的环境性缺氧甚至会造成永久性伤残[9]，降低野外作业的实践和强度对于西藏地区具有十分重要的意义。

3 基于VRS 技术的CORS 系统PPK 测量方式在西藏地区的验证

流动站初始化与数据采集：首先要对流动站进行初始化处理，完成以后，采样间隔为5s，在无通信数据链的情况下，直接测量点位，并将静态观测信息进行保存，在各个点进行20 分钟的观测，始终保持开机状态，使接收机持续对卫星进行跟踪。假如卫星发生失锁问题，需要重新将接收机初始化，并依据上述操作流程重新操作。

测试方法：（1）选取拉萨附近19 个C 级点作为测试点，将它们的成果坐标作为参考值；（2）按5min、10min、15min、20min 时长，截取测试点位观测数据（采样率均为1s，历元数分别为300、600、900、1200）；（3）选取西藏CORS 墨竹工卡站（XZMZ）、江孜站（XZJZ）、申扎站（XZSZ）三个参考站连续观测数据参与解算，利用PPK 服务平台软件分别生成各点位的VRS 观测数据，并以VRS 为基准点，通过动态后处理差分解算测试点位结果；（4）对比解算结果与参考值差异。测试点位不同时长测试数据均能获得固定解，因数据保密需要，只将计算结果与参考值三维分量差值展示，见图2。

不同分量上的误差中误差情况见表1。

表1 测量点中误差的中误差表（单位：m）

在实际作业过程中，能否快速定位也是一项重要的考量指标，为了进一步研究采用VRS与PPK 相结合的作业方法在西藏地区CORS应用中不同观测时长的平面位置收敛性，图3 为拉林5 点位上的平面误差收敛效果图。

4 结论

基于上述测试数据可以看出：（1）通过图2可以看出，在采用广播星历的情况下，生成的VRS 数据用于长基线静态后处理精度可以达到±5cm 以内；（2）根据西藏自治区测绘院30 个CORS 交付使用前的单基站CORS网络RTK精度检测，流动站在30km以内X、Y方向的分量精度在±5cm 左右，通过表1可以看出，基于西藏CORS 系统采用VRS 技术和PPK 作业模式，5min 观测时长与单基站CORS 网络RTK 精度相当。（3）通过图3 可以看出，基于西藏CORS 系统使用VRS技术与PPK 作业方法，平面位置误差随着历元数增加收敛，当流动站采样间隔为1s时，5min（300个历元）测站观测时长已经达到较好的精度，延长测站观测时长，差分精度改善不明显。（4）依据VRS技术与PPK 作业方法在西藏CORS 系统中不依赖网络信号、无需设置基准站、长基线、平面位置误差收敛快、精度较高等特性，在西藏特殊地区的作业时，该方法可以作为旧有测量方式的补充或替代方案。

由于西藏CORS 系统暂未进行水准联测，本文未对西藏CORS 系统采用VRS 技术和PPK 作业模式下高程精度进行验证。西藏CORS支持多系统，GNSS在特殊地区多系统提升的效果值得进一步研究。