连续运行参考站系统(CORS)浅探

连续运行参考站系统(CORS)浅探

由于传统的RTK技术需要有测区附的控制点的点位数据.针对当前项目需要架设基准站.以及考虑到初使化时间,改正模型等各方面的因素,CORS系统的建立对于大中城市的基础测绘来说是实用且经济的.

连续运行参考站系统可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网(LAN／WAN)技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值(载波相位，伪距)，各种改正数、状态信息，以及其他有关GPS服务项目的系统。

CORS系统的理论源于上世纪八十年代中期，加拿大提出的 “ 主动控制系统(Active Control System)”.该理论认为,GPS主要误差源来自于卫星星历.D .E .Wells等人提出利用一批永久性参考站点,为用户提供高精度的预报星历以提高测量精度.之后基准站点(fiducial points)的概念的提出,使这一理论的实用化推进了许多.它的主要理论基础即在同一批测量的GPS点中选出一些点位可靠，对整个测区具有控制意义的测站，采取较长时间的连续跟踪观测，通过这些站点组成的网络解算，获取覆盖该地区和该时间段的“局域精密星历”及其他改正参数，用于测区内其它基线观测值的精密解算。当时实时GPS测量技术尚处于可行性讨论阶段，基准站点概念主要不是为了解决实时GPS测量的，而是为了提高静态基线的解算精度。

1995年瑞典与丹麦之间奥雷桑特海峡跨海工程中leica提出的台站网设计思想得到了工程方的认可.从而使台站网测量技术首次得到应用. 随后德国两位博士发表了关于虚拟参考站网的论文和案例，瑞士徕卡公司的研究人员在这些成果的基础上也提出了主辅站技术，并受国际组织的委托着手主持制定有关台站网的国际标准。

目前应用较广的台站网技术有VRS,FKP和LEICA的MAC技术.与常规RTK不同，VRS网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。同时，移动用户在工作前，先通过GSM的短信息功能向控制中心发送一个概略坐标，控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正 GPS的轨道误差，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发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了 RTK作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。

其实VRS技术就是利用各基准站的座标和实时观测数据解算该区域实时误差模型,然后对用一定的数学模型和流动站概略坐标,模拟出一个临近流动站的虚拟参考站的观测数据,然后建立观测方程解算,虚拟参考站到流动站间这一超短基线.虚拟参考站极有可能就是运用的概略坐标,这样的话,由于单点定位的精度,虚拟参考站到流动站的距离一般为几米到几十米之间,如果将流动站发送给处理中心的观测值进行双差处理后建立虚拟参考站的话,这一基线长度可能只有数米.对于临近的点,应该可以只设一个虚拟参考站.就我个人看来,应该是开一次机,用户和数据中心通讯初使化一次,确定一个虚拟参考站.

GPS 区域改正数法FKP 是指利用GPS 基准站观测数据(相位观测值和伪距观测值等) 及基准站已知坐标等信息,计算得到基准网范围内与时间或空间相关的误差改正数模型,然后利用测量点的近似坐标内插出测量点的误差改正数,将它应用到观测值中,从而消除各种

与时间和空间有关的误差,获得高精度的定位结果。就我理解,FKP和VRS唯一的不同就是最后在定位方法上的不同,一个是利用虚拟观测值和流动站观测值做单基线解算,一个是利用改正后的观测值做单点定位解或加入各基准站做多基线解（后者的可能性更大）,其实VRS在确定虚拟参考站的观测数据时就是一个FKP定位的反解.这种方法相对简单明了,而且免去了我对虚拟参考站误差源不完全是否会导致基线解算错误,进而引入更大的误差的怀疑.

虚拟参考站(VRS)具有的优势是：它允许服务器应用整个网络的信息来计算电离层和对流层的复杂模型，而相反，FKP在对电离层残差影响的模型化方面能力有限，它用于修正的模型非常简单(大多数情况下仅采用了线性内插，如SAPOS 中)，在FKP中，流动站仅能获取两个站的数据来计算大气模型。采用RTCM委员会正讨论的广播格式时，流动站将可以获取很多站的数据，但是仍然很有限，全部的计算都落在了流动站处理器上。在VRS定位中要求具有双向通讯链，而广播模式却不需要双向通讯链。但是，采用诸如GSM 和PRS的双向通讯链是完全可行的，因为蜂窝电话的网络比较完善，而且能够传送流动站接收机所发送(如警告)和接收（如位置特征码）的信息。采用 GSM 和GPRS时，服务的付费方式业也比广播方案容易得多。

VRS的另一个优势是消除了对流层误差，因为正如我们上面所显示的那样，在整个VRS生产步骤中对流层模型是一致的。而在 FKP模式中，则存在着服务器和流动站所用对流层模型不一致的危险 。

VRS值得争论的一个劣势是：它在支持流动站进行动态应用方面有局限性，特别是在大型网络内在运动中进行拨号服务时段内。因为在VRS中，修正信息是在拨号时对初始的流动站位置进行优化而得到的 ，如果流动站在拨号后位置已经移动了，则这种修正对流动站的新位置不一定合适。虽然这种效果仅影响长距离运动的流动站 (几公里)，但通过采用附加的信息，流动站也能在这种情况下工作。天宝的GPSNet™服务器VRS 方案就为此提供了专门设计的RTCM电文59附加信息 (FKPs) 。电文59是公众已知的一种信息，它对VRS流动站位置的FKP进行了优化 ，并且是由网络定位而导出的FKP。因而，如果流动站能从GPSNet™接收VRS数据流，那么它将具有这两者的优势，它就可以接收已经对提供的初始流动站位置进行了优化的数据流。此外，随着流动站运动的延伸，它能通过初始位置周围的线性FKP模型来不断修正局部的影响。

各种虚拟参考站系统在理论上具有明显的优势。系统在DGPS、准实时定位及事后差分处理的服务半径上与单参考站没有任何差别，但是在RTK作业半径方面应该可以得到较大距离的延伸。只要无线电通信或其它数据传输手段能够保证，那么RTK的作业半径也有可能达到30公里以上，未来的潜力甚至可以更大。虚拟参考站系统的另一个显著优点就是它的成果的可靠性、信号可利用性和精度水平在系统的有效覆盖范围内大致均匀，同离开最近参考站的距离没有明显的相关性。在虚拟参考站领域内的最新进展就是徕卡公司于2002／2003期间提出的主辅站技术，又称改进的FKP技术，它克服了原始的VRS及FKP技术很多固有的缺陷，有关国际标准正在研究制定之中，不久将来会陆续推广使用。

虚拟参考站系统的不利之处在于：⑴目前由于各种方法都不是十分成熟，技术上还没有统一的国际标准，非标准化带来一系列兼容性问题。⑵同时整体解法从事RTK作业需要额外的外部装置，给外业人员增加一定的负担，给系统的稳定性造成一定的隐患；插值解法则因模型完善性较差，且需要双向通信，经常无法实现RTK作业。⑶系统的首期投入较大，需要较多的启动资金，明显超出我国绝大多数中小城市和一般省市自治区主管业务部门的承受能力。它至少需要建立三个以上台站构成一个网络，才能按照虚拟参考站理论开展模型计

算工作。⑷误差模型的生成还存在许多问题，在电离层和对流层强烈活动条件下出现的大误差仍然是一个影响实际使用的大问题。由于采用的模型不正确，实时获得的流动站点位成果根本无法确定其实际可靠性程度，贸然使用则存在较大的风险。[5]任何一个台站故障都有可能导致整个系统的瘫痪；任何一个台站的某一个卫星的信噪比欠佳，都有可能减少卫星模型改正数的数量，导致RTK无法正常进行。[6]覆盖一个数万平方公里的大城市，至少需要一次建立十来个甚至更多台站，不但投资数额惊人，而且日常管理与维持费用也十分可观，所以在国内外除一些小型试验网外，还很难找到几个大型综合性台站网成功运行的案例。 单参考站网的优势就在于：⑴首期投入较少。只要人民币150-200万左右的投资即可初步满足一个大中城市广大用户不同层次空间信息技术服务的需要：台站所在城中心及近郊区、城市进出口主要交通沿线，以及各设站点区县城镇城乡地区都可以进行快速厘米级实时定位，城市其他地方均可进行厘米级准实时定位或获得其它各种快速定位技术服务。⑵随时可以升级和扩展。除了单参考站系统可以随时增加新的台站，加大实时RTK作业的覆盖区外，一旦虚拟参考站系统有了国际标准，只要进行系统软件的升级，花费不大的投资，单参考站系统即可轻松地纳入虚拟参考站网系统。⑶系统灵活、安全、可靠、稳定，即使在前几年太阳活动的高峰期内，由于徕卡GPS接收机机内实时处理模型存在多种选择，在适当缩短作业半径的条件下，仍可保证上述技术指标的实现，目前徕卡的RTK作业半径已经扩大到30公里以上，利用GSM进行50－80公里左右RTK测试成功案例已经屡见不鲜。⑷不需要任何额外的装置，不需要报告流动站点位的双向数据通信设备，流动站进行自主被动定位，不会暴露流动站的目标位置，可以满足军事等特殊部门的精密定位要求。[5]施工周期短。单参考站网技术经过多年实践表明它是一种比较成熟的技术，从方案落实开始采购设备，安装调试，到验收运作不超过6个月，基于虚拟参考站理论的其它方案存在许多不确定的因素，增加了系统的投资风险。

根据以上简单的对比，我们可以得出如下基本结论：在当前技术水平和市场可供产品条件下，我国各省、市、自治区及城市开展GPS参考站网建设，从规避系统风险、提高投资效益角度出发，选择单参考站网系统是比较符合中国国情的一个优选方案。 衡量台站网性能的技术指标

(1) 有效服务范围。分别给出在指定设备配置条件下，不同作业模式用户的可利用系统服务的水平。一般应该就RTK、准实时GPS测量、RT-DGPS、后处理静态或动态定位等作业模式分别给出相应的服务半径和覆盖面积。不同的配置将产生极大的性能指标差异。 (2) 可利用性(availability)。在有效服务范围内，并正常取得卫星信号情况下，能够取得台站的服务信息并获得定位解的概率。系统设计与建设部门应该尽量使此项指标保持在85％以上的水平。

(3) 可靠性(reliability)。在获得定位解的条件下，符合精度指标的与采用的观测样本总数的比值。台站网的设计和施工部门都应该力争将此项指标维持在95％以上，也就是说定位成果抽样检查的淘汰率应该小于5％。

(4) 精度(accuracy)。给出不同距离条件下不同模式定位成果的误差范围。

(5) 效率(efficiency)。是指在不同距离上不同作业模式获取可靠定位成果所需要的最少时间、安全时间、保守时间。

(6) 系统的平均无故障时间、完备性监测功能(integration monitoring)、容错性以及系统的智能化、自动化、信息化水平。

(7) 其他指标。如可供使用的通信手段、同步服务用户的数量、兼容性、系统建设与维护的成本等等。

连续运行参考站系统在理论上点位精度可以达到２～３个厘米，我们看到trimble在北京的测试中已经达到这个标准，但是我在武汉的同学说他们在武汉市ＣＯＲＳ试运行期间所测量的点，一般点位精度为５ＣＭ，这可能和原有资料以及投影参数有关．但是利用ＣＯＲＳ系统作图根控制是足以满足要求的．至于高程方面，则需要建立当地高精度似大地水准面，这方面的内容请参看李建成老师关于厘米级似大地水准面的著作．

连续运行参考站系统（CORS）的建设现状

连续运行参考站系统能够全年365天，每天24小时连续不断地运行，全面取代常规大地测量控制网。用户只需一台GNSS接收机即可进行毫米级、厘米级、分米级、米级的实时、准实时的快速定位、事后定位。全天候地支持各种类型的GNSS测量、定位、变形监测和放样作业。可满足覆盖区域内各种地面、空中和水上交通工具的导航、调度、自动识别和安全监控等功能，服务于高精度中短期天气状况的数值预报、变形监测、地震监测、地球动力学等。连续运行参考站系统还可以构成国家的新型大地测量动态框架体系和构成城市地区新一代动态基准站网体系。它们不仅满足各种测绘、基准需求，还满足多种环境变迁动态信息监测需求。目前，发达国家基本上每几十公里就有一个站，发展中国家也在陆续地建立起连续运行参考站系统。

一、美国连续运行参考站网系统（CORS）

美国主要有3个大的CORS网络系统，分别是国家CORS网络、合作CORS网络和加利弗尼亚CORS网络。目前，国家CORS网络有688个站，合作CORS网络有140个站，加利弗尼亚CORS网络有350多个站，并且以每个月15个站的速度增长，超过155个组织参加了CORS的项目。美国国家大地测量局（NGS），美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家海洋服务办公室分别管理国家CORS和合作CORS。NGS的网站向全球用户提供国家CORS网络基准站坐标和GPS卫星跟踪观测站数据，其中30天内为原始采样间隔的数据，30天后为30秒采样间隔的数据，此外NGS网站还提供网上数据处理服务（OPUS）。合作CORS的数据可以从美国国家地球物理数据中心下载，并且所有数据向合作组织自由开放（Richard Snay，2005）。

二、加拿大的主动控制网系统（CACS）

加拿大主动控制网系统（Canadian Active Control System -CACS）目前由加拿大大地测量局和地质测量局负责维护和运行。到2006年5月，CACS拥有14个永久性跟踪站、12个西部变形监测站和20个区域主动控制站。通过分析多个基准站的GPS数据，监测GPS

完好性和定位性能，计算精密的卫星轨道和卫星钟差改正，提供有效的现代空间参考框架和提高GPS应用的有效性和精度。利用CACS提供的精密卫星星历、精密的卫星钟差改正和基准站的观测值，在加拿大的任何位置使用单台接收机定位可获得一个厘米到几米的精度定位结果。

三、澳大利亚悉尼网络RTK系统（SydNet）

SydNet是在2003建立的CORS网络，所有基准站位于悉尼市区，使用光纤连接到控制中心，数据处理和发布中心位于Redfern的澳大利亚技术园（ATP）。用户配备单台GPS接收机和无线网络通讯设备，就可获得厘米级的实时定位结果。该系统不仅可以为土地测量控制服务，取代地区的测量控制网，还是一个在通讯、用户应用方面进行网络RTK技术研究的开放实验室。

四、德国卫星定位与导航服务系统（SAPOS）

SAPOS是德国国家测量管理部门联合德国测量、运输、建筑、房屋和国防等部门，建立的一个长期连续运行的、覆盖全国的多功能差分GPS定位导航服务体系，是德国国家空间数据基础设施。它由200个左右的永久性GPS跟踪站组成，平均40km一个站，其基本服务是提供卫星信号和用户改正数据，使用户得到厘米级精度水平的定位和导航坐标。SAPOS采用区域改正参数（FKP）的方法来减弱差分GPS的误差影响，一般以10s的间隔给出每颗卫星区域改正参数。SAPOS把德国的差分GPS服务按精度、时间响应和目的分成了四个级别：1）实时定位服务（EPS）；2）高精度实时定位服务（HEPS）；3）精密大地定位服务（GPPS）；4）高精度大地定位服务（GHPS）。与美国的CORS、加拿大的CACS一样，SAPOS构成了德国国家动态大地测量框架。

五、日本GPS连续应变监测系统（COSMOS）

日本国家地理院（GSI）从90年代初开始，就着手布设地壳应变监测网，并逐步发展成日本GPS连续应变监测系统（COSMOS）。该系统的永久跟踪站平均30km一个，最密的地区如关东、东京、京都等地区是10～15km一个站，到2005年底已经建设1200个遍布全日本的GPS永久跟踪站。该系统基准站一般为不锈钢塔柱，塔顶放置GPS天线，塔柱中部分层放置GPS接收机、UPS和ISDN通信modem，数据通过ISDN网进入GSI数据处理中心，然后进入因特网，在全球内共享。

COSMOS构成了一个格网式的GPS永久站阵列，是日本国家的重要基础设施，其主要任务有：1）建成超高精度的地壳运动监测网络系统和国家范围内的现代“电子大地控制网点”；2）系统向测量用户提供GPS数据，和具有实时动态定位（RTK）能力，完全取代传统的GPS静态控制网测量。COSMOS主要的应用是：地震监测和预报；控制测量；建筑、工程控制和监测；测图和地理信息系统更新；气象监测和天气预报。

六、国内连续运行参考站系统建设现状

国内连续运行跟踪站的建设，已经进入蓬勃发展的阶段。目前主要动态和进展有： 1）国家测绘局从1993年开始着手建立国内永久性GPS跟踪站，用于定轨、精密定位和地球动力学监测，目前有武汉、北京、拉萨、乌鲁木齐、哈尔滨、海南、西安等连续运行站。1994-1997年，国防科工委、国家测绘局共同资助武汉测绘科技大学等单位研究建立中国多功能广域差分站网方案。该研究提出了多功能分布式站网建设方案思想，避免了通信瓶颈问题，通过工程性试验，证明1000km左右的差分定位精度可达到±1m的量级，单频GPS接收机实时动态定位在50km范围内也可达到厘米级水平。

2）中国地壳运动观测网络。观测网络的一期工程由中国地震局牵头，参加的有中科院、总参测绘局、国家测绘局，共建设了遍布全国的25个连续运行GPS基准站（包括国家测绘局的已建站），平均站距800km。所有站按照30s采样间隔记录数据，每天传至分析中心，实现了上述四个部门数据共享。目前，二期工程也已经启动，国家气象局和教育部也加入到这一工程中，并计划在全国建立200多个永久性跟踪站和1000多个监测点。

3）香港地政署在香港建立13个GPS永久跟踪站，平均站距10km左右。通过因特网共享或用户选择性方式提供GPS数据服务，开展准实时和事后精密定位服务，用于满足香港城市发展需要，特别是香港西北部发展建设的需要。

4）深圳连续运行卫星定位服务系统。它是我国建立的第一个实用化的实时动态CORS系统，其实时定位精度可达到平面3cm，垂直5cm，系统由5个GPS基准站、一个系统控制中心、一个用户数据中心、若干用户应用单元、数据通信系统5个子系统组成，各子系统互联，形成一个分布于整个城市的局域网或城域网。网络实时动态定位采用VRS技术，系统的数据服务分两种方式：通过访问服务器以GSM数据通信方式向用户提供实时精密定位服务；通过Internet网络向用户提供精密事后处理的数据服务，并发布系统工作状况、新闻等动态信息。其主要功能为：1）采用VRS技术提供GPS实时测量数据服务，满足非隐蔽区工程测量、地图修测等要求；利用一台测量型GPS接收机即可进行城市各级控制点测量；2）采用GSM数据通信技术进行实时定位的数据服务，利用Internet实现事后精密定位的数据服务；3）完成了永久性的基准站网络系统，可升级为国家级GPS跟踪站、国家地壳形变监测站。

5）成都市GPS虚拟参考站定位服务系统。由四川省地震局建设，具体项目实施由该局减灾救助研究所负责完成。自2002年4月开始组织专班进行调研及可行性，至2004年5～6月建成4个基站，平均站间距约70公里，控制面积约6000平方公里；2004年9月底完成扩建2个基站的设备安装，联网后实现对成都市及周边地区约10000平方公里范围的系统覆盖。

系统由Trimble公司协助建设。网络以监测地壳运动服务于地震预测预报为主要目标，同时兼顾大地测量、国防建设和成都地区国民生产以及科学研究的需要。建成后，四川省地震局组织力量进行了大地水准面模型的精化及大量测试工作。经测试，各项指标达到或超过设计指标。目前，已实现GSM、GPRS、CDMA等多种形式的实时数据发播及事后差分数据的网上发播。

6）上海地区综合GPS服务网。该项目的宗旨是在上海地区建立一个高精度、高效率、高覆盖率的GPS综合应用服务网，应用于上海地区的气象服务、大地测量、工程测量、地

壳形变和地面沉降的监测以及城市地理信息系统（GIS）应用等，同时作为上海城市信息化管理的基础设施，一网多用，提供全方位的日常服务。拟定的该网由14个地面GPS基准站、50个高精度大地测量控制点、20个地面形变监测点、一个中心处理站、一个气象工作站和一个大地测量工作站组成。14个地面GPS基准站分布为：上海地区5个，周边江、浙、皖地区共9个。中心处理站设在上海天文台，GPS气象工作站设在上海中心气象台和GPS大地测量工作站设在上海市测绘院。14个基准站作为永久站进行每天24小时的连续观测，并将GPS观测数据实时传播至中心处理站进行处理，上海周边的9个GPS站平时进行常规观测，在上海三维大地测量控制网和地面沉降监测网进行布测和复测时，集中回上海进行观测，任务完成后仍回原地进行常规观测。

7）北京市全球卫星定位综合应用服务系统“实验网”。该网由北京市信息资源管理中心建立，主要目的是为将在北京地区建立由28个地面GPS参考站组成的地面卫星连续观测GPS服务网系统方案中建设内容、关键技术、资金预算、运行管理、服务开发等方面进行论证，为系统的一期工程做好充分准备。

北京“实验网”采用虚拟参考站（VRS）技术，设置4个参考站控制北京市区，采取了政府专网和歌华有线数据网共存的通信方式，数据传输绑定在TCP/IP协议上。所有站点构成一个2M带宽的虚拟专网（VPN）,并具备较大的升级空间。目前实现的功能有：通过因特网下载原始数据；通过数传电台或GSM手机等无线方式获取相应站点的载波相位差分（RTK）数据的应用；通过GSM手机提供虚拟参考站差分信号的应用；为北京市各委办局提供基本的应用服务（已向园林、气象部门提供服务）。 8）武汉市连续运行卫星定位服务系统。武汉市连续运行参考站由武汉市勘测设计研究院承担建设，于2005年3月正式启动，同年6月建成运行。系统采用天宝公司的虚拟参考站技术。首期建设5各基准站，平均间距41.8公里，构成3个三角形。系统试运行期间，能很好的满足系统要求，为系统稳定连续运行提供了基本保障。

9）昆明市连续运行参考站系统。昆明市连续运行参考站系统于2004年3月启动，2005年6月建设并投入生产作业，建立了6个参考站，覆盖昆明市6000多平方公里。系统采用徕卡公司的主辅站技术，支持最新网络RTK国际标准RTCM3.0.

此外，国内目前还有几个已经建成或拟建的系统有：东莞连续运行卫星定位服务系统；安徽气象局参考站网；广东全省连续运行卫星定位服务系统等等。

从国内日益增长的CORS系统来看，国家对CORS系统越来越重视。但是随着CORS系统的深入应用，许多的相对于GPS来说，CORS特有的问题也更加明显的

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