连续运行基准站系统CORS综述

1、连续运行基准站系统 COR述（丁俊杰 胡昌华）时间：2009-02-26 13:49:00 来源：黄河规划设计2008年第4期国缩小日打印摘要随着GNS S卫星定位应用的普及，CORS作为其重要的基础设施，支持 的定位服务模式越来越丰富。当前国内CORS基准站（网）越来越多，CORS能实时地 向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供GPS观测值（载波相位，伪距）， 各种改正数、状态信息，以及灵活多样的定位服务，且很好的解决了长距离、大规模 的从米级到毫米级别精度需求的GNSS定位问题。本文主要详细阐述了 CORS的概念、组成和定位模式，总结CORS模式下定位的合 理性、先进性和存在的问题

2、。关键词CORS GPS定位原理定位模式优缺点随着全球卫星导航定位系统（Global Navigation Satellite System ,简称 GNSS）、 计算机、数据通信和互联网络（LAN/WAN）等技术的不断发展成熟，连续运行基准站系 统（Continuous Operational Reference Systems, 简称 CORS）应 运而生。CORS很好 的 解决了长距离、大规模的厘米级高精度实时定位的问题，CORS在测量中扩大了覆盖范 围、降低了作业成本、提高了定位精度和减少了用户定位的初始化时间。CORS的出现 又将使测量进行一次变革，那么CORS是如何来定位，又能提供

3、哪些定位模式及各种定 位又有哪些优越性，这就是本文要进行探讨的问题。2 CORS的发展现状CORS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（ActiveControl System, ACS） ”。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 , FP）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，

4、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。CORS是目前国内乃至全世界GPS的最新技术和发展趋势，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COR S当 前国外美国连续 运行基准站网系统（COR0、加拿大的主动控制网系统（CACS）、日本GPS连续应变 监测系统（COSMOS、澳大利亚悉尼网络RTK系统（SydNet ）、德国卫星定位与导航 服务系统（SAPO0都 已投入使用；国内而言，继 深圳率先建立CORS以来，COR S热潮 不断，北京、上海、成都、青岛、武汉、天津、昆明等地也都先后建立了市级CORS3 COR

5、S的定位原理及模式3.1 CORS的概念连续运行参考站系统（Continuously Operating Reference System,简称 CORS）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感术组成的网络，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。3.2 CORS的构成CORS主要由以下几个子系统构成：控制中心、固定参考站、数据通讯和用户部分。控制中心控制中心是整个系统的核心，既是通讯控制中心，也是数

6、据处理中心。它通过通 讯线（光缆，ISDN ,电话线等）与所有的固定参考站通讯；通过无线网络（GSM、CDMA GPRS等）与移动用户通讯。由计算机实时系统控制整个系统的运行，所以控制中心的 软件既是数据处理软件，也是系统管理软件。固定参考站固定参考站是固定的GPS接收系统，分布在整个网络中，一个CORS网络可包括 无数个站，但最少要3个站，站与站之间的距离可达70km（传统高精度GPS网络，站 间距离不过1020km）。固定站与控制中心之间有通讯线相连，数据实时地传送到控 制中心。数据通讯部分CORS的数据通讯包括固定参考站到控制中心的通讯及控制中心到用户的通讯。参考站到控制中心的通讯网络负

7、责将参考站的数据实时地传输给控制中心；控制中心和 用户间的通讯网络是指如何将网络校正数据送给用户。一般来说，网络RTK系统有两 种工作方式：单向方式和双向方式。在单向方式下，只是用户从控制中心获得校正数 据，而所有用户得到的数据应该是一致的，如主辅站技术MAX在双向方式下，用户 还需将自己的粗略位置（单点定位方式产生）报告给控制中心，由控制中心有针对性地 产生校正数据并传给特定的用户，每个用户得到的数据则可能不同，如虚拟参考站VRS 技术。用户部分用户部分就是用户的接收机，加上无线通讯的调制解调器及相关的设备。CORS的工作流程图如图1所示：图1 CORS的I：作流程图3.3 CORS的理论类

8、型3.3.1 VRS 理论VRS(Virtual Reference System , VRS)理论 的虚拟 参考站系统是 由 Herbert Landau博士提出，并由Spectra/Terrasat 公司推向市场的模型。它通过与流动站相邻的各个 参考站之间的基线计算估计各项误差，中心控制站根据三角形插值方法建立一个对应 于流动站点位的虚拟参考站(VRS),将这个虚拟参考站的改正数信息传输给流动站，然 后流动站结合自身的观测值实时解算出流动站的精确点位。服务区内每一个流动站对 应着一个不同的VRS参考站；所以，存在许许多多个VRS参考站。由于VRS参考站发 送的是正常格式的RTCM信息，因而

9、流动站并不需要知道参考站所用的参数模型。虚拟参考站(VRS)具有的优势是：(1) 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。(2) 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。(3) 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

10、离没有明显的相关性。3.3.2 全网整体解算模型全网整体解算模型是由GEO+公司Gerhard Wuebenna 博士提出的一种动态模型。 它要求所有参考站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值，实时地传 输给中心控制站，通过中心参考站的实时处理，产生一个称为FKP的空间误差改正参 数，然后将这种FKP参数通过扩展的RTCM信息，发送给所有服务区内的流动站。系统 传输的FKP参数能够比较理想地支持流动站的应用软件，但是流动站系统必须知道有 关的数学模型，才能利用FKP参数生成相应的改正数。还有一种就是律卡公司目前推 荐采用的单参考站模式，原理上与普通GPS作业时的参考站没有太大的区别

11、，每一个 参考站服务于一定作用半径内所有的GPS用户。该方法基于 状态空间模型(SSM-State Space Model) ,其主要过程是数据处理中 心首先计算出网内电离层和几何信号的误差影响，再把误差影响描述成南北方向和东 西方向的区域参数，然后以广播的方式播发出去，最后流动站根据这些参数和自身位 置计算误差改正数。FKP方法的优点在于当基准站受到诸如多路径反射或高楼的信号遮挡等影响的时 候，自动重新组成FKP的平面，单向数据通讯降低用户的作业成本和保持用户使用的 隐秘性。FKP方法在德国、荷兰和其它欧洲国家有广泛的应用。FKP以RTCM59格式向RTK流动站提供与距离相关的误差分量。FK

12、P方法中，数据 处理程序计算每颗卫星覆盖的区域，并按一定的时间间隔(10秒以内)播发电离层、 对流层、轨道等的影响。FKP中用一个线性区域多项式表示与位置相关的误差，它的 参考面平行于WGS-84椭球面，高度为基准站的高程高度。VRS和FKP的区别在于，FKP是一种广播模式。Herbert Landau 认为FKP的参数 是通过基准站间的残差计算出来的，为了计算这些残差必须使用轨道信息和一个对流 层模型，否则难以确定网络RTK模糊度。因为基准站经常没有气象设备，因此必须使用标准大气对流层模型误差，将会影响改正数的精度。3.3.3 主辅站技术主辅站技术由瑞士保卡测量公司提出。它是基于最新多基站、

13、多系统、多频(L1、 L2、L5)和多信号非差处理算法，其基本概念是将所有相关的代表整周未知数水平的观 测数据，如弥散性的和非弥散性的差分改正数，作为网络的改正数播发给流动站，它 本质上是区域改正数(FKP)的一种优化，选择距离流动站最近的一些有效参考站作为单 元进行网解，发送主站差分改正数和辅站与主站改正数的差值给流动站，对流动站进行加权改正，最后得到精确坐标。其数据传输过程如图2所示。Rcvrr砌R敝园处理中心r向乞计处理，包括楫桐！斜 解算' 组成相型类型的数 据.主站改正物1003相I音个朝靠i改正数递渤fi J4站相对于主站犒站D金收主站小 正题1W3) 中；博站找正- 敬盖

14、；如进 行改正数内|7图2主辅站的概念图2中，5个基准站(A,B,C,D,X )组成一个网络单元，其中主站为A,其它为辅 站，一个数据处理中心和一个流动站。MA技术的整个处理过程为数据处理中心首先进 行基准网的数据处理如模糊度解算，辅站相对于主站改正数差的计算，然后把主站改 正数和辅主与主站改正数差发送给流动站。主辅站技术可以使用单向数据通讯和双向 数据通讯两种方式。单向数据通讯方式下的主辅站技术LEICA称为MAX技术，双向数 据通讯方式下的主辅站技术称为i-MAX技术。MAX技术中同一个网络单元中发播同一 组数据，用户接收机目前只有LEICA公司生产的新型接收机才能使用。i-MAX技术与

15、VRS技术一样，流动站必须播发自己的概略位置给数据处理中心，数据处理中心根据 其位置计算出流动站的改正数，再以标准差分协议格式发播给流动站，流动站可以是 各种支持标准差分协议格式的接收机。3.3.4 综合误差内插法(CBI)综合误差内插法由武汉大学GPS工程中心提出，其基本思想是在基准站计算改正 信息时，综合误差内插法不对电离层延迟、对流层延迟等误差进行区分，也不将各基 准站所得到的改正信息都发给用户，而是由监控中心统一集中所有基准站观测数据， 选择、计算和播发给用户的综合改正信息。3.4 CORS支持下的定位模式单基站系统：就是只有一个连续运行站。类似于一加一的RTK,只不过基准站由一 个连

16、续运行的基准站代替，基准站上有一个控制软件实时监控卫星的状态，存储和发 送相关数据。多基站系统：分布在一定区域内的多台连续观测站，每一个观测站都是一个单基 站，同时每一个单基站还有一个中央控制计算机控制。3.4.1 DGPS差分GPS ( Differential GPS , DGP0 要求至少有两台接收机，一台固定，一台用于流动定位。固定的接收机是关键，流动站以它作为参考站来进行GPS卫星测量。 根据差分GPS参考站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距 差分、相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由参考站发送改正数， 由用户流动站接收并对其测量结果进行改正

17、，以获得精确的定位结果。所不同的是， 发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。3.4.2 RTKRTK技术(Real Time Kinematic , RTK)又称为载波相位差分技术，是建立在实 时处理两个测站的载波相位基础上的，它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米 级的高精度。与伪距差分原理相同，由参考站通过数据链实时将其载波观测量及参考 站坐标信息一同传送给用户站。用户站一方面通过接收机接收GPS卫星的载波相位， 同时通过无线电接收设备接收参考站传送的信息，根据相对定位原理组成相位差分观 测值进行处理，实时地以厘米级的精度给出用户站三维坐标。载波相位差分GPS有两种定位方法：

18、改正法和求差法。前者与伪距差分相同，参 考站将载波相位的改正量发送给用户站，对用户站的载波相位进行改正，然后求解坐 标。后者是将参考站的载波相位发送给用户站，并由用户站将观测值求差进行坐标解 算。3.4.3 网络 RTK网络RTK也称多基准站RTK,是近年来在常规RTK、计算机技术、通讯网络技术的 基础上发展起来的一种实时动态定位新技术。网络RTK系统是网络RTK技术的应用实 例，它由基准站网、数据处理中心、数据通讯链路和用户部分组成。一个基准站网可 包含若干个基准站，每个基准上配备有双频全波长GNSS接收机、数据通讯设备和气象 仪器等。基准站的精确坐标一般可采用长时间GNSS静态相对定位等方

19、法确定。基准站GNSS接收机按一定采样率进行连续观测，通过数据通讯链路实时将观测数据传送给数 据处理中心，数据处理中心首先对各个站的数据进行预处理和质量分析，然后对整个 基准站网数据进行统一解算，实时估计出网内的各种系统误差的改正项（电离层、对 流层和轨道误差），建立误差模型。网络RTK系统根据通讯方式不同，分为单向数据 通讯和双向数据通讯。单向数据通讯中，数据处理中心直接通过数据发播设备把误差 参数广播出去，用户收到这些误差改正参数后，根据自己的位置和相应的误差改正模 型计算出误差改正数，然后进行高精度定位。双向数据通讯中，数据处理中心实时侦 听流动站的服务请求和接收流动站发过来的近似坐标，

20、根据流动站的近似坐标和误差 模型，求出流动站处的误差后，直接播发改正数或者虚拟观测值给用户。基准站与数 据处理中心间的数据通讯可采用数据网DDN或无线通讯等方法进行。流动站和数据处 理中心间的双向数据通信则可通过GPRS CDMA等方式进行。单基准站系统虽说比常规RTK有所改进，但还是不能解决向长距离定位等问题， 多基准站系统在作业过程中，用户站从一个参考站的有效精度范围进入另一个参考站 的精度范围，严格意义上讲还是属于常规RTK,如果要使基线精度优于3厘米，需要 在一个区域内密集的布设参考站，站间距离应小于30km。精度随着基线的增长而衰减， 且分布不均匀，如果要求按一定精度覆盖整个区域，需

21、要架设较多的参考站。需要的 投资也是巨大的。我们完全可以在一个较大的范围内均匀稀松的布设参考站，利用参 考站网络的实时观测数据对覆盖区域进行系统误差建模，然后对区域内流动用户站观 测数据的系统误差进行估计，尽可能消除系统误差影响，获得厘米级实时定位结果， 网络RTK技术的精度覆盖范围大大增大，且精度分布均匀。网络RTK系统基准站数据 可以为各种用户提供GPS原始数据服务；网络RTK分米级实进定位可以满足城市和市 政测图、资源管理、精细农业、环境监测、水利测量、车辆自动定位导航系统、GIS、 资产和市政管理等；网络RTK厘米级高精度定位可以满足地籍测量、建筑放样和施工 控制、港口和受限制水道的精

22、密导航、线路道路测量、高精度资产管理、地形测量和 工程测量、油气勘探等。3.4.4 VRS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。（见图3）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

23、的限制问题，并保证了用户的精度。aooj0-0.013图4两种模式下成果较差（单位：米）虚拟参考站（VRS）具有的优势是：它只需要增加一个数据接收设备，不需增加用 户设备的数据处理能力，接收机的兼容性比较好；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；在整个VRS生产步骤中对流层模型是一致的，消除 了对流层误差；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。但VRS技术要求双向数据通讯，流动站既要接收数据，也要发送自己的定位结果 和状态，每个流动站和数据处理中心交换的数据都

24、是唯一的，这就对系统数据处理和 控制中心的数据处理能力和数据传输能力有很高的要求。由于通讯技术和计算机技术 发展较快这些问题影响也不大，VRS技术目前应用得比较广泛，可以说网络RTK技术 的一个代表。3.4.5 组合定位模式CORS的各基站都在连续的观测和不停的播发各种改正数，那对于条件较差的地区 可采各种定位模式的组合定位，如采用VRS+DGPS有利于改善观测条件，提高点位精 度。组合模式定位的理论有待进一步的研究。4 CORS在工程控制网中应用当前全国各地众多测绘任务中，测区控制点的收集相对比较麻烦，有了 CORS无 需再联测已知控制点，只要申请相关时段的CORS数据即可。下面是在某市1

25、: 500地 形图测绘控制网施测过程中利用两个CORS站点作为起算数据与联测三个已知点的成 果比较情况。（见图4）从上图可以看出最大较差不大于1.5cm，所以基于CORS的GPS工程控制网所取得 的成果满足规范的要求。同时，CORS的优势和重要性还体现在以下几个方面：(1) 可以大大提高测绘精度、速度与效率，降低测绘劳动强度和成本，省去测量 标志保护与修复的费用，节省各项测绘工程实施过程中约30%的控制测量费用。由于 城市建设速度加快，对GPS-C、D、E级控制点破坏较大，一般在5-8年需重新布设， 至于在路面的图根控制更不用说，一二年就基本没有了，各测绘单位不是花大量的人 力重新布设，就是仍以支站方式，这不但保证不了精度，还造成了人力物力财力的大 量浪费。随着CORS基站的建设和连续运行，就形成了一个以永久基站为控制点的网络。 连续运行