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1、基于GPS虚拟参考站系统的应用实践与思考程远达 余美义上海市测绘院 武宁路419号 200063摘要：虚拟参考站技术作为当今GPS技术发展的方向之一，结合本地的资源搭建具有特色的虚拟参考站系统，并对VRS系统管理与应用的经验进行了总结和对系统有待解决的问题进行了思考。关键词：虚拟参考站技术、VRS系统管理、VRS系统应用、VRS测高、WGS-84与地方坐标系统实时转换1. 概述测绘信息网GPS技术在测量上应用日益广泛，无论是高精度的控制测量还是一般的工程测量，GPS术已渗透到测绘生产应用的各个领域。基于VRS（虚拟参考站Virtual Reference Station）技术的出现，更是为RT
2、K测量提供了新的技术片平台，给测量作业带来的革命性变化。GPS虚拟参考站技术VRS的诞生，使得测量员一进入测区的任何一点就能立即开始GPS高精度实时动态RTK测量成为现实。这一创新的定位理论思想是采用了固定参考站网络来合成“虚拟参考站”，使测区内每个测量员都能使用，它能得到实时厘米级的精度，并大大增强系统的性能和可靠性。这种全新的RTK定位方法从根本上提高了作业效率和测量的质量。对于用户来说，它不再要求建立临时参考站，从而可以节省时间，最大限度的提高了作业效率，节约了成本。在VRS网内，等于已经建立了公用的控制点，消除了不精确的控制点所产生的误差传播。正是因为VRS技术给测量作业带来的革命性变
3、化，在国内掀起了建设VRS系统的浪潮，北京、天津、上海、深圳、成都、青岛、东莞、苏州等多家城市都建立了自己的VRS系统，VRS系统除了应用于测绘领域外，还在气象、天文、导航和其他社会功能方面得到推广应用。2005年5月上海VRS系统完成一期建设，同年7月开始试运行免费向注册用户开放，2006年5月1日系统开始商业化运行。系统运行近二年来，已为用户提供十多万次的动态定位服务，同时还为用户提供静态数据下载和气象、天文等单位提供数据，发挥了极大的社会效益，也积累了系统应用和管理方面的经验，本文着重对VRS系统的应用提出几点思考。2. 虚拟参考站技术测绘信息网虚拟参考站(Virtual Referen
4、ce Stations) 技术就是利用布设在地面上的多个参考站组成GPS连续运行参考站网络（CORS），综合利用各参考站的卫星观测数据，通过软件处理建立精确的误差模型来修正相关误差，收到流动站请求后在其附近产生一个物理上并不存在的虚拟参考站（VRS），由于虚拟参考站通过流动站用户接收机的单点定位解来确定，所以与流动站组成的基线一般只有十几米，流动站接收VRS平台发布的RTCM差分改正数后，就能得到厘米级精度的坐标解。其工作原理和流程如下：1) 各个参考站通过Internet连续不断地向数据控制中心传输GPS卫星观测数据；2) 控制中心实时在线解算网内各基线的载波相位整周模糊度值和建立误差模型；
5、3) 流动站将单点定位/或DGPS 确定的位置坐标（NMEA 格式），通过无线移动数据链路（如GSM/GPRS、CDMA）传送给数据控制中心，控制中心在流动站附近位置创建一个虚拟参考站，通过内插得到虚拟参考站各误差源影响的改正值，并以RTCM格式通过NTRIP协议发给流动站用户；4) 流动站与虚拟参考站构成短基线。流动站接收控制中心发送的虚拟参考站差分改正信息或者虚拟观测值，进行差分解算得到用户厘米级的定位成果。3. 上海VRS系统及其应用测绘信息网3.1 上海虚拟参考站系统的构成基于虚拟参考站的原理，上海VRS系统平台的由连续运行参考站网、数据控制中心、流动站、数据通讯系统和数据发布等五个子
6、系统组成。连续运行参考站网（CORS）由分布在上海的十个基准站（如图1）组成，每个基准站包括电源、GPS卫星接收设备和数据通讯系统。接收系统使用ASHTECH公司Micro Z、Trimble公司的NetRs和Leica公司GX1230作为参考站接收机，接收的卫星数据经通讯系统实时向数据控制中心发送。图1 上海地区VRS参考站分布网数据控制中心是VRS系统的核心，它由两台计算机、Trimble公司的GPSNet 2.5软件和通讯部分组成，该平台接收CORS发送来的GPS卫星数据，检查数据质量，实时解算覆区域的电离层误差模型、对流层误差模型、GPS星历误差模型和L1L2整周模糊度的固定，并根据流
7、动站的请求，实时生成各流动站的虚拟参考站数据，并将其以RTCM的格式发送给流动站。流动站是系统地应用终端，上海VRS系统在建设选型时就考虑必须兼容多种品牌的流动站产品，根据通讯费用选定GPRS作为流动站与控制中心的主要通讯。只要支持移动通讯并能接收CMR、RTCM3.0或RTCM2.3中任一种格式的流动站产品，都可加入上海的VRS系统。测绘信息网数据通讯是VRS系统各部分互连接的血管，担负着连续运行参考站网与数据控制中心、控制中心与流动站之间的数据通讯。数据通讯的质量直接影响VRS系统模型解算和流动站作业的效率和质量，在数据通讯技术相当发达的时代，经过测试和经济性比较在参考站与数据控制之间选择
8、了帧中继（FR）和光纤的混合通讯，在数据控制中心与流动站可选择GPRS或CDMA 1X等通讯手段。数据发布我院开发研制基于Internet的平台，由GPS数据服务和用户应用查询两部分组成。GPS数据服务包括静态数据查询下载和动态数据实时查询，静态数据查询下载有基准站RINEX格式数据的入库、各基准站接收数据的状况查询和可选择历元间隔的数据下载等功能；动态数据实时查询用户可以方便查看系统网模型解算的状态，合理利用作业时间。用户应用查询提供用户认证登录、用户使用系统作业记录入库、用户使用VRS系统详细记录和系统管理员的用户管理与自动计费等功能。3.2 上海VRS系统的特点3.2.1 系统兼容性虚拟
9、参考站系统是一个开放式的兼容系统，它的开放性体现GPSNet平台各模块可根据需要自行组合，它的兼容性由基准站设备和流动站设备来表现，上海VRS系统的兼容性表现在：测绘信息网l 基准站的接收机使用了不同公司不同年代生产的GPS设备，本系统使用的接收机设备就有早期的ASHTECH 的micro Z，对Trimble公司的5700、NetRS和Leica公司的GX1230等仪器也在系统中得到很好使用，体现了系统对基准站设备兼容性。l 系统通过发布RTCM的标准信息，使得任一台能接受RTCM差分数据的流动站都可以加入VRS网络。Trimble、Leica、泰雷兹、拓普康、南方公司、华测导航、中海达等国
10、内外仪器厂商的流动站设备已入网使用，体现了系统对流动站的兼容性。l 系统通过Ntrip（NetWork TransPort of RTCM via Internet Protocol）协议实现与流动站数据通讯，这样让用户可选择多种数据通讯模式，如GPRS、CDMA1X、GSM拨号、Internet等，体现了对通讯方式的兼容。3.2.2 系统的作业精度上海VRS系统网模型精度经上海市测绘产品质量监督检查站检验，检验点按覆盖区内、区外延伸5km、区外延伸10km及10km外范围分布，检验结果统计如下：动态平面外符合误差30mm、动态平面内符合误差13mm、动态高程平均内符合误差16mm。3.3 上
11、海VRS系统的应用情况上海VRS系统对“上海GPS综合应用网”的5个基准站进行了改造和建设5个新的基准站，系统建设完成后扩大了综合网的应用和作业范围，系统有以下几个方面的应用：l 满足测绘资质用户的RTK作业l 满足特殊要求用户的RTD作业l 提供静态数据下载并继续向上海市天文、气象等单位提供数据大范围地应用于RTK与RTD作业是VRS系统与“上海GPS综合应用网”的主要区别。3.3.1 应用于RTK作业测绘信息网系统建设完成后，通过培训、宣传和推广，现在注册仪器已达70余台，主要应用于工程控制点的布设、工程放样、管线测量和航测外控。并在上海测绘行业中得到推广应用，提高了上海GPS应用整体水平
12、，特别是普及了GPS-RTK在中小测绘单位的应用程度。统计至06年8月的每月用户数统计（如图2）和每月用户登录次数统计（如图3）可以看出，在2006年4月以前的免费使用时期，用户每月稳定增长说明得到了用户的普遍认可；从2006年5月至8月开始商业化运行以来，向系统申请使用的用户数量保持稳定增加，新用户不断增加入网，每月用户登录次数保持6000次左右，这也说明利用VRS系统进行RTK作业已在测绘生产中发挥重要作用。图2图33.3.2 应用于RTD作业测绘信息网为了满足部分用户分米级导航应用，系统发布DGPS信号供用户使用。在上海VRS系统中，目前应用DGPS的用户主要应用于勘探井位的放样、管线关
13、键点位的查询。RTD应用不广这主要由于可供用户选择的仪器不多，目前只限于Trimble公司的GeoXT，随着仪器提供品种的增加，用户硬件成本的下降，必然会有更多的行业如消防、特种用途车辆加入VRS系统，享受新技术带来的各种益处。3.4 VRS系统的运行管理为了提高VRS系统运行稳定性和可靠性，满足用户的全天候作业系统自2005年7月开通运行以来，编写了基于VRS技术的上海GPS台站网使用管理规定，对基准站、数据控制中心和用户的管理等作出了明确的规定，从制度上为系统的运行提供了可靠的保障。基准站日常维护管理主要有建立基准站设备和通讯系统档案，当各基准站出现故障时，能及时找到相关设备供应商与电信的
14、支持；基准站故障维护记录，积累基准维护的经验。数据控制中心管理有每天检查GPSNet平台、服务器操作系统和网络的运行状况；监视各基准站GPS接收机及通讯系统地运行状况；查看GPSNet平台配置是否满足注册用户的要求、用户得到固定解有无异常等；控制中心使用的计算机做好备份工作，记录计算机系统和GPSNet平台的配置，以便一台计算机发生故障时能在短时间内恢复运行，确保系统地连续性与稳定性。测绘信息网用户管理要做到规范用户注册信息；规定用户使用VRS系统的权利与义务；建立用户与管理员之间通讯联系以保障用户得到及时的技术支持。上海VRS系统通过建立数据发布与应用平台进行用户管理，用户可以查看当前网模型
15、解算状况及本用户的使用情况，并能找到VRS有关技术支持的联系。在规范用户方面，规定了用户的申请信息、用户名称的命名，编写了“VRS系统用户告知书”，明确了用户的权利和义务已达到规范使用。4. VRS系统应用的几点思考4.1 应用VRS测高还有待解决使用VRS系统的网络RTK作业可以迅速地得到待测点精确的大地坐标（WGS-84），而实用的测量成果往往是属于某一国家坐标系或地方坐标系。应用中必然进行坐标转换。平面坐标转换一般采用七参数或点校正的方法。大地高的转换成正常高需要知道该点的大地水准面差距，一般使用本地大地水准面成果计算该点高程异常，或使用曲面拟合方法计算该点的正常高。一般地使用VRS系统
16、测定高程受到以下因素的影响：1) 流动站仪器自身施测的精度；测绘信息网2) 大地水准面模型的精度；3) VRS系统发布虚拟参考站的精度；流动站仪器自身施测精度受到整周未知数解、多路径效应、电离层影响、潮汐现象、天线高等因素影响。使用VRS系统的用户，GPSNet软件已建立覆盖区域电离层的误差模型（如图3），并随差分信号发送到流动站，消除电离层误差；而其他因素给流动站带来的测高误差，VRS测量同样不能得到较好的消除。图3大地水准面模型的精度直接影响高程异常值，因此建立高精度的大地水准面可以提高VRS测高的精度。在国内的深圳、常州、东莞、无锡等城市已建立区域性的厘米级大地水准面模型，也未见用以替代
17、工程水准测量的相关信息，所以即使建立高精度的大地水准面模型，将其应用到生产中还需要研究与试验的过程。VRS系统生成的虚拟参考站精度直接影响到流动站采集的数据精度，而VRS系统计算的网模型与卫星的分布、基准站位置、大气环境和系统的稳定性紧密相关。不同的作业时间系统生成模型其精度也应该是不一致，同时虚拟参考站在VRS网中的位置与其精度也具有相关性，因此精确计算虚拟参考站的精度相当困难。测绘信息网上海地区地势平坦，大地水准面差距是缓慢而均匀变化的，大地水准面差距与平面坐标显著相关，使用曲面拟合高程再理论上讲是合理的，为此使用曲面拟合与大地水准面内插的方法在高等级水准控制点上做了试验比较，其结果（如表
18、1）。表1作业方法测量点数中误差M（cm）最大误差（cm）小于中误差M（点数）二次多项式拟合202.2-3.711大地水准面（3cm）待添加的隐藏文字内容2172.86.212从表中看出，理论上可行的曲面拟合其高程中误差达到2.2cm，高等级水准控制点为2003年的成果，其误差应该较小，所以其误差主要受GPS接收机、仪器高量测和虚拟参考站的影响，使用VRS测定高程取代普通水准测量仍然是有待解决的问题。4.2 WGS-84与地方坐标系统实时转换问题有待解决使用VRS系统作业流动站用户得到的是大地坐标，一般工程测量采用的是地方坐标系或其它坐标系。从WGS-84坐标转换为地方坐标可通过参数转换或点校
19、正方式，但大多数测绘单位要获取精确七参数因资料不完整比较困难，因而大部分使用VRS系统的用户采用点校正方法来实现转换。使用点校正方法，需要采集已知的高等级控制点，增加了作业繁琐。等级控制点其等级不同精度也不一致，特别是大范围的分块作业，作业成果因坐标转换造成较大误差，有必要建立统一的坐标转换位各测绘单位服务。随着华东、华中区域大地水准面精化项目完成，利用该项目成果内插计算高程异常，可以满足管线测量、竣工测量等工程项目测高的要求，也有必要建立统一求取正常高的服务。基于建立转换系统的必要性，结合VRS RTK测量实际建立一个基于Internet的WGS-84与地方坐标系统实时平台。该平台利用流动站
20、的数据通讯链，将野外施测的成果上传到服务平台，经服务平台处理后实时返回流动站。这个平台即统一了转换的基准，也满足了测绘成果保密要求，方便了VRS用户的生产作业。因此WGS-84与地方坐标系统实时转换也是有待解决的一个问题。测绘信息网5. 结论VRS系统建设完成不但给测绘行业带来了生产上革命性变化，也将测绘技术带给了社会其它行业。系统采用新的GPS技术、网络通讯技术，集成化程度高流动站操作简单易学便于系统应用的推广。上海VRS系统自2005年开通运行以来，受到了用户的称赞，极大地提高了城市测量作业生产效率。特别是2006年5月进入商业化运行以来，已步入正常的运行、管理、维护和应用良性轨道。VRS
21、技术作为引进的一项新技术，在系统完善、生产应用和社会推广等方面还有很多的研究工作要做，随着建立VRS系统的城市越来越多，测绘同行对该技术了解越来越深，VRS技术一定能服务于更多的行业，发挥其应用的作用。Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He has freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjon
22、esjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite - Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the sta
23、rs. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the privatized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many impor
24、tant weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging from a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I
25、will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different alti
26、tudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the env
27、elope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feeling his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the
28、upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded supersonic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holde
29、r and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic descent could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, condit
30、ions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Evere
31、st (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the boundary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of spac
32、e at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, b
33、ut not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Skydiver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less
34、than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If he goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His t
35、eam hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chute successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatical
36、ly if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no parachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.
