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基于CORS的网络RTK技术在水下测绘应用前景展望
来源:福建省测绘院  发布时间:2012-12-04  栏目:科技成就  【字号:

基于CORS的网络RTK技术在水下测绘应用前景展望

何书镜

(福建省测绘院,福建 福州 350003)

 

摘要:本文介绍了基于CORS的网络RTK技术在水下测绘的应用及技术优势,并与常规测绘方法进行了比较分析。通过实例介绍了利用FJCORS进行的水下测绘应用及采用的CORS定位精度检测法,结果表明满足精度要求,验证了其在水下测绘的适用性,并对其在水下测绘领域的应用进行展望。

关键词:CORS;网络RTK; 水下测绘;精度检测;应用

 

Based on CORS network RTK technology in underwater surveying

application research and practice

 

HE Shu-jing

 ( Fujian Surveying and Mapping Institute,Fuzhou,350003,China

 

Abstract: This article introduces application and technical advantage which Based on CORS network RTK technology in underwater surveying, meanwhile, compare with conventional surveying methods. It shows underwater surveying application by using FJCORS and methods of CORS positioning accuracy detection according to examples. The results indicate these satisfy the precision requirement, and verify its applicability in underwater surveying, and predict its application prospects of underwater surveying field at the same time.

Key words:  CORS; network RTK; underwater Surveying; accuracy  detection; application

 

1 引言

本文叙述的水下测绘主要是指在距海岸线30海里以内的近海、沿海和内河、湖泊、水库等水体内及滩涂的地形图测绘、工程测量等工作。与陆地一样,海洋与江河湖泊开发的前期基础性工作也是测图。不同的是,在水域是测绘水下地形图或水深图,图纸比例尺一般为1:200~1:10 000。兴建港口、水上运输、海上采油、海底探矿、海洋捕捞、海域划界等任务都需要各种内容的水下地形测量。

连续运行卫星定位服务系统(Continuously Operating Reference StationCORS)的出现和推广,正广泛应用在陆地上的测绘,如:大地测量、地形图测绘、工程测量、车辆导航等。由于水下测绘的平面定位方法与陆上测绘方法一致,因此CORS技术在水下测绘有着广阔的应用前景。本文通过实例研究利用福建省连续运行卫星定位服务系统(FJCORS)进行水下测绘的应用及采用的CORS定位精度检测法,实验验证其在水下测绘的适用性,并分析其技术优势和实用性,对其在水下测绘的控制测量、水深测量等的应用前景进行展望。

2 CORS技术与常规测绘技术在水下测绘中的应用比较

水下地形测量主要包括定位和测深两大部分。目前的水上定位手段有:海洋采用GPS单点实时定位或差分GPS定位,差分GPS一般使用广域差分GPS沿海一般采用GPS RTK或信标(DGPS)定位;内陆河流湖泊水库采用GPS RTK或常规光电测距定位;水深一般采用测深仪或其它方式,使用无验潮或验潮方式采集。平面位置的控制基础主要利用陆上已有的国家等级控制点;卫星定位若采用差分方式,其岸台亦多采用已知控制点,以求坐标系统的统一。如果海洋测量采用卫星单点定位方式,则应根据需要确定是否进行坐标换算。

CORS利用覆盖区域内的一个或多个参考站全天候不间断观测,流动站与参考站组成长距离同步观测,由控制中心网络RTK处理软件计算和播发误差改正信息,流动站实时确定未知点坐标,同时实时知道定位精度。各未知点均以参考站为起算点,无论在在何处均可得到误差互不相关的未知点位坐标成果,并统一在相同的坐标基准上,有利于水下测绘控制网的建立。CORS提供的定位方式有网络RTK和网络RTD等方式,并且可提供常规RTK及精密单点定位等静态和动态多种服务,水下测绘现行测量手段的比较有其优越性,主要有覆盖范围广、定位精度高、可靠性好,见表1

1 主要指标比较

类别

指标

CORS

常规测量

信标

GPS RTK

是否架设基站

作业距离

(定位)

离海岸线30km以内

在规范规定范围内

未知

15km(使用网络通讯)

5km(电台通讯)

精度(定位)

均匀

5cm(外符合)

不均匀,随距离增大而变大

均匀

0.5m

不均匀,随距离增大而变大

是否找寻

控制点

平面转换用

初始化使用

是否需要验潮

看作业方式而定

3  FJCORS简介

福建省连续运行卫星定位服务系统(Fujian Continuously Operating Reference StationFJCORS)是高精度、高时空分辨率、高效率、高覆盖率的GNSS综合信息服务网,向测绘用户提供高精度、连续的时间和空间基准FJCORS网络体系遍布全省,以控制中心为中心节点的星型网络,采用Trimble的虚拟参考站(virtual reference stationVRS)网络技术。系统由参考站网络、控制中心、数据中心、用户应用系统、数字通信系统组成。FJCORS实时定位内符合精度水平方向≤3cm,垂直≤5cmCGCS2000系统);实时定位外符合精度水平方向≤5cm,垂直≤10cmCGCS2000系统)。

4  CORS在水下测绘中的精度检测方法及实例

为了保证CORS技术在水下测绘中的适用性,对CORS的可靠性、可用性等进行有效检测。检测主要内容有系统空间可用性、系统定位精度等。系统定位精度检测方法有:已知静态点测量、定点连续观测、固定基线相对检测等。

4.1定点连续观测检测方法

CORS覆盖的区域内选择固定点位的1-2个控制点,使用流动站在控制点按连续地形模式,按时段采集,一个时段采集50个历元,每个历元记录一个定位结果,采样率设为1/次,初始化5次。每个时段间隔不小于30分钟,每个在不同时段(连续48小时以上)分别进行重复观测。精度计算:

设各观测值与平均值的差值为 ,则各观测值的精度                              (式1

1中: -观测值个数, -i个观测值, -n个观测值的平均值。

CORS网络RTK实时定位精度统计中,计算每一个观测点所有测量值的平均值,再将该平均值与每一测量值求差,依照(1)分别计算系统各个坐标方向的精度。统计所有差值的分布情况,并对差值在不同区间的概率进行统计。该项精度反映了系统实时定位的稳定性。

在已完成的某个水下测绘工程中抽取1个有固定标志的点位,使用流动站仪器(TRIMBLE R8)在不同时段(连续48小时以上)分别进行重复观测,测量值与平均值的比较见图1

1 精度曲线

4.2已知静态点测量方法

CORS覆盖的区域内选择均匀分布的有代表性的具有高精度的多个控制点,使用流动站在控制点按连续地形模式,每个历元记录一个定位结果,采样率设为1/次,初始化5次,采集50个历元。各控制点已经使用C级及以上的GPS静态方法联测,具有高精度的成果,认为是真值。精度计算:

若设 为观测值向量 的真值,则各观测值相对于真值的改正值 ,则精度为         (式2)。

在已完成的某个水下测绘工程中大致均匀随机抽取4个固定控制点(GPS C级),作为参考比较点,使用(TRIMBLE R8)进行重复观测,取观测平均值与固定控制点成果(CGCS2000)进行比较,具体比较结果见表3

3 成果比较表                                                    单位:m

项目

点号

固定值

测量值(平均值)

点位

较差

高程

较差

x

y

H

x

y

H

0310

317.768

655.980

55.639

317.778

655.965

55.609

0.018

0.030

CHY

605.911

012.521

42.205

605.899

012.533

42.229

0.017

-0.024

CH01

571.358

997.456

38.323

571.367

997.437

38.303

0.021

 0.020

CH02

585.309

007.964

41.929

585.321

007.969

41.924

0.013

0.005

4.3固定基线相对检测方法

固定基线相对检测方法适用于无固定检测点的流动定位精度检测。在运动的同一载体上架设2个或以上的流动站,各流动站之间的距离可精确测量,认为是真值。各流动站之间的测量结果与真值之间的比较,可以一定程度上反映流动站的定位精度。使用流动站间的基线长度精度来反映定位精度,计算方法:

                                  (3)

式中: 为基线长度精度;σ为流动站接收机绝对定位精度。

在某个水下测绘工程中作业的测量船上靠近船头接近于垂直船中线的两侧放置2台流动站仪器,仪器型号为中海达V8 GNSS 双星 RTK 系统。两台流动站位置之间的距离准确测量作为基线真值。在船的行进过程中,将仪器采样率设为1/次,同时采集,按行进方向每10m记录一个原始数据及实时定位结果。结合工程情况,选取了4条计划线,每条计划线长5km,间隔100m;船的走向两条按计划线离岸方向行进,另两条靠岸方向行进。反算同步观测的流动站之间的距离,与基线真值进行比较,并统计超限个数,剔除超限值以后,得到基线较差精度值,详细结果见表4

4   距离观测统计

计划线编号

观测值

总数

超限

个数

合格观测值

百分比

基线较差精度(cm)

备注

1

501

12

97.6%

4.5

离岸方向

2

489

15

96.9%

5.6

靠岸方向

3

512

9

98.2%

3.5

离岸方向

4

502

11

97.8%

4.7

靠岸方向

4.4系统空间可用性检测方法

CORS定位标称覆盖距离(15km)内外按一定的方式选取坐标成果已知的控制点进行检测,来验证CORS的外延精度范围。观测方法和精度计算同定点连续观测方法,但应计算距离的关系。

由于海岸线向海一侧很难找到坐标成果已知的控制点,故在陆地上进行。在CORS的一侧按距离参考站的远近选择一系列控制点,测试的时候只接收一个参考站发出的差分信号。使用流动站仪器(TRIMBLE R8)在控制点按连续地形模式,每个历元记录一个定位结果,采样率设为1/次,初始化5次,采集50个历元。取观测平均值与固定控制点成果(CGCS2000)进行比较,按(2)计算平面精度和高程精度,具体结果见表5

5 系统空间可用性检测结果表

序号

点号

距参考站距离(km)

平面精度(m)

高程精度(m)

1

0310

1.7

0.019

0.013

2

0070

21.0

0.011

0.010

3

409P

34.0

0.014

0.033

4

408P

45.0

0.041

0.052

5

424P

55.0

0.053

0.040

4

421P

79.7

0.047

0.088

在精度检测中,CORS的系统空间可用性、系统定位精度均满足相应规范的要求。从表3还可以看出,网络RTK测量可以代替低等级的常规静态平面测量。若同时发布省级似大地水准面数据,对高程异常进行改正,网络RTK测量可以代替低等级的水准测量。网络RTK测量可以代替常规静态控制网来布设水下测绘中的控制网。从表5可以看出,随着流动站与参考站的距离增加,点位精度出现衰减,但距离增加与精度衰减不呈线性关系,即:随着距离的增加,误差不具有明显的系统性或线性增长的趋势。

在实际作业中,应注意对流动站仪器的设置。CORS中若某个参考站的某颗卫星的信噪比欠佳,可能减少卫星模型改正数的数量,甚至导致无法得到固定解。为保证稳定性,若某个参考站有多颗卫星信噪比较差,或少于4个四颗卫星的,可考虑暂时禁用部分观测条件较差的参考站。当流动站无可用CORS差分信号(CORS中某个参考站通讯断线等)或改正信息质量不高(附近参考站参与模型解算的卫星数少于5),流动站仪器作业模式可选中RAW模式,即单基站的RTK模式(普通RTK作业模式)。由于CORS是通过一定的通信网络进行数据交换,与作业区的通讯网络质量有极大的关系,这个会限制CORS在沿岸向海洋纵深的应用。

5 结语

利用基于CORS的网络RTK技术同普通RTK作业模式一样,进行无验潮测量,能够消除常规海洋测绘中的部分误差(如潮汐观测误差、定位误差及动态吃水的误差),减少外业因素对作业过程的过多干扰。通过检测表明,CORS系统在覆盖范围内的定位精度满足水下测绘精度要求,覆盖范围之外也有一定的精度,可以满足部分需要。采用CORS作业方式降低外业数据采集的劳动强度和成本,提高了作业效率,极大地提高水下测绘成果精度,具有良好的应用前景。

 

参考文献:

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作者:何书镜

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作者简介:何书镜(1973-),,福建永泰人,高级工程师,学士,主要从事工程测量和海洋测绘工作。