学术咨询服务：服务正当时...
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摘要：城市的不断拓展及城乡一体化的实施，使得建设项目层出不穷，迅猛发展的现代化建设给测绘工作者提出新的挑战，建立连续运行参考站系统能解决这一问题。本文主要阐述了包头市三维动态高精度控制基准的建设过程及其建立产生的深远意义。
关键词：三维动态,高精度控制,建设,研究
一、 项目概述
城市的不断拓展及城乡一体化的实施，使得建设项目层出不穷，建设的规模速度飞速增长。但为建设和规划服务的各级测绘控制点破坏殆尽，已适应不了现代化建设的需要，随着卫星定位技术(简称GPS)在测绘领域的广泛应用，给测绘行业带来深刻的变革，为了适应城市规划，建设，管理的需求，提高城市利用卫星定位的技术水平，满足社会诸多行业的迫切需求，避免资源和资金的浪费，建立一个统一标准的差分参考站服务体系即连续运行参考站系统(简称CORS)势在必行，该系统的建立将为现代网络社会中空间信息服务带来新的思维模式。
包头地处内蒙古自治区的中西部，是祖国北部的边陲，全市域2.8万平方公里，阴山山脉横贯东西，地势高差较大。为了适应包头建设的需要，更好的提升城市整体素质和现代化管理水平，包头市测绘院在包头市规划局全力配合和支持下，由包头市测绘院申请立项，与武汉大学测绘学院合作建立“包头市三维动态高精度控制基准”项目。该项目是利用现代卫星定位、计算机网络、数字通讯等技术，在全市域范围内建立11个永久性连续运行卫星定位参考站和一个数据处理中心，并对全市域似大地水准面进行精化，在此基础上建立卫星精密定位综合服务系统。形成一个城市级符合现代经济建设和社会发展需要的现代化、智能化“三维动态高精度控制基准”。
二、目前国内动态高精度控制基准应用的现状
近几年，国内许多城市建立GNSS连续运行参考站系统代替分散、短期、静态的定位测量，它不但可以构成国家动态大地测量控制网框架体系，也是建立城市、地区动态控制网的重要方法。
深圳、四川、北京、上海、昆明、重庆、天津、武汉、长沙等地区都已建成GNSS参考站系统，为了更好的了解国内城市建设连续运行卫星定位服务系统的情况，为我院建设“包头市三维动态高精度控制基准”系统提供宝贵的实践经验，先后对武汉、长沙、天津等地进行实地考察，了解各城市建站的情况，对采用的差分技术进行择优比较，综合各方面的因素，决定采用TrimbIe公司虚拟参考站(VRS)技术构建“包头市三维动态高精度控制基准”系统，全市域共建站11个，备用站1个，分二期实施。一期建设4个GNSS连续运行基准站，1个备用站和1个数据处理中心，覆盖面积为4700平方公里，二期建设是在一期基础上进行扩充，共建基准站7个，二期建设完成后将覆盖全包头市域。
三、主要技术依据
(一)《全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范》CH/T2008-2005
(二)《卫星定位城市测量技术规范》CJJ/T73-2010
(三)《全球定位系统(GPS)测量规范》GB/T18314-2009
(四)《全球定位系统实时动态测量(RTK)技术规范》CH/T2009-2010
(五)《工程测量规范》GB50026-2007
(六)《测绘技术设计规定》CH/T1004-2005
(七)《区域似大地水准面精化基本技术规定》GB/T23709-2009
(八)《建筑物防雷设计规范》GB50057-94
(九)《测绘成果质量检查与验收》GB/T24356-2009
(十)《建筑物电子信息系统防雷技术规定》GB50343
(十一)《混凝土结构设计规范》GB50010
(十二)《中华人民共和国公共安全行业标准》GA173-01998
四、系统组成
“包头市三维动态高精度控制基准”建设应用与研究项目分为：参考站网子系统、数据通讯子系统、数据处理与控制中心、似大地水准面精化、卫星精密定位综合服务系统组成。
㈠ 参考站网子系统
参考站GNSS接收机、GNSS天线、UPS电源、网络设备、机柜、观测墩和避雷系统组成的观测系统，它长期连续跟踪观测GNSS卫星信号，通过数据通讯网络实时将观测数据传输到控制中心。子系统主要负责GNSS卫星定位数据的跟踪、采集、记录、传输等工作。同时数据处理和控制中心可以对参考站进行监控和控制，系统采用TrimbleVRS技术搭建，依据VRS系统设计要求在全市建立11个基准站就可以完全覆盖全包头市域。
㈡ 数据处理与控制中心子系统
系统的数据处理与控制中心位于市测绘院办公大楼内，数据处理与控制中心子系统建立在高速局域网(4M/10M)的互联网上。系统的网络协议采用TCP/1P，网络管理协议SNMP，网络中的服务器操作系统采用Windowsxp Profession。
数据处理与控制中心由服务器、网络设备组成。主要负责各参考站GNSS卫星定位数据分析、处理、计算、存储、VRS系统建模、VRS差分改正数据生成、传输、记录、数据管理、维护和分发、用户管理，并为用户提供服务。
控制中心运行的软件为Trimble公司专为连续运行参考站系统设计的TrimbleGPSNet/RTKNet参考站软件以及包头市卫星精密定位综合服务系统软件，控制中心是整个VRS系统的核心，是VRS系统的心脏。
㈢ 数据通讯子系统
采用2MSDH数字电路作为承载网，连接各参考站和数据处理与控制中心子系统的通讯线路，实现参考站数据实时传输至数据处理与控制中心子系统，为VRS核心服务器提供原始的GNSS观测数据。
数据处理与控制中心接入Internet网络的通讯线路，数据处理与控制中心数据就可以实时向Internet网络播发RTK/RTD差分改正数等，最终用户就可以采用Internet/G/CDMAIX/3G等通讯手段向数据处理与控制中心获取实时的数据服务。
㈣全市域似大地水准面精化
GPS定位技术为城市测量提供了一种崭新的技术手段和方法，利用GPS定位技术所获得的三维坐标中的大地高，不是我们所使用的正常高。因此，现代城市控制网必须结合高精度GPS网、水准网及重力网，建立城市区域高精度大地水准面。这样不仅 可以建立与城市地方大地测量坐标相一致的精确三维城市控制网，而且通过GPS技术快速获取地面点高程，彻底改变传统的平面测量和高程测量分离的作业模式，满足目前“数字城市”基础地理信息采集、城市工程建设的迫切需要。
㈤ 卫星精密综合服务系统
“包头市三维动态高精度控制基准”综合服务系统建成后，在解决(BTCORS)参考站管理服务现状的同时，构建基于网络的“包头市三维动态高精度控制基准”综合服务系统，使管理人员能够便捷有效地管理用户帐户、设定用户作业权限、对用户计费、限定用户作业区域范围、提供GNSS原始观测数据、GNSS RTK差分数据、软件服务、发布信息、设备维护等。用户服务子系统按照应用的精度不同，可分为厘米级用户系统、分米级用户系统、亚米级用户系统、米级用户系统等。
五、工程实施
㈠ 项目的组织
“包头市三维动态高精度控制基准”项目由包头市测绘院负责全面组织协调工作，并负责参考站的选点、基建施工监理、中标公司负责设备安装调试、系统测试、防雷设施安装等工作。基准站建成后由包头市规划局组织有关单位及有关人员进行验收鉴定。
为确保该项目建设顺利进行，测绘院院长任工程项目总负责，分管院长、副总工、测绘大队长等人负责项目各阶段的监理和管理工作，天拓公司负责设备保障、技术支持、技术培训，包头联通公司负责网络通讯安装，安博工贸有限公司负责项目的土建工程，内蒙古丰锐防雷科技有限公司负责基准站的防雷工程安装，武汉大学测绘学院负责基准站的数据解算及似大地水准面的精化工作及“包头市三维动态高精度控制基准”综合服务系统的开发。
㈡ 参考站选址与环境测试
包头市CORS基准站一期选址4个，二期选址7个。在各个站初步选址完成后，进行环境测试，测试采用Trimble NetR5接收机及TrimbleZePhyrGeodetic2天线，进行1秒采样率的24小时连续观测，对所获得的静态数据进行数据质量及噪声分析，从TTC的分析可以看出所有时段的卫星数均大于5，在所观测的时段内测量数据显示各站的原始电离层残差的历元间单差小于 0.015米的观测量大于总观测量的95%，说明各站的电离层状态良好，没有强的电磁干扰，可以用于参考站的站址。
㈢ 参考站观测墩的建设
环境测试完成后，由安博公司开始建设观测墩，包头市域内共建立11个基准站、1个备用站，其中1个站为地面站，其余全部为屋顶站，地面站基坑深度4.5米，底座为1.5米×1.5米，地面观测墩柱体高度为2.1米，混凝土浇注为一体，屋顶站采用钢筋混凝土结构，凿开楼顶表层露出楼主梁的主筋，观测墩的竖筋与楼房主筋焊接为一体，观测墩底座为1米×1米，高度为 0.3米，观测墩高为1米，观测墩顶部中央镶嵌不锈钢对中器，保证观测天线精确对中。观测墩外部装饰，底座由大理石镶嵌表面，墩柱由不锈钢筒套入，钢筒与立柱间隔5公分距离，灌入泡沫材料。
㈣ 参考站设备安装与调试
基站观测墩施工建设完成后，经过一个周期稳定后安装设备，有：GNSS接收机(TrmbleNetR9)、天线、天线电缆、网络集线器、UPS电源、防电涌设备、天线罩、机柜等，在安装过程中，参考站的所有室内设备均安置于机柜中，信号线与电力线分别布设，尽量避开交叉和重叠，以减少互相影响，信号线在室外部分全部套有UPVC管进行保护。
设备安装完成后，参考站与数据中心的网络进行调试，要求网络延迟时间小于1秒，确保数据流稳定，参考站市电断电时，设备能够自动切换到UPS电源供电，对设备正常运行不造成任何影响，并且断电后参考站能够依靠UPS电源不间断工作10小时以上。
避雷设施的安装有，电源避雷器、末端电涌保护器天馈避雷器、6米避雷针等，接地采用扁铁条与该建筑物的接地系统进行焊接。
㈤ 坐标联测
调试工作完成后，开始已知点的联测、数据解算工作。为了保持包头市卫星精密定位综合服务系统基准站与内蒙古似大地水准面精化模型与包头市似大地水准面精化模型的空间基准一致，在联测时选取了内蒙古自治区在包头市境内的B级网点及包头市规划区高精度的框架点作为此次联测点，利用联测数据，进行数据解算，统一包头市境内的坐标系统和似大地水准面精化高程基准。
坐标系统(基准)包括：地心坐标CGCS2000坐标系，平面坐标系统为1980西安坐标系、包头97独立坐标系。
为了确定各参考站的精确CGCS2000坐标，采用7台TrimbleNetR6及11个参考站TrimbleNetR9 GNSS接收机进行同步观测，其中参考站11点，内蒙古B级点8个，包头市规划区B级点5个，共24个，联测点均有二等水准高程，在联测时每一站点联测三个时段，再次观测时段为24小时，按15秒的采样间隔记录原始观测数据，事后下载快速精密星历和国家北京房山、武汉、上海、拉萨、昆明IGS跟踪站数据，以确定和维持包头市三维动态坐标基准。
利用上述结果确定系统覆盖区域内的CGCS2000坐标到地方坐标的转换参数，利用此参数，包头地区的流动站用户可获得精确的地方坐标。
㈥ 似大地水准面精化
委托武汉大学测绘学院完成此项工作，本项目格网空间重力异常利用了Airy-HaisKanen均衡归算计算的均衡平常，地形改正和均衡采用了顾及地球曲率的严密球面积分公式，积分半径为300公里，平均空间重力异常采用了7563个点重力数据，为了确定包头全市域似大地水准面，使用了88个GPS水准资料，计算格网布格改正，地形改正和均衡改正时在陆地部分采用了航天飞机雷达地形测绘任务的空间飞行任务数据库DTM资料，其分辨率为7.5″×7.5″,地形最小、最大高程值为943米和2324米。
利用球冠谐调和分析方法将GPS水准与重力似大地水准面联合求解得出2′×2′格网似大地水准面，其精度达到±0.020m。
“包头市三维动态高精度控制基准”项目成果，不仅可以建立与国家大地测量坐标相一致的精确的区域大地测量平面控制框架，而且结合高精度GPS大地高可以快速地获取地面点的水准高程，将极大地改善传统高程测量模式，从而使费用高、难度大、周期长的传统高精度水准测量工作量减少到最低限度。似大地水准面成果结合GPS测量可以满足城市建设、国土资源调查和管理及工程建设和数字包头对高精度的需要，具有特别重要的科学意义、社会效益和巨大的经济效益。
㈦ 流动站实地测试
“包头三维动态高精度控制基准”系统的精度测试：在系统网型覆盖的范围选取现有的具有精确CGCS2000坐标和已知地方坐标的控制点进行RTK测量，比较测量结果与已知值的差异，并得到转换参数是否准确的依据。
系统内符合性测试：在系统网型覆盖的范围选取不同的已知点，每点RTK方式测量2次以上，计算其内符合偏差。
系统的覆盖范围测试：对系统网型覆盖的范围以外的控制点进行RTK测量，比较其结果与已知值的差异，确定系统的有效覆盖范围。
系统的可用性测试：在系统覆盖的范围内，选取不同的环境，进行RTK测量，确定系统的可用性程度。
后处理静态测试：利用现有的已知点进行比较测量。
㈧ 建立包头市卫星精密定位综合服务系统
为满足信息化建设的需要构建包头市卫星精密定位综合服务系统通过系统数据服务模块，采用“伪七参数”作业模式，提供给用户一套有别于国家高度机密的“真七参数”，使用户在作业现场能够实时测得高精度的地方坐标和正常高，同时使数据管理中心管理人员能够便捷有效地管理用户，设定用户作业权限，对用户进行分区监管。
六、系统验收
为了保证该项工程的质量，成立了工程项目组，对工程实施每一个阶段，严格按照设计标准执行并检查验收，并委托甘肃省测绘产品质量监督检验站对本项目成果进行质量检验。
验收结论：
“包头市三维动态高精度控制基准研究与建设”项目成果资料完整;参考站选址观测条件良好;基准站观测墩建设符合设计要求;控制中心机房环境，网络通讯，软硬件配置和系统软件服务功能均达到设计要求;运行系统功能，运行稳定性，兼容性，实时可用性良好;系统提供的静态定位精度，网络RTK实时动态定位精度均符合设计要求。依此判定该成果质量为“优”。
主要技术指标：
⑴参考站CGCS2000静态测试内符合精度其中误差±2.1厘米，满足设计要求。
⑵似大地水准面精化检测高程中误差±2.4厘米。
⑶雷电防护，各站点的防雷设备安装后，对防雷设施进行了检测，并出具了“防雷质检报告”。
⑷供电系统，在市电断电后UPS电源可以保证参考站设备连续不间断运行10小时以上。
⑸系统快速或实时定位网内符合精度平面中误差优于± 2.5 cm，垂直方向优于± 2.4 cm，测量精度优于原技术设计指标。
⑹系统实际覆盖范围达到设计要求，在系统网外60km也实现了RTK固定解。
⑺系统日可用性达到95%以上。
⑻“包头市三维动态高精度控制基准”系统采用ADSL加VPN技术组网，达到了高实时性，高稳定性，有效传输速度等要求，保证参考站与控制中心数据传输的可靠与安全。
⑼系统开发了实时坐标转换保密程序，将坐标转换参数、卫星接收机序列号、手薄序列号进行三绑定，加密，装载在用户手薄上，实现了坐标转换参数的保密和用户实时得到所需的坐标和高程，这样既保证了国家绝密文件不外泄，同时又能保证用户实时正常工作。
⑽系统开发了实时监控系统，该系统将用户发送给数据中心的概略位置GGA数据，通过软件展绘在地形图上，管理人员能方便直接的了解用户的具体位置及是否在授权范围内作业，若不是，则可通过数据中心软件关闭其用户的使用权。
⑾“包头市三维动态高精度控制基准”系统采用了先进的远程接入服务平台，实现多个用户同时远程拨入，同时对实时用户进行身份验证，用户测量数据统计，用户历史数据存储，显示查阅与管理。
⑿对国内、外多种厂家流动站设备进行了应用测试，其效果良好，证明该系统对流动站设备具有良好的兼容性。
七、“包头市三维动态高精度控制基准”具备的功能
“包头市三维动态高精度控制基准”系统已建成。系统在设计和施工中采用了先进的技术，成熟的经验，使系统商品化程度高，维护方便，运行安全可靠，重点提高实时动态定位RTK技术的可靠性和覆盖区域内的可用性。
1.在定位信号的有效覆盖区域内，利用一台GNSS测量型接收机进行城市各级控制点测量，精度达到厘米级。
⒉在定位信号的有效覆盖区域内，满足非隐蔽区建筑放线、工程测量、管线跟踪测量、现状地形图测量、城镇地籍测量、工程竣工测量等项的要求。
⒊数据中心可以与多种实时用户相连接，完成系统信息的实时广播，即可以采用GPRS/CDMA技术中的一种向系统有效覆盖区域内的用户进行差分修正信息的广播，同时考虑系统的扩展性，在整个系统完全建成后可以用户可通过上述两种通讯技术中的任何一种获取包头地区差分修正信息。
⒋通过Internet或其他手段，实现向包头地区用户提供事后精密定位服务的功能。
⒌系统安全性良好，能够有效抵御气候等外界因素对系统正常运转的影响，同时防止非授权用户通过网络等其它手段访问系统，实现对提供授权用户服务的计时收费功能。
⒍“包头市三维动态高精度控制基准”系统GNSS测量数据可以与气象仪测量数据合并，为准确预报天气提供基础数据。
7.利用目前国内先进的无线电通信技术，尽量采用公共通讯网统一频点，统一标准，统一管理，以节省频率资源，提高效率。
8.系统应兼顾目前及今后的发展。
按照设计要求，通过一年的试运行系统以达到了基准站无人值守，无人照看，自动运行，年运行率95%以上。
9.卫星定位系统接收机或其外部存储器的容量应能保证至少存储20天的1秒采样数据(和相应的气象数据、气温、气压、温度)。
10.在市电断电的情况下，基准站设备可依靠备用电源(UPS)连续工作10小时以上。
11.数据中心开通网络RTK等实时服务功能时应达到可实时传输基准站观测数据，并与控制中心实现双向通讯的能力。
12.具备系统设备完好性检测功能，系统自动对设备进行自检出现问题时具有远程报警能力。
13.支持数据中心以远程方式对基准站进行设定，控制和检测。
14.卫星精密定位综合服务系统，能够有效地监管用户并提供个性化的服务，在符合参数保密规定的前提下，用户能够在作业现场实时测得高精度的地方坐标。系统用户能够在线使用申请帐户、管理个人信息、申请作业权限、事后坐标转换等功能，通过配备智能短信服务、智能邮件服务使得通知、信息能够及时有效地传递给用户、管理员。系统还扩展服务领能够提供全市域范围内不同区域、不同时段的历史和实时大气水含量，此项功能有望与气象部门合作开发利用。
在今后加强开发导航用户和相应技术，建立好法规保障体系，让用户使用的可靠性得到法律保护，创建好商业性社会服务体制，优化运行机制，提高服务质量，拓展服务领域，扩大运营规模，使系统获取更大的市场效益。
八、结束语
“包头市三维动态高精度控制基准”的建成，为包头市提供了与国家地理空间信息基准框架严密对接的高精度基准，同时也是一个以实时三维坐标获取、不同坐标框架转换、大地成果数据发布、高精度网平差等服务为主要内容的测绘基准服务平台。今后全市域内在大地测量、摄影测量与遥感、外业地形数据采集、地籍测绘、工程测量等方面广泛应用，提高了测绘对经济建设的保障能力，同时将在更多领域发挥巨大的社会效益和经济效益，满足规划、建设及科学管理决策的需求，为建立“数字包头”及未来的“智慧包头”搭建了良好的基础地理空间框架。
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