摘要：城市的不斷拓展及城鄉一體化的實施，使得建設項目層出不窮，迅猛發展的現代化建設給測繪工作者提出新的挑戰，建立連續運行參考站系統能解決這一問題。本文主要闡述了包頭市三維動態高精度控制基準的建設過程及其建立產生的深遠意義。

　　關鍵詞：三維動態,高精度控制,建設,研究

　　一、 項目概述

　　城市的不斷拓展及城鄉一體化的實施，使得建設項目層出不窮，建設的規模速度飛速增長。但為建設和規劃服務的各級測繪控制點破壞殆盡，已適應不了現代化建設的需要，隨著衛星定位技術(簡稱GPS)在測繪領域的廣泛應用，給測繪行業帶來深刻的變革，為了適應城市規劃，建設，管理的需求，提高城市利用衛星定位的技術水平，滿足社會諸多行業的迫切需求，避免資源和資金的浪費，建立一個統一標準的差分參考站服務體系即連續運行參考站系統(簡稱CORS)勢在必行，該系統的建立將為現代網絡社會中空間信息服務帶來新的思維模式。

　　包頭地處內蒙古自治區的中西部，是祖國北部的邊陲，全市域2.8萬平方公里，陰山山脈橫貫東西，地勢高差較大。為了適應包頭建設的需要，更好的提升城市整體素質和現代化管理水平，包頭市測繪院在包頭市規劃局全力配合和支持下，由包頭市測繪院申請立項，與武漢大學測繪學院合作建立“包頭市三維動態高精度控制基準”項目。該項目是利用現代衛星定位、計算機網絡、數字通訊等技術，在全市域范圍內建立11個永久性連續運行衛星定位參考站和一個數據處理中心，并對全市域似大地水準面進行精化，在此基礎上建立衛星精密定位綜合服務系統。形成一個城市級符合現代經濟建設和社會發展需要的現代化、智能化“三維動態高精度控制基準”。

　　二、目前國內動態高精度控制基準應用的現狀

　　近幾年，國內許多城市建立GNSS連續運行參考站系統代替分散、短期、靜態的定位測量，它不但可以構成國家動態大地測量控制網框架體系，也是建立城市、地區動態控制網的重要方法。

　　深圳、四川、北京、上海、昆明、重慶、天津、武漢、長沙等地區都已建成GNSS參考站系統，為了更好的了解國內城市建設連續運行衛星定位服務系統的情況，為我院建設“包頭市三維動態高精度控制基準”系統提供寶貴的實踐經驗，先后對武漢、長沙、天津等地進行實地考察，了解各城市建站的情況，對采用的差分技術進行擇優比較，綜合各方面的因素，決定采用TrimbIe公司虛擬參考站(VRS)技術構建“包頭市三維動態高精度控制基準”系統，全市域共建站11個，備用站1個，分二期實施。一期建設4個GNSS連續運行基準站，1個備用站和1個數據處理中心，覆蓋面積為4700平方公里，二期建設是在一期基礎上進行擴充，共建基準站7個，二期建設完成后將覆蓋全包頭市域。

　　三、主要技術依據

　　(一)《全球導航衛星系統連續運行參考站網建設規范》CH/T2008-2005

　　(二)《衛星定位城市測量技術規范》CJJ/T73-2010

　　(三)《全球定位系統(GPS)測量規范》GB/T18314-2009

　　(四)《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范》CH/T2009-2010

　　(五)《工程測量規范》GB50026-2007

　　(六)《測繪技術設計規定》CH/T1004-2005

　　(七)《區域似大地水準面精化基本技術規定》GB/T23709-2009

　　(八)《建筑物防雷設計規范》GB50057-94

　　(九)《測繪成果質量檢查與驗收》GB/T24356-2009

　　(十)《建筑物電子信息系統防雷技術規定》GB50343

　　(十一)《混凝土結構設計規范》GB50010

　　(十二)《中華人民共和國公共安全行業標準》GA173-01998

　　四、系統組成

　　“包頭市三維動態高精度控制基準”建設應用與研究項目分為：參考站網子系統、數據通訊子系統、數據處理與控制中心、似大地水準面精化、衛星精密定位綜合服務系統組成。

　　㈠ 參考站網子系統

　　參考站GNSS接收機、GNSS天線、UPS電源、網絡設備、機柜、觀測墩和避雷系統組成的觀測系統，它長期連續跟蹤觀測GNSS衛星信號，通過數據通訊網絡實時將觀測數據傳輸到控制中心。子系統主要負責GNSS衛星定位數據的跟蹤、采集、記錄、傳輸等工作。同時數據處理和控制中心可以對參考站進行監控和控制，系統采用TrimbleVRS技術搭建，依據VRS系統設計要求在全市建立11個基準站就可以完全覆蓋全包頭市域。

　　㈡ 數據處理與控制中心子系統

　　系統的數據處理與控制中心位于市測繪院辦公大樓內，數據處理與控制中心子系統建立在高速局域網(4M/10M)的互聯網上。系統的網絡協議采用TCP/1P，網絡管理協議SNMP，網絡中的服務器操作系統采用Windowsxp Profession。

　　數據處理與控制中心由服務器、網絡設備組成。主要負責各參考站GNSS衛星定位數據分析、處理、計算、存儲、VRS系統建模、VRS差分改正數據生成、傳輸、記錄、數據管理、維護和分發、用戶管理，并為用戶提供服務。

　　控制中心運行的軟件為Trimble公司專為連續運行參考站系統設計的TrimbleGPSNet/RTKNet參考站軟件以及包頭市衛星精密定位綜合服務系統軟件，控制中心是整個VRS系統的核心，是VRS系統的心臟。

　　㈢ 數據通訊子系統

　　采用2MSDH數字電路作為承載網，連接各參考站和數據處理與控制中心子系統的通訊線路，實現參考站數據實時傳輸至數據處理與控制中心子系統，為VRS核心服務器提供原始的GNSS觀測數據。

　　數據處理與控制中心接入Internet網絡的通訊線路，數據處理與控制中心數據就可以實時向Internet網絡播發RTK/RTD差分改正數等，最終用戶就可以采用Internet/G/CDMAIX/3G等通訊手段向數據處理與控制中心獲取實時的數據服務。

　　㈣全市域似大地水準面精化

　　GPS定位技術為城市測量提供了一種嶄新的技術手段和方法，利用GPS定位技術所獲得的三維坐標中的大地高，不是我們所使用的正常高。因此，現代城市控制網必須結合高精度GPS網、水準網及重力網，建立城市區域高精度大地水準面。這樣不僅 可以建立與城市地方大地測量坐標相一致的精確三維城市控制網，而且通過GPS技術快速獲取地面點高程，徹底改變傳統的平面測量和高程測量分離的作業模式，滿足目前“數字城市”基礎地理信息采集、城市工程建設的迫切需要。

　　㈤ 衛星精密綜合服務系統

　　“包頭市三維動態高精度控制基準”綜合服務系統建成后，在解決(BTCORS)參考站管理服務現狀的同時，構建基于網絡的“包頭市三維動態高精度控制基準”綜合服務系統，使管理人員能夠便捷有效地管理用戶帳戶、設定用戶作業權限、對用戶計費、限定用戶作業區域范圍、提供GNSS原始觀測數據、GNSS RTK差分數據、軟件服務、發布信息、設備維護等。用戶服務子系統按照應用的精度不同，可分為厘米級用戶系統、分米級用戶系統、亞米級用戶系統、米級用戶系統等。

　　五、工程實施

　　㈠ 項目的組織

　　“包頭市三維動態高精度控制基準”項目由包頭市測繪院負責全面組織協調工作，并負責參考站的選點、基建施工監理、中標公司負責設備安裝調試、系統測試、防雷設施安裝等工作。基準站建成后由包頭市規劃局組織有關單位及有關人員進行驗收鑒定。

　　為確保該項目建設順利進行，測繪院院長任工程項目總負責，分管院長、副總工、測繪大隊長等人負責項目各階段的監理和管理工作，天拓公司負責設備保障、技術支持、技術培訓，包頭聯通公司負責網絡通訊安裝，安博工貿有限公司負責項目的土建工程，內蒙古豐銳防雷科技有限公司負責基準站的防雷工程安裝，武漢大學測繪學院負責基準站的數據解算及似大地水準面的精化工作及“包頭市三維動態高精度控制基準”綜合服務系統的開發。

　　㈡ 參考站選址與環境測試

　　包頭市CORS基準站一期選址4個，二期選址7個。在各個站初步選址完成后，進行環境測試，測試采用Trimble NetR5接收機及TrimbleZePhyrGeodetic2天線，進行1秒采樣率的24小時連續觀測，對所獲得的靜態數據進行數據質量及噪聲分析，從TTC的分析可以看出所有時段的衛星數均大于5，在所觀測的時段內測量數據顯示各站的原始電離層殘差的歷元間單差小于 0.015米的觀測量大于總觀測量的95%，說明各站的電離層狀態良好，沒有強的電磁干擾，可以用于參考站的站址。

　　㈢ 參考站觀測墩的建設

　　環境測試完成后，由安博公司開始建設觀測墩，包頭市域內共建立11個基準站、1個備用站，其中1個站為地面站，其余全部為屋頂站，地面站基坑深度4.5米，底座為1.5米×1.5米，地面觀測墩柱體高度為2.1米，混凝土澆注為一體，屋頂站采用鋼筋混凝土結構，鑿開樓頂表層露出樓主梁的主筋，觀測墩的豎筋與樓房主筋焊接為一體，觀測墩底座為1米×1米，高度為 0.3米，觀測墩高為1米，觀測墩頂部中央鑲嵌不銹鋼對中器，保證觀測天線精確對中。觀測墩外部裝飾，底座由大理石鑲嵌表面，墩柱由不銹鋼筒套入，鋼筒與立柱間隔5公分距離，灌入泡沫材料。

　　㈣ 參考站設備安裝與調試

　　基站觀測墩施工建設完成后，經過一個周期穩定后安裝設備，有：GNSS接收機(TrmbleNetR9)、天線、天線電纜、網絡集線器、UPS電源、防電涌設備、天線罩、機柜等，在安裝過程中，參考站的所有室內設備均安置于機柜中，信號線與電力線分別布設，盡量避開交叉和重疊，以減少互相影響，信號線在室外部分全部套有UPVC管進行保護。

　　設備安裝完成后，參考站與數據中心的網絡進行調試，要求網絡延遲時間小于1秒，確保數據流穩定，參考站市電斷電時，設備能夠自動切換到UPS電源供電，對設備正常運行不造成任何影響，并且斷電后參考站能夠依靠UPS電源不間斷工作10小時以上。

　　避雷設施的安裝有，電源避雷器、末端電涌保護器天饋避雷器、6米避雷針等，接地采用扁鐵條與該建筑物的接地系統進行焊接。

　　㈤ 坐標聯測

　　調試工作完成后，開始已知點的聯測、數據解算工作。為了保持包頭市衛星精密定位綜合服務系統基準站與內蒙古似大地水準面精化模型與包頭市似大地水準面精化模型的空間基準一致，在聯測時選取了內蒙古自治區在包頭市境內的B級網點及包頭市規劃區高精度的框架點作為此次聯測點，利用聯測數據，進行數據解算，統一包頭市境內的坐標系統和似大地水準面精化高程基準。

　　坐標系統(基準)包括：地心坐標CGCS2000坐標系，平面坐標系統為1980西安坐標系、包頭97獨立坐標系。

　　為了確定各參考站的精確CGCS2000坐標，采用7臺TrimbleNetR6及11個參考站TrimbleNetR9 GNSS接收機進行同步觀測，其中參考站11點，內蒙古B級點8個，包頭市規劃區B級點5個，共24個，聯測點均有二等水準高程，在聯測時每一站點聯測三個時段，再次觀測時段為24小時，按15秒的采樣間隔記錄原始觀測數據，事后下載快速精密星歷和國家北京房山、武漢、上海、拉薩、昆明IGS跟蹤站數據，以確定和維持包頭市三維動態坐標基準。

　　利用上述結果確定系統覆蓋區域內的CGCS2000坐標到地方坐標的轉換參數，利用此參數，包頭地區的流動站用戶可獲得精確的地方坐標。

　　㈥ 似大地水準面精化

　　委托武漢大學測繪學院完成此項工作，本項目格網空間重力異常利用了Airy-HaisKanen均衡歸算計算的均衡平常，地形改正和均衡采用了顧及地球曲率的嚴密球面積分公式，積分半徑為300公里，平均空間重力異常采用了7563個點重力數據，為了確定包頭全市域似大地水準面，使用了88個GPS水準資料，計算格網布格改正，地形改正和均衡改正時在陸地部分采用了航天飛機雷達地形測繪任務的空間飛行任務數據庫DTM資料，其分辨率為7.5″×7.5″,地形最小、最大高程值為943米和2324米。

　　利用球冠諧調和分析方法將GPS水準與重力似大地水準面聯合求解得出2′×2′格網似大地水準面，其精度達到±0.020m。

　　“包頭市三維動態高精度控制基準”項目成果，不僅可以建立與國家大地測量坐標相一致的精確的區域大地測量平面控制框架，而且結合高精度GPS大地高可以快速地獲取地面點的水準高程，將極大地改善傳統高程測量模式，從而使費用高、難度大、周期長的傳統高精度水準測量工作量減少到最低限度。似大地水準面成果結合GPS測量可以滿足城市建設、國土資源調查和管理及工程建設和數字包頭對高精度的需要，具有特別重要的科學意義、社會效益和巨大的經濟效益。

　　㈦ 流動站實地測試

　　“包頭三維動態高精度控制基準”系統的精度測試：在系統網型覆蓋的范圍選取現有的具有精確CGCS2000坐標和已知地方坐標的控制點進行RTK測量，比較測量結果與已知值的差異，并得到轉換參數是否準確的依據。

　　系統內符合性測試：在系統網型覆蓋的范圍選取不同的已知點，每點RTK方式測量2次以上，計算其內符合偏差。

　　系統的覆蓋范圍測試：對系統網型覆蓋的范圍以外的控制點進行RTK測量，比較其結果與已知值的差異，確定系統的有效覆蓋范圍。

　　系統的可用性測試：在系統覆蓋的范圍內，選取不同的環境，進行RTK測量，確定系統的可用性程度。

　　后處理靜態測試：利用現有的已知點進行比較測量。

　　㈧ 建立包頭市衛星精密定位綜合服務系統

　　為滿足信息化建設的需要構建包頭市衛星精密定位綜合服務系統通過系統數據服務模塊，采用“偽七參數”作業模式，提供給用戶一套有別于國家高度機密的“真七參數”，使用戶在作業現場能夠實時測得高精度的地方坐標和正常高，同時使數據管理中心管理人員能夠便捷有效地管理用戶，設定用戶作業權限，對用戶進行分區監管。

　　六、系統驗收

　　為了保證該項工程的質量，成立了工程項目組，對工程實施每一個階段，嚴格按照設計標準執行并檢查驗收，并委托甘肅省測繪產品質量監督檢驗站對本項目成果進行質量檢驗。

　　驗收結論：

　　“包頭市三維動態高精度控制基準研究與建設”項目成果資料完整;參考站選址觀測條件良好;基準站觀測墩建設符合設計要求;控制中心機房環境，網絡通訊，軟硬件配置和系統軟件服務功能均達到設計要求;運行系統功能，運行穩定性，兼容性，實時可用性良好;系統提供的靜態定位精度，網絡RTK實時動態定位精度均符合設計要求。依此判定該成果質量為“優”。

　　主要技術指標：

　　⑴參考站CGCS2000靜態測試內符合精度其中誤差±2.1厘米，滿足設計要求。

　　⑵似大地水準面精化檢測高程中誤差±2.4厘米。

　　⑶雷電防護，各站點的防雷設備安裝后，對防雷設施進行了檢測，并出具了“防雷質檢報告”。

　　⑷供電系統，在市電斷電后UPS電源可以保證參考站設備連續不間斷運行10小時以上。

　　⑸系統快速或實時定位網內符合精度平面中誤差優于± 2.5 cm，垂直方向優于± 2.4 cm，測量精度優于原技術設計指標。

　　⑹系統實際覆蓋范圍達到設計要求，在系統網外60km也實現了RTK固定解。

　　⑺系統日可用性達到95%以上。

　　⑻“包頭市三維動態高精度控制基準”系統采用ADSL加VPN技術組網，達到了高實時性，高穩定性，有效傳輸速度等要求，保證參考站與控制中心數據傳輸的可靠與安全。

　　⑼系統開發了實時坐標轉換保密程序，將坐標轉換參數、衛星接收機序列號、手薄序列號進行三綁定，加密，裝載在用戶手薄上，實現了坐標轉換參數的保密和用戶實時得到所需的坐標和高程，這樣既保證了國家絕密文件不外泄，同時又能保證用戶實時正常工作。

　　⑽系統開發了實時監控系統，該系統將用戶發送給數據中心的概略位置GGA數據，通過軟件展繪在地形圖上，管理人員能方便直接的了解用戶的具體位置及是否在授權范圍內作業，若不是，則可通過數據中心軟件關閉其用戶的使用權。

　　⑾“包頭市三維動態高精度控制基準”系統采用了先進的遠程接入服務平臺，實現多個用戶同時遠程撥入，同時對實時用戶進行身份驗證，用戶測量數據統計，用戶歷史數據存儲，顯示查閱與管理。

　　⑿對國內、外多種廠家流動站設備進行了應用測試，其效果良好，證明該系統對流動站設備具有良好的兼容性。

　　七、“包頭市三維動態高精度控制基準”具備的功能

　　“包頭市三維動態高精度控制基準”系統已建成。系統在設計和施工中采用了先進的技術，成熟的經驗，使系統商品化程度高，維護方便，運行安全可靠，重點提高實時動態定位RTK技術的可靠性和覆蓋區域內的可用性。

　　1.在定位信號的有效覆蓋區域內，利用一臺GNSS測量型接收機進行城市各級控制點測量，精度達到厘米級。

　　⒉在定位信號的有效覆蓋區域內，滿足非隱蔽區建筑放線、工程測量、管線跟蹤測量、現狀地形圖測量、城鎮地籍測量、工程竣工測量等項的要求。

　　⒊數據中心可以與多種實時用戶相連接，完成系統信息的實時廣播，即可以采用GPRS/CDMA技術中的一種向系統有效覆蓋區域內的用戶進行差分修正信息的廣播，同時考慮系統的擴展性，在整個系統完全建成后可以用戶可通過上述兩種通訊技術中的任何一種獲取包頭地區差分修正信息。

　　⒋通過Internet或其他手段，實現向包頭地區用戶提供事后精密定位服務的功能。

　　⒌系統安全性良好，能夠有效抵御氣候等外界因素對系統正常運轉的影響，同時防止非授權用戶通過網絡等其它手段訪問系統，實現對提供授權用戶服務的計時收費功能。

　　⒍“包頭市三維動態高精度控制基準”系統GNSS測量數據可以與氣象儀測量數據合并，為準確預報天氣提供基礎數據。

　　7.利用目前國內先進的無線電通信技術，盡量采用公共通訊網統一頻點，統一標準，統一管理，以節省頻率資源，提高效率。

　　8.系統應兼顧目前及今后的發展。

　　按照設計要求，通過一年的試運行系統以達到了基準站無人值守，無人照看，自動運行，年運行率95%以上。

　　9.衛星定位系統接收機或其外部存儲器的容量應能保證至少存儲20天的1秒采樣數據(和相應的氣象數據、氣溫、氣壓、溫度)。

　　10.在市電斷電的情況下，基準站設備可依靠備用電源(UPS)連續工作10小時以上。

　　11.數據中心開通網絡RTK等實時服務功能時應達到可實時傳輸基準站觀測數據，并與控制中心實現雙向通訊的能力。

　　12.具備系統設備完好性檢測功能，系統自動對設備進行自檢出現問題時具有遠程報警能力。

　　13.支持數據中心以遠程方式對基準站進行設定，控制和檢測。

　　14.衛星精密定位綜合服務系統，能夠有效地監管用戶并提供個性化的服務，在符合參數保密規定的前提下，用戶能夠在作業現場實時測得高精度的地方坐標。系統用戶能夠在線使用申請帳戶、管理個人信息、申請作業權限、事后坐標轉換等功能，通過配備智能短信服務、智能郵件服務使得通知、信息能夠及時有效地傳遞給用戶、管理員。系統還擴展服務領能夠提供全市域范圍內不同區域、不同時段的歷史和實時大氣水含量，此項功能有望與氣象部門合作開發利用。

　　在今后加強開發導航用戶和相應技術，建立好法規保障體系，讓用戶使用的可靠性得到法律保護，創建好商業性社會服務體制，優化運行機制，提高服務質量，拓展服務領域，擴大運營規模，使系統獲取更大的市場效益。

　　八、結束語

　　“包頭市三維動態高精度控制基準”的建成，為包頭市提供了與國家地理空間信息基準框架嚴密對接的高精度基準，同時也是一個以實時三維坐標獲取、不同坐標框架轉換、大地成果數據發布、高精度網平差等服務為主要內容的測繪基準服務平臺。今后全市域內在大地測量、攝影測量與遙感、外業地形數據采集、地籍測繪、工程測量等方面廣泛應用，提高了測繪對經濟建設的保障能力，同時將在更多領域發揮巨大的社會效益和經濟效益，滿足規劃、建設及科學管理決策的需求，為建立“數字包頭”及未來的“智慧包頭”搭建了良好的基礎地理空間框架。