网络RTK在北京市矿业权实地核查中的应用

2011-12-08杨春宇王志强纪银晓

城市地质 2011年2期

杨春宇 ,王志强 ,纪银晓

(1.北京市一零一地质大队,北京 101500;2.中国矿业大学(北京),北京 100083)

0 引言

网络RTK系统的可靠性远远优于单机RTK系统.单机RTK系统的可靠性取决于单个参考站,若该参考站出现问题,其覆盖的区域就会成为服务盲区,甚至是错误服务区.而在网络RTK方式,系统的可靠性不是由单个站而是由整个GPS参考站网络来维护的,因此单个参考站即使出现问题也很容易被发现,不会导致数据被错误地使用;而要提高系统的容错性,保持网络的有效覆盖也只需要在网络中增加很少的备用参考站,这在单机RTK系统中代价将是十分昂贵的.

截止2009年6月30号北京市共有有效矿权375个,分布在北京市的18个区县(合并后为16个区县).要在一年内完成全部核查工作.如果采用静态GPS控制测量+全站仪碎步测量的传统测量模式,将难以按期完成实地核查工作.针对时间紧、人员有限、矿权分布广泛这一特点,我们决定利用北京市已建成的CORS系统,率先在全国范围内应用网络RTK技术进行矿业权实地核查的测量工作.

1 网络RTK原理与技术方法

1.1 CORS系统

连续运行参考站系统(Continuous Operational Reference System,简称CORS)是网络RTK系统的基础设施,也是网络RTK技术的具体应用.CORS系统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)技术组成的网络,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,以及其它有关GPS服务项目的系统.

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.

(1)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.

(2)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系统可包括无数个站,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10～20km).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.

(3)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.

(4)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.

图1是CORS系统的工作流程示意图.

图1 CORS系统的工作流程

1.2 北京市网络RTK采用的技术方法

RTK(Real Time Kinematic)技术是GPS实时载波相位差分的简称.这是一种将GPS与数传技术相结合,实时解算进行数据处理,在1～2s的时间里得到高精度位置信息的技术.网络RTK技术依靠网络将基准站连接到计算中心,联合若干参考站数据解算或消除电离层、对流层等影响,以提高RTK定位可靠性和精度.目前网络RTK的技术方法主要有虚拟参考站技术(VRS)、区域改正参数方法(FKP)、主辅站技术、综合误差内插法等.在北京市矿业权实地核查工作中,我们应用的是虚拟参考站技术方法,进行矿区的控制测量和部分碎步测量工作.

VRS(Virtual Reference System)的意思是虚拟参考站,它所代表的是GPS的网络RTK技术.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,因而流动站并不需要知道参考站所用的参数模型.

目前世界各国的网络RTK系统多采用应用比较广泛的VRS技术,该技术经过十年的提高完善已形成实用化、商品化的技术和软件系统.与常规RTK定位技术相比,VRS技术对电离层、对流层等改正考虑较好、定位可靠性和精度较高、作用范围较大,同时最大程度地保护了用户的设备投入.由于该技术的显著优点,现已成为世界上应用最普遍、最成功的网络RTK技术之一.见网络RTK(VRS)技术示意图(图2)

图2 网络RTK(VRS)技术示意图

2 网络RTK技术应用实例分析

2.1 北京市矿业权核查工作简介

矿业权实地核查工作主要包括核查准备、野外实测、问题分析与处理、成果编制与验收、成果汇总、全国矿业权管理信息系统建设、全国矿业权核查成果综合分析等内容.其中野外实测指的是以室内整理更新后的探矿权、采矿权登记数据库为依据,以单个矿业权为基本单元,通过实测探矿权勘查工程空间分布和采矿权开拓工程空间分布,获取矿业权人勘察开采活动的二维或三维坐标,与勘察许可证、采矿许可证上的坐标进行对比,并将实测的分布范围投影到平面图上,绘制形成探矿权勘查工程、采矿权开拓工程平面图,确定矿业权的实际范围是否在法定许可范围内,同时对矿业权其他相关数据一并核查,获得全面、真实、可靠的矿业权基本数据.

2.2 东城区花市枣苑小区地热开采实例分析

(1 )北京市CORS系统基站分布

根据北京市的实际情况和相关规定,我单位利用北京市已建成的CORS系统,应用网络RTK技术进行北京市矿业权实地核查的测量工作.北京市CORS系统分布如图3所示.

图3 北京市CORS系统基站分布

(2)花市枣苑小区地热开采原始数据及其精度

在北京市东城区花市枣苑小区地热开采实际测量中,我们首先在视野开阔、无高大建筑物遮挡、无电线电缆等无法造成信号干扰的地方选取点位进行标识埋点,通过对基座对中整平之后,装上GPS接收机,连结网络,进行观测.每个控制点采取两次以上不同时段观测,最后选取最优数据作为控制点成果.上述一系列操作的目的是尽可能使各种外界因素引起的误差减小到最小.该矿区在引入了GPS1、GPS2两个控制点之后,仍然采用网络RTK技术通过单台移动站对一些碎步点进行测量,部分测量数据如表1所示,控制点平面坐标中误差小于3mm,高程中误差小于5mm,精度完全符合要求.碎步点观测时由于外界因素干扰造成测量精度有一定下降,但是通过下表可以看出碎步点的平面坐标中误差不超过3cm,高程中误差不超过5cm,也完全符合本次核查的精度要求.

表1 花市枣苑小区地热开采部分原始数据表

(3) 花市枣苑小区地热开采平面图绘制

野外实测完成之后,首先将两个GPS控制点原始数据发送至北京市测绘院进行解算,将WGS-84坐标转换为1980西安坐标,之后利用两个已知控制点和相邻矿区已有的控制成果,形成足够的坐标点对,进行坐标转换参数解算,根据求出的参数可对其余碎步点的坐标进行转换,转换后的坐标经过校验最大差值不超过1cm,符合精度要求.原始数据处理完毕之后,我们利用全国项目办提供的矿业权核查绘图软件绘制了该采矿权开拓工程平面图(图4),红色边框区域表示根据许可证核发的拐点坐标绘制的井位许可范围,由图可知,该地热井的位置在法定许可范围之内.