VRS技术在工程测量中的应用

【摘要】介绍常规RTK技术特点及缺点，阐述网络RTK技术中的VRS系统，通过河北省卫星定位综合服务系统在实际工程中的网络RTK模式应用，以具体工程为载体对VRS系统进行试验，与常规RTK数据进行比较，评价VRS系统作业的内外精度，对实际工程中需要注意的问题进行说明，供广大工程测绘人员借鉴。

【关键字】RTK；差分GPS；连续运行参考站；网络RTK；VRS；坐标系转换；高程拟合。

引言：

实时、高精度、高可靠性是当今卫星定位技术的发展方向，也是广大测绘研究工作者追求的目标，随着卫星定位、无线通信、计算机网络等领域的相互融合和交叉发展，人们对集中式、网络化的空间信息系统不断提出更高的要求，基于此，全国各省、市政府部门和商业机构正在相继建立卫星定位综合服务系统，河北省卫星定位综合服务系统一期工程于2008年10月启动，2009年8月系统开展测试并投入试运行，2010年4月通过验收，正式上线运行，采用的是目前网络RTK主流技术中的VRS（虚拟参考站，Virtual Reference Station）技术，采用软件是Trimble的GPSNet/RTKNet，河北省全省范围内设计平面精度优于5厘米，设计高程精度优于10厘米，实际情况更优。VRS技术与常规RTK技术相比具有明显优点，达到系统预期应用目标。本文通过介绍VRS系统及其在具体工程中的应用实例与大家进行该技术的探讨。

一、系统简介

（一）VRS系统介绍

网络RTK（又称多基准站RTK）是以连续运行参考站（CORS）为基础，联合多基准站的数据进行误差计算、改正，向用户提供空间位置服务的实时定位技术，通过网络实现系统各部分的互连甚至互操作，达到系统中心对多基准站数据共享和数据实时传输的目的。

VRS即虚拟参考站，是网络RTK定位技术的一种，顾名思义，该参考站实际上是不存在的而是虚拟的。基于VRS的GPS测量方法可以说是一个系统工程，首先各个基准站的观测数据必须能够通过一定的通讯方式传送至一个数据处理中心，数据处理软件对各基准站的观测数据进行完整性检查，然后对各个基准站的GPS观测数据进行处理，计算出该区域与时间和空间有关的GPS误差，同时根据流动站送来的近似坐标（可用伪距单点定位法求得）判定出该站位于哪三个基准站所组成的三角形内，再根据三个基准站的观测数据求出虚拟参考站所受到的系统误差并发给流动站用户。由于虚拟参考站离流动站非常近，可以认为其观测数据的各项误差与流动站观测数据的各项误差相等，因而用虚拟参考站的误差来改正流动站的观测数据基本可以将影响GPS测量的各种误差减小到最低，从而达到快速、高精度定位的目的。采用虚拟参考站VRS方法进行测量只需要用一台GPS接收机进行测量即可。其基本流程如下图1所示。

VRS系统组成部分一：连续运行参考站，负责24小时不间断观测数据，一般观测全球定位系统（GPS）数据，最终通过网络实现与控制中心的实时数据互联。

VRS系统组成部分二：控制中心，是整个系统的神经中枢。它连接到网络中所有的接收机，执行几个重要的任务，包括：原始数据收集并进行质量检查、存储RlNEX和压缩RlNEX数据、改正天线相位中心（IGS模式）、系统误差的模型化及估算、产生数据为流动站接收机创建虚拟基站位置、产生流动站所在位置上的RTK改正数据流、发送RTK改正数据到野外的流动站。

VRS系统组成部分三：流动站用户，用户通过接收机单点定位，将测点概略坐标通过网络数据链发送至控制中心，再接收经过控制中心改正计算的NMEA信息数据。

图2 VRS系统工作简易示意图

（二）VRS技术优点

VRS技术由于其先进的设计理念，在工程测量中与常规测量方式相比具有较多优点：

（1）VRS与常规RTK测量相比，测量作业半径增加了，常规RTK技术是差分GPS的一种，即载波相位差分GPS，由一个基准站、若干个流动站、数据传输链组成，它能对和测站、距离有关的误差进行消除或减弱处理，从而达到高精度定位目的，但与距离相关的误差解算模型精度随距离增大定位精度会衰减，并且衰减与距离并不是线性变化，衰减速率会随着基站与流动站间距而递增，例如基站与流动站间距500公里时RTK误差增长率已达12厘米/公里，因此，在利用常规RTK技术进行高精度定位时会受到作业距离瓶颈，而VRS技术虚拟的参考站就在用户附近，突破了常规RTK作业距离限制。

（2）VRS系统具有高可靠性，VRS的连续运行参考站（CORS）处于持续观测状态，控制中心会对全网CORS站点数据进行分析，在对用户的概略坐标进行分析后，确定用户处在由哪三个参考站站点所处的三角形内，然后利用三个参考站综合模拟出虚拟参考站的伪距观测值，并通过计算基线模糊度来对其进行质量评定，

增加了系统的数据处理的可靠性，并能将用户附近CORS站点动态计算结果反馈于用户。

（3）VRS系统具有高精度，由于虚拟基站经过了严格的精度评定，且虚拟基站就在用户附近，大大减小了GPS测量中空间相关误差，从而提高了GPS测量精度。

（4）使用VRS技术无须架设GPS参考站，节约大量的人力、物力资源。

（5）广大用户可以利用VRS系统采集的精确坐标、大地高与国家坐标系、高程系成果实现转换，方便快捷。

二、工程实践应用与分析

（一）应用模式介绍

河北省卫星定位综合服务系统采用2000国家大地坐标系（即CGCS2000，地心坐标系，长半轴a=6378137m，扁率f=1/298.257222101），采用该系统正常作业所采集的数据为高精度2000国家大地坐标系坐标，为了获得工程参心系坐标需要进行二维、三维转换，二维转换采用平面四参、七参数转换方式，三维转换采用七参数转换模式，一般采用“布尔沙模型”，目前该系统在工程测量中的具体应用模式为：

（1）后处理模式：坐标系、高程系转换，坐标系转换包括1954年北京坐标系、1980西安坐标系、WGS84坐标系、2000国家大地坐标系之间的坐标转换，目前在河北省范围内除了涉及到1954年北京坐标系成果转换精度仅控制在1米内，其余转换精度均达到5厘米；高程系转换为似大地水准面高程计算成果，即利用该系统与河北似大地水准面精化成果相结合得到测点的高精度1985国家高程基准高程。

（2）实时处理模式，该模式是利用已求得的转换参数进行作业，或者在没有已知参数的情况下现场实测已知点进行求参，再进行数据采集，目前所有GPS仪器厂家的产品均能实现求参算法实现。除此之外在大量前期工程项目中，为了节省联测已知控制点的时间，可以先利用后处理模式在测区布设部分图根控制点，然后再进行求参完成测区数据采集。

（二）具体工程实例及精度评定

220kV杜林-沧州电铁牵引站Ⅰ、II回线路工程位于沧州市西郊，地势平坦，在市规划区范围内，两回线路共32公里，采用线路独立坐标系、1985国家高程基准。工程现场利用Trimble5700 GPS进行作业，分别用常规RTK技术、VRS技术对全线桩位进行数据采集，其中VRS作业是在线路两端常规RTK桩位点基础上求参进行的，平面约束2点，高程约束1点，最终将两种作业方式的同名点进行数据比较，得到下表：

上表中，内部精度是反应VRS系统的稳定性，计算每一测点VRS数据的平均值，将每一观测值与平均值求差，按区间进行精度统计，根据（a）式分别计算每点各方向内部精度：

（a）

其中，为为各观测值与平均值的差值，N为每个测点的观测值总数，即剔除粗差观测值后的VRS观测值总数，为观测值的内部精度。外部精度反应VRS系统的准确性，按（b）式求得：

（b）

其中，为为VRS观测值与常规RTK观测值的差值，n为观测值总数，即剔除粗差观测值后的VRS观测值总数，为观测值的外部精度。

按照上述精度评定方法，在220kV杜林-沧州电铁牵引站Ⅰ、II回线路工程中VRS内部精度水平方向优于2厘米，垂直方向优于3厘米，VRS外部精度水平方向优于3厘米，垂直方向优于5厘米，符合线路测量精度要求。

（三）需要注意的问题

对于大面积或有特殊要求的测区，用户最好利用公共点求取测区七参数，并选择合理的高程拟合模型，求参选点时必须覆盖整个测区，尽量使约束点均匀分布于测区，求参完成后必须选取另外的已知点进行精度检测，检测精度不满足要求时需要分析原因，剔除粗差已知点后重新进行求参计算；高程拟合的模型有常数模型、平面模型、曲面模型，其中常数模型需要1个以上的公共高程点，平面模型需要3个以上的公共高程点，曲面模型需要6个以上的公共高程点。常数模型适合于小面积的测区，平面模型适合于平坦地区，曲面模型适合于高程异常变化激烈的地区（如山区），且在高程异常变化较大的转折处尽量设置拟合公共点，

高程拟合点数量越多拟合精度越高，且要均匀分布控制整个测区，但拟合点数量增加到一定数量时，再增加拟合点数量也不能显著提高高程拟合精度，因此实际工作中也不能一味追求拟合点的数量，要按实际精度需求而定。为了保证高程拟合的精度，需要对高程拟合结果进行检测，符合精度要求后才能使用，否则通过分析剔除不合理拟合点后重新进行高程拟合。

三、总结

VRS技术作为网络RTK技术的一种，是目前测绘领域前沿技术，其凭借诸多优点得到我国各省市测绘单位的青睐。本文对VRS系统及其应用方式进行了探讨，着眼于工程测量，望能为广大工程测量工作者利用该项技术服务提供帮助。

参考文献：

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