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基于阿里云的CORS技术在特高压输电线路测量中的应用

时间:2022-05-21 08:40:06 浏览次数:

zoޛ)j馐E/iL9ii׮8M|M6:uvM$iԒE2Lt`E E&申请手续繁琐,难以满足工程施工单位流动环境下的使用需求。

因此,针对特高压线路路径长、时间紧、任务重、作业条件恶劣、人员紧张的现状,为了提高测量效率,采用临时建立连续运行基站的方式,能增大数据传输范围,减少外业人员,提高了工作效率,为特高压线路测量提供方便、高效、高精度的定位模式。

2单基站CORS技术

连续运行参考站系统(Continuously OperatingReference Stations,CORS)是网络技术与GNSS定位技术、现代大地测量、地球动力学交叉融合的产物,通过建立一个或多个连续运行的GNSS参考站,利用网络技术,实时或准实时地向用户提供定位数据。一般来讲,CORS系统由基站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五部分组成,各基站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体,形成专用网络。

对于长距离特高压输电线路而言,根据实际情况建立临时CORS基站能够发挥GNSS测量系统的最大效能。按照基站的数量可以分为单基站CORS以及多基站CORS。对于50 km左右的线路,建立单基站CORS即可,对于超过50 km的长距离线路,需要沿线布设多基站CORS。

单基站CORS测量系统中只有一个基站,类似于一加一或一加多的RTK作业方式,只不过基站由连续运行的基站代替。能通过网络在线查看卫星状态、存储静态数据、实时向Internet发送差分信息以及监控移动站作业情况。基站不间断地连续观测GNSS的卫星信号以获取该时间段和该地区的“局域精密星历”及其他改正参数,按照用户要求将数据打包存储并把CORS站的卫星信息传输到服务器上的指定位置。移动用户接收当地卫星的信号,解算出自身的地理位置,并将这些信息通过GPRS/CDMA/3 G/4G通信模块发送到服务器。移动站用户访问服务器,获取CORS站提供的差分信息,同时自身也采集GNSS数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,得到厘米级的定位结果.

单基站CORS- RTK是一种实时动态相对定位的技术,通常采用双差观测值,在RTK实际测量中,主要靠限制流动站和基准站之间的距离以便使两站上的卫星轨道误差、电离层延迟和对流层延迟可能保持一致,从而使求了双差后的上述因素可略而不计,以保证最终的定位精度。而多路径误差、测量噪声等,由于与距离无关,因而难以根据基准站的值进行内插,而必须采用良好的观测环境、选择性能较好的接收机等方法将它们的影响限制在误差允许的范围之内.

由于长距离输电线路作业区呈狭长带状分布,一般应沿线路布设一定数量的GNSS基站。多个基站联动作业,相邻之间的距离不大于50km,各基站将观测数据传送到同一服务器。对多台基站的观测数据进行联合解算,尽可能消除区域内流动站观测数据的系统误差(如电离层、对流层等因素的影响),从而获得高精度的测量结果。

流动站作业时,将观测的位置信息传输到服务器,服务器计算流动站与各个基站之间的相关位置关系,将距离最近的基站差分数据传输给流动站。在多基站CORS覆盖作业区进行测量,流动站能够获取离距流动站最近的基站差分数据,得到最佳的测量精度,从而解决一致性的问题。

单基站GNSS差分系统的定位原理与常规RTK作业模式基本一致,与其相比,具有明显优势:数据提供类型丰富,既能提供事后处理需要的原始观测数据,同时又能发布高精度载波相位差分信号以及伪距差分信号;通讯方式上,能够提供网络传输和常规无线电台等多种通讯方式,既保证了数据链的高效传输,又提高传输距离。

3基于阿里云CORS应用

单基站CORS测量系统包括基站、服务器以及流动站三部分组成。RTK基站数据通过WIFI GPRS、3G、4G等网络传输到一台具有固定IP地址的远程端服务器,接收到数据的这台服务器再通过数据管理软件将这些转发给连接到此服务器的流动站,从而实现动态测量。常规单基站CORS测量系统往往采用自建设服务器的模式,成本很高,技术难度大,后期需要专人维护,移动困难,很难适应大区域流动作业的要求。

随着云技术的发展,云存储、云计算已经变得非常成熟,公有云服务越来越方便、快捷、高效、稳定。利用公有云的强大存储、计算能力,单基站CORS测量系统已经不需要自建服務器,就能获得强大的服务器。目前很多公司企业提供商业服务器租用服务,其中阿里云服务器(Elastic Compute Service简称ECS)就是其中的领先者,阿里云服务具有简单、高效的特点,处理能力可弹性伸缩的计算服务。利用阿里云服务器,省去昂贵的服务购置费用,也无需专人维护,使用方便,运行成本低,能快速构建更稳定、安全的应用,提升运维效率,极大地降低系统建设成本,使流动单基站CORS测量系统成为可能。

3.1系统构成

采用天宝GNSS设备,基于阿里云服务器构建单基站CORS测量系统,保证基站与流动站能够稳定访问阿里云服务器,能够在服务器上安装数据交换软件,确保观测、计算数据能够接收、转发。本系统利用阿里云的虚拟化调度优势,规避不同网络运营商之间可能造成的网络瓶颈。本系统对接入的流动站没有台数限制,一个端口可以接多台流动站;可以连接多台基站,实现多基站数据的转发,数据的分流。

3.2阿里云设置

首先对阿里云进行设置,并将TSM(TrimbleStreaming Manager)安装在阿里云服务器上,该软件是针对天宝GNSS设备数据流的管理软件,作用相当于数据转发器,实现数据流的接收并转发。

租用阿里云服务器,能够获得稳定的服务器,具有固定的IP地址,基站以及流动站能够通过通信网络进行自由访问。对服务器进行安全配置,特别需要注意端口设置,要求端口成对出现,使观测数据得以通过转发。IP地址输入公网IP地址(购买的云服务器IP地址),用户名使用Administrator,密码使用阿里云自定义密码,然后在服务器上安装TSM软件。

3.3TSM设置

在TSM中增加转发规则,分别配置Incoming、outgoing,使基站、流动站能够进行数据交换。在数据中心服务器中安装TSM软件,通过添加“Router”模块,配置为被动形式(passive),见图1。

在数据输入(Incoming)页选择基站数据源:在Incoming选项中connection type设置为TCP/IP server,在Network interface换成Red Hat,IP address使用默认IP。该页设置中,基站数据源端口与云服务器设置的端口应保持一致。在输出(Outgoing)页,使用非输入端口采用多路输出方式(MultiCast),并以TCP/IP服务器形式播发RTK基站数据流(采用多路输出方式Multicast组播模式:在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接;Unicast:从一台服务器送出的每个数据包只能传送给一个客户机,这种传送方式称为单播),见图2。以TCP/IP服务器形式播发RTK基准站数据流。在outgoing里面也要指定一个端口作为发射端口,当流动站通过输入IP地址(域名)和对应端口的时候,就能获取到基站数据,见图3。

3.4基站设置

基站主机插网线连接电脑,登录网站(169.254.1.O),用户名默认admin,密码默认password;登陆上WEBUI后,将网络设置的静态IP改为DHCH自动获取。在I/O设置中端口配置中客户端打钩,将远程IP改为外网IP(购买的云服务器IP地址)。端口改为映射端口如7000,播发格式改为CMRX(根据接收机接受卫星的信号类型选择,如CMRX支持GNSS,GLONASS,BEIDOU三种信号),建立不同的端口映射,对应不同的播发格式以支持不同的GNSS设备,见图4。

在WEBUI网站输入基站控制点,坐标形式为基站WGS84大地坐标,见图5。

3.5流动站设置

流动端可以采用手机卡上网或者连接WIFI热点上网,见图6。①新建测量形式。②流动站选项,播發格式选择接收机主机中Tcp/lp中的发射格式CMRx。③流动站数据链路,数据链类型换为互联网连接,新建GNSS联系将外网IP输入手薄ip地址中去(不选中NTRIP),IP地址、IP端口分别输入TSM中发射的地址以及端口,见图7。到此设置完毕可以开始测量。

4应用实践

4.1项目概述

某特高压输电线路工程全长2000多km,本次作业区域位于云南省某地,线路长度为60km。作业区域为高山大岭,为喀斯特区域,地形陡峭,交通差,植被茂密,荆棘丛生。如果采用常规电台模式,电台信号遮挡严重,作业半径大大降低,一般只有2km左右,需要不断的设置和更换基站。为保证控制点的质量和精度,基准点一般设在远离主要交通要道的位置,车辆难以直接到达,往往通过人力或者畜力将电瓶等设备搬到控制点处,费时费力。另一方面,需安排专人值守基站,浪费人力资源。由于工程紧迫,对勘测设计的工期要求非常高,要求在40d之内完成所有工作,因此在本工程中采用单基站CORS测量系统。除了在本测区进行测量外,还在邻近测区进行了远距离测试,以验证距离对测量精度的影响。本次作业的作业方案如下。

(1)控制点选取。选取单基站CORS设备标称精度的覆盖范围内均匀分布的20个像控控制点作为已知点。

(2)求取坐标转换参数。在确认控制点可靠的情况下,根据控制点资料选择精度较高、分布均匀的控制点解算转换参数,参数模型一般选用布尔沙七参数模型,并比较检查点的残差,剔除不合格的控制点,重新解算,获得精度较高的转换参数。

(3)仪器选取。本次试验采用天宝GNSS,基站为天宝R9S,流动站为天宝R8 MODEL-4。

(4)基站架设。本次基站架设在宾馆楼顶,采用不间断电源,在作业期间不间断工作。基站在作业区中间位置,离起点、终点的距离均为30km左右,确保主测区在设备标称范围之内。基站架设采用三脚架,并对底部进行加固,确保作业期间不发生移动。采用专用网络进行通讯,确保IP地址不发生跳动(图8)。

(5)流动测量。测量过程中采用天宝R8接收机进行RTK实时测量,测量时利用网络信号进行RTK数据采集地形点,断面点,检测前期像控静态控制点。在工程中,试验不同网络接入方式(手薄插人手机卡及网络热点),试验不同网络信号(移动、电信及联通),试验不同距离,试验不同卫星组合(单星,双星及三星),试验不同观测条件、不同星况及不同时段等等情况下,测量收敛速度以及测量精度的差异。

4.2测量精度检查

4.2.1静态已知点检测

(1)通过比较像控阶段静态控制测量的解算值与CORS RTK测量值的差值来检验其定位精度,并分析测量精度同测量点与基站间距的关系。表1为部分差值表,图9、图10为距离同平面位置、高程差值的关系图。

由实验数据可知,在本次作业系统的配置条件下,基站的作业范围控制在30km之内较为合理。单基站CORS在20km范围内定位精度很高,平面误差在3cm以内,距离30km情况下也可以达到5cm左右的平面精度,实测证明完全可以满足线路测量的精度要求。从与已知点静态数据比较计算表可以看出实验测试点的最大误差为0.11m,该点离基站较远,距离基站77km,在距离基站60km以内平面精度基本上可以达到10cm以内,当然这跟静态解算以及区域转换参数也有一定的关系。

对于距离超过50km的控制点进行不同时段的观测,在星况好的情况下,不同时段获得的数值非常稳定。以点NCK2-1为例,测量值与静态数值的比较如表2。多次测量的差值在2cm之内,说明测量精度比较稳定,内符合精度非常高,与控制点差值可能与像控阶段的计算、转换参数有关。

(2)固定收敛的速度。常规的RTK的初始化时间与有效观测卫星数量、距基准站距离及观测环境等条件有关,单基站CORS初始化时间在20km内跟距离的关系不大,主要同星况有关。当测量点同基站距离较远的情况,如果星况较好(特别是开启多卫星观测系统的情况下)固定较快,30~60km的距离像控静态点一般都在15s内固定,以NCK2-1为例,20s左右能够固定。如果距离远,卫星遮挡比较严重的时候很难获得固定解。

4.2.2不同观测环境的实时动态检测

不同的观测影响着流动站定位精度。在本次工程实践中,选择测区内不同的地形类型,如高大建筑物、树木、大面积水域边,输电线路附近等,以传统的测量方法来测定检测点坐标和高程并以此为基准值,再利用单基站网络RTK模式重复测量,通过比较发现,观测条件不佳的地方,由于受到多路径效应以及电磁干扰的情况,测量的收敛速度以及精度都明显降低。

4.2.3网络传输的影响

在手机网络信号不好的情况下,对测量固定速度以及测量精度也有一定的影响。有时候移动与电信信号测量结果也会存在一定差异,因此需要选择当地网络信号较好的网络服务商,在网络信号较差的区域,需要多次测量检验其精度。

4.3精度评定

经过工程检验,单基站CORS在设备标称范围内能够得到质量较好的测量数据,从而得出如下结论:①单基站有效距离约35km,平面测量精度在5cm以内,满足线路直线桩平面测量精度。高程相对精度在0.3m以内也满足线路相邻直线桩的测量精度。②超过35km,且在80km以内,测量结果同星况关系非常大,在固定的情况下,内符合精度很高,精度在10cm左右,可以进行断面点、房屋等地物测量。

5结语

经过工程实践,单基站CORS系統取得了很好的效果,测量精度能够满足特高压输电线路测量要求,极大地提高了作业效率。通过与传统作业方式对比,单基站CORS系统在线路测量中具有以下优点。

(1)系统构成简单易行成本低。系统设备使用目前主流的常规GNSS RTK设备即可,不需要额外增加硬件设备,租用阿里云服务器,无需购置服务器设备,成本低,也无需专人维护服务器,简单易行。

(2)基准统一。连续运行单基站的建立,不需要频繁传递参考站,减少因参考站传递,频繁架设造成的偶然误差,各作业组使用同一基站,保证了基准统一。

(3)作业范围广。前基于单基站的RTK作业范围大,在设备标称的作业半径内能够获得高精度的测量成果。目前,商业化的单基站测量系统的作业范围均能达到30km,有些设备甚至能够达到40~50km,能够解决长距离线路测量误差随距离变大而增大的困扰。

(4)节约人力资源。单基站配合RTK作业,设立基站后,单人即可进行流动测量作业,节省人力,也无需架设,收参考,从而提高作业效率。

(5)提高设备利用率、作业效率高。同一作业区只需配备一台基站,其他设备全部可以用于流动站测量,从而提高了设备利用率。同时,无需频繁传递参考站,无需每天架设参考站,能够显著提高作业效率。

当项目完成后,单基站测量系统可拆装转至另一项目工地,能够重复利用,满足当前全国甚至全球流动作业的特点,提升设备利用率。

参考文献:

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[3]彭江涛,董洪全,崔永,等,双基站GNSSRTK技术在沙漠区域公路施工测量中的应用与研究[J].价值工程,2017(05):171~173.

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