1 概述
1.1 上海市现有情况介绍
20世纪90年代以来，上海城市建设以构建枢纽型、功能性、网络化基础设施和立体化交通网络建设为核心，加速推进城市基础设施的现代化建设。1991-2003年，全市用于城市基础设施建设的投资累计达到4798.8亿元，平均每年增长27.1%，占同期固定资产投资的比重为23.7%，这是上海城市建设历史上投资强度和建设规模最大的时期。一批批展示现代化国际大都市面貌的标志性建筑拔地而起，为进一步改善上海投资环境、扩大对外开放、增强城市综合功能创造了有利条件。上海的重大工程建设根据上海城市发展总体规划和目标，科学统筹，加快推进，相继建成了南浦大桥、杨浦大桥、内环高架路、延安高架路、地铁一号线、地铁二号线、轻轨明珠线一期、磁悬浮列车、浦东国际机场、轨道交通5号线莘闵线等一批标志性工程。2003年，上海重大工程建设完成投资621.52亿元。建成或基本建成了沪闵高架道路二期、大连路拓宽、竹园污水处理厂等25项重大工程。外环线隧道、卢浦大桥和大连路隧道相继建成启用，中心城区黄浦江越江车道由26条增至44条，有效地减轻了市中心的越江压力。20世纪90年代，上海提出了全面改造“365万平方米危棚简屋”的目标，历经10年努力，至2000年底如期完成。数百万的市民走进低密度、亲水性、智能化的新建住宅小区。新一轮旧区改造正有序推进。2001～2003年，全市拆除旧住宅建筑面积1635.48万平方米，动迁居民31.8万户。
上海市在2002年6月建成上海地区GPS综合应用网，该网是我国第一个集GPS技术应用于城市气象服务、大地测量、地壳形变和地面沉降的监测以及为城市地理信息系统(GIS)服务，该网在上海市布设了5个GPS基准站，通过无线电台连续发布差分改正信息。为前两年上海市建设发挥了重要作用。但因为上海市发展速度太快，原有5个GPS基准站无法覆盖整个市区，所以上海市测绘院又建立了4个GPS基准站，这样上海市共形成了9个GPS基准站覆盖上海市区，如下图所示（长兴站为规划中，还未兴建）：
这9个GPS基准站都采用电台发送实时差分信息，通过电话线路上传GPS后处理数据的工作方式。因为无线电波传输具有本身的局限性，在高楼林立的上海市区中，电台信号经常会因为高楼的遮挡而无法正常传输，形成信号覆盖的盲区，这样在城市勘测、施工中无法应用现有基准站的实时差分数据，施工、作业极为不便。

图1：现有GPS基准站分布情况
作为国内经济、科技的领军城市，城市的数字化建设，城市信息基础设施的建设，应当随着经济的发展而发展，随着科技的进步而进步，为上海的经济发展、城市建设提供更好的服务。当前，上海市面临新一轮的经济发展和城市建设，同时世博会的申办成功对城市规划、建设都提出了更高的要求。所以建设上海市多功能连续运行GPS基准站网络系统，进一步扩展和发展上海GPS综合服务网成为当前城市信息化基础设施建设的迫切需求。
随着科技的进步，GPS及差分GPS应用又有了新的发展。现在网络差分、网络RTK技术在国外生产实践中已得到了广泛的应用。网络差分技术将GPS基准站联成网络，使用网络内多个基准站的观测数据，根据新的网络数学模型进行运算，为流动站提供差分改正信息，不但扩展了基准站的作业范围，并且提高了长距离时定位的精度。而通讯方式也不仅仅局限于电台，已经扩展到使用internet网络、GSM网络、GPRS或CDMA网络进行数据传输。这些公共通讯网络比较稳定和成熟，可以覆盖大面积的范围，在电台信号不能达到的地方也能正常进行RTK作业。就为上海市进一步发展和完善现有的GPS综合应用网提供了可能。
为了进一步完善上海市连续运行GPS参考站网络，达到在上海城区应用GPS基准站网络差分数据，进行RTK作业；为上海市RTK测绘技术标准进行前期的测和准备；也为应用最新的GPS技术，形成上海市GPS参考站数据发布与应用体系，经过前期市场调研和论证，上海市测绘院决定与美国天宝（Trimble）公司合作，进行Trimble VRS系统测试。
1.2 Trimble虚拟参考站（VRS）系统介绍
Trimble虚拟参考站系统，是当前世界上应用最广、最成熟的GPS网络系统。其中虚拟参考站是英文Virtual Reference Station的翻译，缩写为VRS，Trimble公司已将该缩写注册，成为Trimble公司的网络RTK技术的注册商标和专有技术名称。
VRS技术是应用网络内所有GPS基准站的数据，生成整个网络区域内的动态模型，为整个网络覆盖范围内的用户提供差分数据，同时，对于网络覆盖外的一定区域，也能提供同样精度的差分改更信息，但是网络外的区域面积和当地大气变化情况相关，要根据具体的情况，经测试确定覆盖范围的面积。
VRS技术代表了当前网络RTK技术的最高成就， GPS基准站之间的距离一般为70公里左右，但要根据当地的大气条件最终确定。在已经完成的系统中，国外应用中最远的参考站间距离为110多公里，国内应用中最远的站间距离为九十多公里。VRS可以满足用户以最少的投资建设覆盖最大范围应用网络的需求，但为了保证达到最好的使用效果，用户应在覆盖范围内建立一定数目的基准站。在建设网络前，Trimble公司可以使用这些点上的24小时观测数据进行模型分析与仿真试验，以确保用户网络的完好性和可用性，并提出相应的建议。
VRS系统由基准站网、监控中心、数据传输系统、用户应用系统四个部分组成，各基准站与监控中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。
 参考站网：由连续运行GPS参考站和相应的数据传输设备组成，负责采集GPS卫星观测数据并输送至监控中心；
 监控中心：系统的控制中心，用于接收各参考站数据，进行数据处理，形成GPS参考站网络模型，并记录各参考站的原始数据或RINEX数据；响应用户的需求，通过因特网、无线电台、GSM数据业务、GPRS或CDMA等方式向用户发布实时差分数据或为用户提供后处理数据；同时完成计费功能；
 数据传输系统：分为两种，一种是连接各参考站和控制中心，将参考站数据实时传输至监控中心；另一种用来连接用户应用系统和监控中心，为用户提供实时、事后服务。
 用户应用系统：用户使用网络数据进行应用的相应软件和硬件，如RTK定位系统、DGPS定位系统、定位数据事后处理系统，及自主式导航系统和监控定位系统等。
系统可以具备电台、GSM、GPRS和CDMA等通讯方式，提供全天候的厘米级定位服务和定位数据事后处理服务功能。系统运行后，用户可以实现实时动态厘米级精度的定位应用，适用于城市实时控制测量，实时小区域大中比例尺测图与修测、工程放样和工程监测等应用；可以实现实时动态米级、分米级精度的定位应用，适用于相应精度的测图应用或GIS数据更新应用。系统可以逐步建立起从静态、动态到高动态，从事后、准实时到实时，从毫米级、厘米级到亚米级精度的城市基础信息服务体系，并建立城市空间基础设施的三维、动态、地心坐标参考框架，建立起实时空间位置信息层面上的数字化现代城市的基础。
虚拟参考站系统的工作流程如下：
 各GPS基准站的实时观测数据实时的传递到控制中心运行GPSNet软件的服务器；
 控制中心服务器定时下载精密预报星历；
 GPSNet软件监测各基准站的数据，将数据和精密预报星历对比，检查数据质量，剔除较差的数据，筛选用户自定义数据信息（高度角等），进行周跳修复等数据处理；
 处理后的数据进入同步处理模块，所有数据进入相应数学模型，根据所有数据生成星历改正、电离层模型、对流层模型等，等待移动站请求信息；
 移动站请求实时差分改正，将单点定位信息发送到控制中心GPSNet服务器；
 GPSNet服务器在每一个移动站发回的位置生成一个虚拟参考站，并发送实时差分信息。

对于实时差分改正用户，系统支持用户与控制中心的双向通讯（使用VRS时），也支持从控制中心到用户的单向数据通讯（广播方式，即FKP方式）。



2 测试目的与测试要求
2.1 测试目的
上海市内GPS应用条件复杂，市内高楼较多，影响 GPS接收机收星，大多数情况下只有五、六颗星，同时还有较大的多路径效应；市内各种通讯设备与无线电干扰较多，电台通讯情况不好；同时上海市临海，还有内河，水气变化会引起大气中电离层的变化，影响GPS接收机的定位精度；对整个系统的要求较高。针对这些特殊情况，上海市测绘院对VRS系统的测试，主要考察VRS系统的可用性、兼容性、稳定性与RTK精度。
1、系统可用性：在VRS网络覆盖范围内，是否所有满足RTK定位条件的地方都可以顺利完成初始化，进行RTK测量应用，主要针对城区收星颗数较少的情况；同时考察VRS网络覆盖范围外是否可以进行RTK应用；
2、系统兼容性：系统是否兼容其它品牌的GPS接收机，包括参考站与移动站。主要考虑现有参考站接收机设备是否可以继续使用；
3、系统稳定性：系统运行是否稳定，是否可以长时间稳定运行，为今后真正进行长期使用进行测试；
4、RTK精度：RTK实际作业时的精度，是否可以满足生产、作业的需求；
2.2 测试要求
针对上述测试目的，上海市测绘院提出如下测试要求：
1、 使用原有Ashtech MicroZ GPS参考站，检验系统兼容性；
2、 VRS网络覆盖范围必须包括浦东，以测试黄浦江是否对网络解算造成影响；
3、 进行RTK实验时，必须使用其它品牌的GPS接收机进行测试；



3 测试过程
测试过程分为准备阶段、第一阶段测试和第二阶段测试。准备阶段主要为系统建设进行各种准备，如参考站的通讯改造、通讯方式的确定与开通申请等；第一阶段主要进行系统建设，测试参考站接收机的兼容性、通讯网络的可用性与可靠性、移动站与控制中心通讯的可用性等；第二阶段为应用测试阶段，主要进行实际的RTK作业，测试系统的可用性、可靠性与精度，同时会使用其它厂家的移动站接收机，测试移动站的兼容性。
准备阶段，Trimble公司提出了完成VRS系统的建设必须具备的条件：
1） 参考站与控制中心的网络通讯必须稳定可靠，时间延迟要小于2秒；
2） 参考站的原始数据必须以1Hz的速率，实时传递给控制中心的VRS服务器；
3） 控制中心VRS服务器必须能够访问internet；
4） 控制中心VRS服务器配置应不低于P4 1.8G/512M内存/40G硬盘/网卡/USB端口；
5） 最好有6个站组成VRS网络，各参考站应有准确的WGS-84坐标；
上海市测绘院方面进行了通讯系统的开通，使用ADSL与ISDN两种通讯方式；并准备好了相应的服务器；并和Trimble公司技术人员进行了参考站接收机的通讯连接测试。在准备阶段，上海市测绘院发现无法用六个站进行VRS网络测试，经双方协商，决定用现有的嘉定、莘庄、宝山三个站，新架设浦东分院站，并使用同济大学的一个参考站；
3.1 第一阶段——系统建设
根据准备阶段的情况，最终确定系统总体设计，示意图如下：

2004年11月30日，正式开始第一阶段的测试，测试时间为2周。参加的人员有：
上海市测绘：院长季善标，总工余美义、郭容寰和王妙根，徐韬副总经理，孙冬进和王传江两位工程师；
Trimble公司：产品应用工程师John Serink、技术经理张博、业务发展经理尹飞涛。
3.1.1 测试目的
该阶段的主要测试目的是：测试不同的通讯方式、测试参考站接收机的兼容性，建立起可以运行的VRS系统。
1、参考站与控制中心通讯方式：系统中使用了ADSL、ISDN、校园网、DDN专线四种通讯方式，几乎涵盖了上海当前所有可用的通讯方式，同时也是国内外VRS系统中应用的主要通讯方式。这样，可以充分测试各种通讯方式的稳定性、可靠性和时延，便于为今后进行选择。
2、参考站接收机兼容性：系统中使用了4台Ashtech MicroZ接收机，一台Trimble 5700接收机。都是国内得到广泛应用的接收机。如果都可以使用，则表明Trimble VRS系统的兼容性较好，可以使用该系统对现有上海市GPS综合应用网进行扩展。
3.1.2 测试过程、问题与解决方法
测试时，由John Serink与尹飞涛在控制中心设置VRS服务器，张博与孙冬进在各参考站进行MOXA NPort 5210的安装，并进行通讯系统的调试。
3.1.2.1 控制中心
控制中心主要任务是设置VRS服务器，安装VRS软件，使其能够正常工作。并且要求该服务器可以上网并可以从internet上被访问。首先安装VRS软件，确定其能正常工作，然后通过网络，接收各参考站的实时数据；
问题一、USB端口
现象：VRS软件配备的软件加密狗是USB接口，而使用的服务器虽然主板上有USB总线，但没有配备USB端口，这样软件无法运行；
解决方案：紧急购买了一块USB端口PCI插卡，软件可以正常运行；
问题二、防火墙
现象：上海市测绘院的内部局域网设有防火墙，这样在局域网内的VRS服务器无法从internet上被访问。而各参考站通过ADSL或ISDN通讯方式传递数据，就要求VRS服务器必须从internet上被访问。同时，以后移动站进行RTK作业时，使用GPRS通讯方式时，也要求可以从internet上访问到VRS服务器的某一端口。
解决方案：经过与上海市测绘院网络管理员探讨，决定从防火墙上打几个洞，这样参考站数据可以从规定的几个端口传输到控制中心VRS服务器，移动站RTK用户也可以进行访问。
3.1.2.2 参考站
使用的参考站中，宝山、嘉定、莘庄、浦东四个参考站使用上海市测绘院现有的Ashtech MicroZ GPS接收机，同济大学用的是Trimble 5700 GPS接收机。
各参考站的连接网络的方式相同，通过MOXA的串口服务器NPort 5210将串口数据转为TCP/IP协议，通过RJ45接口连接到ADSL或ISDN网络设备。

3.1.2.3 参考站与控制中心通讯
为测试现有的各种可能的通讯方式，采用了尽可能多的通讯方式，分别为ADSL、ISDN、校园网和DDN专线。其中，宝山、莘庄两个参考站使用ADSL通讯方式与控制中心通讯；嘉定参考站使用ISDN通讯方式与控制中心通讯；浦东参考站在浦东分院内，通过已有的DDN专线与控制中心通讯；同济大学参考站通过已有的校园网与控制中心通讯。
浦东：
1、 连接方式：GPS接收机通过串口服务器NPort 5210,和浦东分院局域网的交换机直接相连，见下图：

浦东分院和上海市测绘院是通过DDN专线连接的一个局域网，这样从VRS服务器可以直接访问到浦东分院的串口服务器。串口服务器的IP地址为10.0.1.1，操作人员可以在VRS服务器可以直接访问，并对其进行相应的设置。
2、 通讯情况：设备连接好以后，通讯一直很正常，数据传输也很正常。
宝山：
1、 连接方式：GPS接收机通过串口服务器NPort 5210,连接到ADSL路由器，再与ADSL Modem直接相连，通过ADSL线路接入internet,连接示意见下图：

2、 通讯情况
问题一：连接好以后通讯经常中断；
解决方法：这是ADSL线路的原因，只能在ADSL路由器上添加掉线自动重新拨号命令，可以在掉线后自动重新上网，但不能保证不掉线。会造成数据传输
问题二：控制中心显示该站出现如下错误信息后，便会通讯中断。
Wrong checksum in MPC,-Record (0xF9-0xF0=0x09)
解决方法：查询Ashtech接收机说明书，找出错误类型，再分析原因；
问题三：连接正常不中断的情况下，控制中心收到的数据也有很多错误；
解决方法：将该站RINEX数据发到Trimble德国研发中心进行分析；
问题四：GPS接收机串口不响应，即使用计算机串口与其直接连接也不响应。
解决方法：连接另一串口，重新输入命令激活该串口；
莘庄：
1、 连接方式：和宝山情况相同，GPS接收机通过串口服务器NPort 5210,连接到ADSL路由器，再与ADSL Modem直接相连，通过ADSL线路接入internet,见下图：

2、 通讯情况
问题一：连接好以后通讯经常中断；
解决方法：这是ADSL线路的原因，只能在ADSL路由器上添加掉线自动重新拨号命令，可以在掉线后自动重新上网，但不能保证不掉线。会造成数据传输
问题二：控制中心显示该站出现如下错误信息后，便会通讯中断。
Wrong checksum in MPC,-Record (0xF9-0xF0=0x09)
解决方法：查询Ashtech接收机说明书，找出错误类型，再分析原因；
问题三：连接正常不中断的情况下，控制中心收到的数据也有很多错误；
解决方法：将该站RINEX数据发到Trimble德国研发中心进行分析；
嘉定：
1、 连接方式：GPS接收机通过串口服务器NPort 5210,连接到ISDN路由器，再与ISDN NT1直接相连，通过ISDN线路接入internet,见下图：

2、 通讯情况
问题一：连接好以后通讯经常中断；
解决方法：这是ISDN线路的原因，只能在ISDN路由器上添加掉线自动重新拨号命令，可以在掉线后自动重新上网，但不能保证不掉线。会造成数据传输
问题二：控制中心显示该站出现如下错误信息后，便会通讯中断。
Wrong checksum in MPC,-Record (0xF9-0xF0=0x09)
解决方法：查询Ashtech接收机说明书，找出错误类型，再分析原因；
问题三：连接正常不中断的情况下，控制中心收到的数据也有很多错误；
解决方法：将该站RINEX数据发到Trimble德国研发中心进行分析；
问题四：GPS接收机串口不响应，即使用计算机串口与其直接连接也不响应。
解决方法：连接另一串口，重新输入命令激活该串口；
同济：
1、 连接方式：GPS接收机通过串口服务器NPort 5210,连接到校园网中，然后通过校园网接入internet,见下图：

2、 通讯情况
问题一：同济大学校园网内的IP地址和硬件MAC地址绑定，无法使用原有IP地址访问internet。
解决方法：重新申请新的IP地址，则解决网络问题。
问题二：同济大学现有天线墩无准确WGS-84坐标
解决方法：请同济大学王解先教授解算
待续