黃兵杰，陳世財，王厚之，王祥

(1.武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北武漢 430022； 2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室，湖北武漢 430079)

“拓展型”CORS建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

黃兵杰1，2?，陳世財1，王厚之1，王祥1

(1.武漢市勘測設(shè)計研究院，湖北武漢 430022； 2.精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室，湖北武漢 430079)

基于武漢城市圈CORS建設(shè)的經(jīng)驗，探討了咸寧基準(zhǔn)站的建設(shè)構(gòu)想，從基準(zhǔn)站的設(shè)計、選址、建造和數(shù)據(jù)通信、資源共享的異構(gòu)、用戶管理系統(tǒng)建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)問題提出了較詳細(xì)的解決方案。

CORS；分區(qū)服務(wù)；轉(zhuǎn)換參數(shù)保密；數(shù)據(jù)通信；異構(gòu)

1 引 言

信息化是時代發(fā)展的必然趨勢，是現(xiàn)代城市發(fā)展的重要標(biāo)志，地理空間信息是城市信息化必需的最基礎(chǔ)信息。連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)作為“地理空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施”的重要組成部分，可以向用戶提供高精度、連續(xù)的時間和空間基準(zhǔn)，及時地滿足城市規(guī)劃、國土測繪、城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測、安全監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、氣象預(yù)報、智能交通、數(shù)字城市等多方面現(xiàn)代化、信息化管理對空間位置的定位需求[1]。

2005年6月，武漢市在全省率先建設(shè)完成了連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)(WHCORS)，自建成以來，WHCORS在武漢市日常測繪生產(chǎn)和社會公共服務(wù)中發(fā)揮了極大的作用，產(chǎn)生了明顯的社會經(jīng)濟效益。2008年，為順應(yīng)“1＋8”武漢城市圈“兩型社會”建設(shè)的需要，武漢市勘測設(shè)計研究院以WHCORS為基礎(chǔ)，針對武漢城市圈CORS(WHMCORS)建設(shè)、運營管理、實踐應(yīng)用等方面一系列內(nèi)容開展了研究，突破和解決了區(qū)域性“拓展型”CORS建設(shè)和使用中的多項技術(shù)瓶頸[2]。應(yīng)用項目的研究成果，分別于2008年4月、2009年5月、2009年10月和2010年7月完成了武漢城市圈城市鄂州、仙桃、潛江、天門基準(zhǔn)站的建設(shè)。在WHMCORS建設(shè)過程中，不僅實現(xiàn)了研究成果直接轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)應(yīng)用，而且在實施過程中總結(jié)完善了建站的關(guān)鍵技術(shù)。

本文根據(jù)武漢城市圈咸寧基準(zhǔn)站的建設(shè)構(gòu)想，探討“拓展型”CORS系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

2 武漢城市圈CORS建設(shè)基本概況

武漢城市圈，是指以武漢為中心，以100 km為半徑的城市群落，包括武漢及黃石、鄂州、孝感、黃岡、咸寧、仙桃、潛江、天門等8個周邊城市。目前，WHMCORS由位于武漢市內(nèi)6個基準(zhǔn)站以及鄂州、仙桃、潛江、天門4個基準(zhǔn)站組成，平均站間距約50 km，有效覆蓋范圍達(dá)2萬余平方千米。圖1為WHMCORS基準(zhǔn)站設(shè)計方案圖。

圖1 WHMCORS基準(zhǔn)站設(shè)計方案圖

咸寧市位于湖北省東南部，湘鄂贛三省交界處，是南下北上的主要通道，有“湖北南大門”之稱。北與武漢市江夏區(qū)、鄂州市、大冶市毗鄰，東與黃石市的陽新縣交界，南與江西省的修水縣、湖南省的平江縣接壤，西與荊州市的洪湖市隔江相望，全市面積9 861 km2。按照CORS系統(tǒng)的建設(shè)要求，如果單獨建站，至少需要6個～8個基準(zhǔn)站和一個數(shù)據(jù)處理中心，投入超過200萬元，采用“拓展型”CORS的建設(shè)模式，只需建設(shè)3個基準(zhǔn)站，并且共享了WHCORS數(shù)據(jù)中心，投入成本只需60萬元左右，不僅節(jié)約了建設(shè)資金，而且共享了系統(tǒng)資源，擴大了服務(wù)范圍。

3 “拓展型”CORS建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 WHMCORS系統(tǒng)的基本原理

WHMCORS是基于VRS(Virtual Reference Station)原理的基礎(chǔ)上建設(shè)的，VRS理論的是由Herbert Landau博士提出[3]，并由Spectra/Terrasat公司推向市場的模型。它通過與流動站相鄰的各個參考站之間的基線計算估計各項誤差，中心控制站根據(jù)三角形插值方法建立一個對應(yīng)于流動站點位的虛擬參考站，將這個虛擬參考站的改正數(shù)信息傳輸給流動站，然后流動站結(jié)合自身的觀測值實時解算出流動站的精確點位[4]。

WHMCORS系統(tǒng)由基準(zhǔn)站子系統(tǒng)、控制中心子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)發(fā)播子系統(tǒng)、用戶應(yīng)用子系統(tǒng)五個部分組成，各基準(zhǔn)站與控制中心之間通過數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)集成了衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、數(shù)字中繼技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等當(dāng)代先進技術(shù)。針對不同用戶的需求，建立起從靜態(tài)、動態(tài)到高動態(tài)，從事后、準(zhǔn)實時到實時，從毫米級、厘米級到分米級精度的定位、導(dǎo)航服務(wù)體系，滿足各行各業(yè)對獲得空間位置信息的需求。

3.2 咸寧基準(zhǔn)站子系統(tǒng)的建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

基準(zhǔn)站子系統(tǒng)是CORS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，基準(zhǔn)站的網(wǎng)形設(shè)計、站址選擇、施工設(shè)計、安全防護以及設(shè)備選型等直接影響到CORS系統(tǒng)的控制范圍、精度指標(biāo)、安全穩(wěn)定和日常維護等。

咸寧市地跨東經(jīng)113°32′～114°58′，北緯29°02′～30° 19′，現(xiàn)轄咸安區(qū)、咸寧經(jīng)濟開發(fā)區(qū)、嘉魚縣、通山縣、通城縣、崇陽縣和赤壁市四縣一市二區(qū)。根據(jù)WHMCORS已建基準(zhǔn)站分布以及咸寧市的地理概況分布，咸寧基準(zhǔn)站站間距應(yīng)在40 km～80 km為宜。按照以上原則，以WHMCORS為基礎(chǔ)實現(xiàn)咸寧市域厘米級實時定位的全覆蓋需建設(shè)基準(zhǔn)站3個，站址分別選在咸安區(qū)、通山縣城和通城縣城。詳見圖1的咸寧基準(zhǔn)站分布網(wǎng)點。

在確定了基準(zhǔn)站大致位置之后需要到實地具體選擇基準(zhǔn)站站址?；鶞?zhǔn)站站址需要達(dá)到的條件包括:穩(wěn)固的基礎(chǔ)、較好的GPS數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量、可靠的供電系統(tǒng)、便捷的計算機網(wǎng)絡(luò)和完備的安全防護措施。樓頂站的位置應(yīng)在穩(wěn)定建筑物的支柱上，保證樓頂站相對建筑物非常穩(wěn)定，基巖站應(yīng)選擇微風(fēng)化層較淺，相對穩(wěn)定的板塊上。

衛(wèi)星跟蹤基準(zhǔn)站要求全天候能夠觀測到盡量多的衛(wèi)星，同時各種信號干擾不能影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在確定點位前先進行測試，包括實地選址時的場強測試和不少于連續(xù)24 h的GPS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析。GPS觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量分析可以利用teqc軟件，從觀測數(shù)據(jù)完好性、多路徑影響、信噪比、偽距定位結(jié)果、與已建基準(zhǔn)站的基線解算等五個方面進行分析，看測試數(shù)據(jù)是否滿足CORS系統(tǒng)建設(shè)的相關(guān)要求。

觀測墩在設(shè)計時要考慮的因素包括:穩(wěn)固、防水、防風(fēng)、防蟲、防塵、防日照等因素。儀器室應(yīng)考慮:恒溫、防水、防塵等。

基準(zhǔn)站的防護包括:室外設(shè)備防雷、電氣設(shè)備防電涌、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備防射頻干擾以及所有設(shè)備的防盜。室外設(shè)備防雷主要是觀測墩防雷擊。根據(jù)城市圈CORS系統(tǒng)的成功經(jīng)驗，在咸寧基準(zhǔn)站上采用高脈沖主動放電式避雷針。電氣設(shè)備防電涌是在設(shè)備接入電源前安裝電涌保護裝置，防止瞬間高壓直接損壞電氣設(shè)備或縮短電器設(shè)備的使用壽命。GPS傳輸線接入接收機和計算機網(wǎng)絡(luò)接入采用的電纜是需要射頻保護。

3.3 咸寧基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

“拓展型”CORS的建設(shè)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:一是選擇合理的網(wǎng)絡(luò)通訊方式，實現(xiàn)咸寧基準(zhǔn)站與控制中心之間的互聯(lián)互通，需要考慮的是可靠性(能獨占帶寬)、實時性(通信延遲應(yīng)小于500 ms)、數(shù)據(jù)傳輸速率(不低于64 kbit/s)、可擴充性(能按需要擴充基準(zhǔn)站)及價格等因素。二是進行網(wǎng)絡(luò)整體規(guī)劃和IP分配，使WHMCORS數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崟r的收發(fā)各個基準(zhǔn)站發(fā)來的GPS數(shù)據(jù)和其他共享信息，同時又不妨礙其他用戶能夠正常使用本系統(tǒng)，保持原有的基準(zhǔn)站和系統(tǒng)GPRS發(fā)播的正常進行，保證WHMCORS網(wǎng)絡(luò)平臺具備良好的層次性和擴展性。三是對基準(zhǔn)站資源的集中管理，實現(xiàn)咸寧基準(zhǔn)站和WHMCORS控制中心不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的系統(tǒng)互訪和資源共享。

為滿足咸寧基準(zhǔn)站網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的需要，經(jīng)過城市圈其他城市的試驗驗證，選擇中國電信長途數(shù)字電路SDH技術(shù)作為連接方案，即在WHMCORS數(shù)據(jù)中心和咸寧基準(zhǔn)站之間租用2 M長途數(shù)字電路來實現(xiàn)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸。長途數(shù)字電路SDH的技術(shù)特點如下:

(1)穩(wěn)定性好:SDH基于時分復(fù)用，穩(wěn)定性高，提供了豐富的檢、糾錯能力，可組成各種形式的環(huán)網(wǎng)，具有完善的自愈保護功能，使得傳輸鏈路的可用性很高。

(2)高速率性:SDH可提供2 Mbps～10 Gbps的電路速率，可作為鏈路來支持IP網(wǎng)，其作用是將路由器以點到點的方式連接起來。

(3)高可靠性:SDH網(wǎng)絡(luò)可提供高質(zhì)量、高可靠性的傳輸通道。通過自愈環(huán)的結(jié)構(gòu)，可確保通道的切換時間小于50 ms。同時，網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)環(huán)結(jié)構(gòu)，保證跨環(huán)業(yè)務(wù)的生存性，且光傳輸網(wǎng)絡(luò)高度統(tǒng)一，覆蓋廣。

由于鄂州、仙桃、潛江、天門、咸寧基準(zhǔn)站接入后的WHMCORS網(wǎng)絡(luò)同時具有有線MPLS線路、移動GPRS線路和電信SDH線路，為了避免不同服務(wù)之間連接所產(chǎn)生的路由沖突問題，防止路由數(shù)據(jù)黑洞，必須保證網(wǎng)絡(luò)具備層次性和規(guī)范化。差分?jǐn)?shù)據(jù)仍沿用WHCORS系統(tǒng)的GPRS連接發(fā)播，不作改動，城市圈用戶直接從數(shù)據(jù)中心接收差分改正信息。建設(shè)完成后，整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WHMCORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.4 信息資源共享中的異構(gòu)問題研究

“拓展型”CORS建設(shè)中遇到的一個關(guān)鍵問題是信息資源共享中的異構(gòu)問題。CORS是一種基于網(wǎng)絡(luò)建立的地球空間信息系統(tǒng)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，在利用新的開發(fā)環(huán)境、硬件設(shè)備、信息交換和數(shù)據(jù)傳輸方式時，可能與原來的系統(tǒng)產(chǎn)生不兼容，這種差異反映了CORS的異構(gòu)特性[5]。

CORS軟硬件的異構(gòu)主要體現(xiàn)在:采用的GNSS接收機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信協(xié)議及方式、數(shù)據(jù)發(fā)播的載體、數(shù)據(jù)處理中心軟件等在結(jié)構(gòu)、功能上存在差異；各類設(shè)備及軟件類型及版本上存在差異。

CORS信息異構(gòu)主要體現(xiàn)在:CORS定位技術(shù)在數(shù)學(xué)模型、誤差計算方法等方面存在差異；GNSS的空間基準(zhǔn)、時間基準(zhǔn)等方面存在差異，不同區(qū)域采用不同的坐標(biāo)基準(zhǔn)；不同GNSS接收機輸出的原始數(shù)據(jù)格式、內(nèi)容和觀測值類型存在差異，相同格式的差分?jǐn)?shù)據(jù)在語義上存在差異，如RTCM、CMR，在格式上雖然相同，但其定位精度、可用性等方面并不同，其語義是異構(gòu)的。由于信息異構(gòu)，不同的系統(tǒng)將可能具有不同的精度、可用性等參數(shù)。

解決這些問題的關(guān)鍵在于建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和互操作平臺，開發(fā)基于中間件數(shù)據(jù)技術(shù)分層模型，通過各層的網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)封裝方式以及通信協(xié)議的自動適配，并在此基礎(chǔ)上建立多級網(wǎng)絡(luò)管理體系，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)之間的信息資源共享。解決CORS異構(gòu)問題如圖3所示。

圖3 CORS信息資源異構(gòu)問題的解決方案

WHMCORS聯(lián)網(wǎng)后，由于信息異構(gòu)會帶來定位精度、可靠性、可用性等服務(wù)質(zhì)量下降的問題。如果兩個系統(tǒng)定位服務(wù)精度、可用性等方面存在差異，則兩個系統(tǒng)進行服務(wù)聯(lián)網(wǎng)(實現(xiàn)服務(wù)漫游)形成一個整體后，各區(qū)域內(nèi)定位精度等指標(biāo)將變得不均勻，相對用戶而言，其結(jié)果就是全系統(tǒng)定位精度、可靠性和可用性等服務(wù)質(zhì)量下降。該問題必須從GNSS定位算法等方面加以解決。

3.5 用戶管理子系統(tǒng)的建設(shè)研究

作為CORS系統(tǒng)的重要組成部分，如何確?；鶞?zhǔn)站系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效的運轉(zhuǎn)不僅在于基準(zhǔn)站的設(shè)計和建設(shè)，還包括建立一套完善的管理模式。隨著城市圈CORS覆蓋的范圍不斷擴大，用戶數(shù)量不斷增加，根據(jù)城市圈建設(shè)單位的要求，開發(fā)了WHMCORS用戶管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了用戶的電子地圖顯示、區(qū)域管理、賬目管理、在線查詢、實時監(jiān)控、轉(zhuǎn)換參數(shù)保密、RTK實時精化正常高、數(shù)據(jù)下載等功能，其中最關(guān)鍵的技術(shù)是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)保密和用戶分區(qū)域管理[6]。

利用網(wǎng)絡(luò)RTK差分定位原理以及坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)WGS－84坐標(biāo)到地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)保密算法，在保證精度前提下，對不同用戶采用不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)，提高了測繪成果安全性，保證了地理信息安全。同時在似大地水準(zhǔn)面精化完成的城市，提供RTK實時獲得正常高的功能。

綜合利用幾何拓?fù)潢P(guān)系和射線法原理(見圖4)，開發(fā)了分區(qū)域服務(wù)模塊、分級授權(quán)管理模塊，對用戶的有效作業(yè)范圍和服務(wù)內(nèi)容進行有效管理。系統(tǒng)根據(jù)用戶權(quán)限，對用戶作業(yè)區(qū)域進行實時控制，并設(shè)置一定緩沖區(qū)，以保證各區(qū)域重合的地方能進行正常作業(yè)，用戶只能在授權(quán)區(qū)域內(nèi)作業(yè)，超出授權(quán)區(qū)域則不提供實時定位服務(wù)，從而保證了城市圈各用戶的利益，防止跨區(qū)域作業(yè)的現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 射線法分區(qū)管理原理

WHMCORS用戶管理系統(tǒng)的完善，一方面進一步優(yōu)化了數(shù)據(jù)中心管理工作流程，提高了管理人員工作效率，保障了系統(tǒng)運行的可靠性；另一方面，精確計時和實時查詢、分區(qū)域管理、實時監(jiān)控等功能的實現(xiàn)改變了某些用戶長時間占用系統(tǒng)資源、跨區(qū)域作業(yè)給其他用戶帶來利益損害的不良作業(yè)習(xí)慣，達(dá)到了促進系統(tǒng)運營中資源合理分配的目的。圖5為用戶管理系統(tǒng)中權(quán)限設(shè)置的界面，包括分區(qū)管理、是否提供精化高程、是否進行參數(shù)保密等功能。

圖5 用戶權(quán)限管理數(shù)據(jù)庫

3.6 其他關(guān)鍵技術(shù)

在咸寧基準(zhǔn)站的建設(shè)過程中，還有一重要的環(huán)節(jié)，就是控制網(wǎng)聯(lián)測，包括基準(zhǔn)站網(wǎng)的控制聯(lián)測、城市GPS控制網(wǎng)的聯(lián)測、精密水準(zhǔn)聯(lián)測，控制網(wǎng)聯(lián)測的目的是為了建立和維護咸寧市高精度的三維動態(tài)測繪基準(zhǔn)，保證地心坐標(biāo)與城市圈已建的CORS系統(tǒng)地心基準(zhǔn)一致，實現(xiàn)城市圈城市空間定位基準(zhǔn)一體化，促進城市圈信息服務(wù)平臺統(tǒng)一，滿足國家測繪局推行的國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)的要求。在此基礎(chǔ)上，精確求取咸寧市域的CORS系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)，實現(xiàn)單人單機厘米級網(wǎng)絡(luò)RTK實時定位測量，滿足用戶對不同服務(wù)領(lǐng)域、不同層次的用戶需求。

4 結(jié) 語

本文通過武漢城市圈鄂州、仙桃、潛江、天門基準(zhǔn)站建設(shè)的成功實例，總結(jié)了“拓展型”CORS建設(shè)中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，并結(jié)合咸寧基準(zhǔn)站建設(shè)的構(gòu)想，在基準(zhǔn)站子系統(tǒng)建設(shè)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)建設(shè)、信息異構(gòu)、用戶管理系統(tǒng)等方面提出了一些有益的參考意見，為咸寧基準(zhǔn)站的建設(shè)奠定了較好的基礎(chǔ)。

[1] 劉經(jīng)南，劉暉等.建立全國CORS更新國家地心動態(tài)參考框架的幾點思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報信息科學(xué)版，2009，34 (11):1261～1265

[2] 肖建華，李江衛(wèi)，周劍.武漢城市圈連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)的戰(zhàn)略構(gòu)想[C].2006年中南地區(qū)城市勘測改革發(fā)展暨學(xué)術(shù)研討會論文集，2006:7～11

[3] Herbert Landau，Ulrich Vollath，Xiaoming Chen.Virtual Reference Station Systems[J].Journal of Global Positioning Systems，2002，1(2):137～143

[4] 梅生強等.基于Delaunay三角網(wǎng)的大規(guī)模CORS基準(zhǔn)站組網(wǎng)技術(shù)研究[J].大地測量與地球動力學(xué)，2008，28 (1):131～135

[5] 楊浩，李敏.CORS信息資源共享中的異構(gòu)問題研究[J].測繪信息與工程，2008，33(4):11～12

[6] 辜聲峰，胡羽中，唐衛(wèi)明.大規(guī)?；鶞?zhǔn)站組網(wǎng)與分區(qū)服務(wù)技術(shù)探討[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010，30(4):147～150

Research of the key Techniques on Construction of Expanding CORS

Huang BingJie1，2，Wang HouZhi1，Zhou Jian1，Wang Xiang1
(1.Wuhan Geotechnical Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China；2.Key Laboratory of Precise Engineer and Industry Surveying of SBSM，Wuhan 430079，China)

Based on experience of CORS construction in Wuhan Metropolitan Area，It discusses the construction envisagement about Xianning GPS fiducial station，which is involved with the design，selection of site，monumentation of observation frusta，construction of communication network，the problem of the heterogeneous of CORS information resource share，and the particular solution methods are resented.

CORS；divisional service；secrecy of transformation parameter；data communication；Heterogeneous

1672－8262(2011)02－57－04

P228

A

2010—12—16

黃兵杰(1974—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為精密工程測量及GPS數(shù)據(jù)處理。

精密工程與工業(yè)測量國家測繪局重點實驗室開放基金資助(PF2009－9)