程寶銀，褚建春，陸建華

(蘇州市測繪院有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215006)

1 引言

隨著衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)的不斷推廣應(yīng)用，我國已經(jīng)建成了國家、省、市級和行業(yè)級各種不同規(guī)模的CORS系統(tǒng)［1］。CORS系統(tǒng)原始測量所得到的是WGS－84等協(xié)議地球坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)信息，而我國所使用的是平面和高程測繪基準(zhǔn)相分離的體系［2］:平面采用國家坐標(biāo)系統(tǒng)或城市獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，高程則采用的是正常高系統(tǒng)。這之間必然就涉及基于CORS系統(tǒng)的平面坐標(biāo)與高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)問題［3］。CORS系統(tǒng)的這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)涉及國家秘密［4］，同時系統(tǒng)需要連接互聯(lián)網(wǎng)才能提供服務(wù)，為了實現(xiàn)涉密數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔離，有必要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行保密處理。

2 基本原理

城市CORS系統(tǒng)中需要使用的涉密數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)主要包括:參考站的 CGCS2000坐標(biāo)、國家CGCS2000坐標(biāo)系與城市坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換參數(shù)、似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)等。根據(jù)國家相關(guān)保密要求，這些數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于CORS系統(tǒng)，需要對其進(jìn)行保密處理。保密處理的基本思路是:將參考站的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行變換處理，同時根據(jù)參考站的城市坐標(biāo)和城市似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，求取相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程補償數(shù)據(jù)，在城市CORS系統(tǒng)中使用處理后的坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換參數(shù)及高程補償數(shù)據(jù)，原則是要滿足用戶得到的城市坐標(biāo)和高程是正確的。

3 技術(shù)路徑與步驟

城市CORS系統(tǒng)參考站坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換參數(shù)及城市似大地水準(zhǔn)面保密處理的技術(shù)路徑如圖1所示，具體實現(xiàn)的方法與步驟如下。

圖1 CORS系統(tǒng)保密處理技術(shù)路徑

3.1 假CGCS2000坐標(biāo)及相應(yīng)參數(shù)計算與應(yīng)用

(1)任意假設(shè)一組“保密處理七參數(shù)”(平移參數(shù)△X、△Y、△Z，旋轉(zhuǎn)參數(shù) εX、εY、εZ，尺度參數(shù) m)。

(2)根據(jù)所設(shè)定的“保密處理七參數(shù)”，采用空間轉(zhuǎn)換模型布爾沙(Bursa)模型，將參考站的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到一套假的空間坐標(biāo)(以下簡稱“假CGCS2000坐標(biāo)”)，轉(zhuǎn)換模型如下:

式(1)中，尺度變化參數(shù)為m:平移變化參數(shù)為△X、△Y、△Z;旋轉(zhuǎn)參數(shù)為 εX、εY、εZ。

(3)根據(jù)參考站的假CGCS2000坐標(biāo)和城市坐標(biāo)，采用七參數(shù)法，求取假CGCS2000坐標(biāo)與城市坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換參數(shù)(以下簡稱“假七參數(shù)”)。

(4)CORS系統(tǒng)運行時，參考站使用假CGCS2000坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)使用假七參數(shù)。RTK用戶獲得的空間坐標(biāo)為假CGCS2000坐標(biāo)，系統(tǒng)將根據(jù)假七參數(shù)，實時計算出城市坐標(biāo)播發(fā)給用戶。

3.2 高程補償數(shù)據(jù)計算與制作

為使RTK用戶能夠?qū)崟r獲得正常高，需要制作與假CGCS2000坐標(biāo)相匹配的高程補償數(shù)據(jù)。在假CGCS2000坐標(biāo)系下，CORS系統(tǒng)中正常高h(yuǎn)可按下式計算:

其中，H假為假CGCS2000坐標(biāo)的大地高，即RTK用戶外業(yè)采集得到的大地高。d為假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的大地高之差。ξ為CGCS2000坐標(biāo)相對應(yīng)的高程異常。將d和ξ相加，這個值稱為用戶高程補償D。

CORS系統(tǒng)中，用戶高程補償數(shù)據(jù)計算與文件制作步驟如下:

(1)在假CGCS2000坐標(biāo)系下，參照城市似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)的分辨率，將城市似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域劃分為若干個格網(wǎng)。

(2)根據(jù)“保密處理七參數(shù)”，將格網(wǎng)點的假CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)，并計算出每個格網(wǎng)點上假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的大地高之差d。

(3)根據(jù)格網(wǎng)點的CGCS2000坐標(biāo)，采用城市似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)(軟件)，計算出每個格網(wǎng)點的高程異常ξ。

(4)將上述第(2)、(3)步中獲得的每個格網(wǎng)點的d和ξ相加，即得到了每個格網(wǎng)點的用戶高程補償D。

(5)將格網(wǎng)點的假CGCS2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)和用戶高程補償D，制作成CORS系統(tǒng)中TTG軟件所需的geo．xml文件和und．xml文件。CORS系統(tǒng)將根據(jù)這兩個文件，實時內(nèi)插出RTK用戶的高程補償并計算正常高，再將正常高播發(fā)給用戶。

4 實例與精度影響分析

4.1 工程概述

2006年～2008年，為了滿足現(xiàn)代城市地理空間框架建設(shè)的需要，蘇州市完成了現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的建設(shè)，建立了覆蓋全市域 8 488 km2的高精度GPS控制網(wǎng)、二等水準(zhǔn)網(wǎng)和厘米級似大地水準(zhǔn)面。2011年，在蘇州市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合建設(shè)形成了“蘇州市空間定位信息服務(wù)系統(tǒng)”，簡稱SZGNSS－CORS系統(tǒng)。SZGNSS－CORS系統(tǒng)為覆蓋蘇州全市域 8 488 km2及周邊區(qū)域的高精度、全天候、實時連續(xù)運行的GNSS衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由8個參考站(如圖2所示)、兩個控制中心及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。考慮到數(shù)據(jù)保密的要求，SZGNSS－CORS系統(tǒng)采用本文方法對參考站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)和厘米級似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行了保密處理。

圖2 SZGNSS－CORS系統(tǒng)參考站分布圖

4.2 SZGNSS－CORS參考站坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)的保密處理結(jié)果與分析

(1)參考站假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的保密處理結(jié)果

考慮到參考站假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的差值不宜過大，過大的坐標(biāo)差值會導(dǎo)致RTK初始化速度變慢(甚至無法初始化)，因此采用本文方法對SZGNSS－CORS參考站坐標(biāo)進(jìn)行保密處理時，各參考站假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)在X、Y、Z方向的差值控制在 1 m～3 m左右。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密處理結(jié)果檢驗與分析

根據(jù)參考站的假CGCS2000坐標(biāo)和蘇州坐標(biāo)，采用七參數(shù)法，求取了假CGCS2000坐標(biāo)與蘇州坐標(biāo)之間相互轉(zhuǎn)換的假七參數(shù)。

采用假七參數(shù)，將蘇州全市域140余個GPS點的假CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為蘇州坐標(biāo)。將轉(zhuǎn)換后的蘇州坐標(biāo)與原蘇州坐標(biāo)進(jìn)行比較，其中最小較差為0.01 mm，最大較差為 0.32 mm，平均較差為0.13 mm。該結(jié)果表明，參考站坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換參數(shù)保密處理方法可行，對CORS系統(tǒng)精度的影響可忽略不計。

4.3 蘇州市厘米級似大地水準(zhǔn)面的保密處理結(jié)果與分析

(1)似大地水準(zhǔn)面的保密處理結(jié)果

在假CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下，將蘇州所處區(qū)域(北緯30°30'～32°30'、東經(jīng)119°30'～121°30')，按 1'的間隔劃分為120×120個的格網(wǎng)，則格網(wǎng)共有121×121個角點，并采用本文方法求解出每個格網(wǎng)點的用戶高程補償D。將格網(wǎng)點的假CGCS2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)和用戶高程補償D，制作成CORS系統(tǒng)中TTG軟件所需的geo．xml文件和und．xml文件。由CORS系統(tǒng)根據(jù)這兩個文件，實時內(nèi)插出RTK用戶的高程補償并計算正常高。

(2)似大地水準(zhǔn)面的保密處理結(jié)果檢驗與分析

在假CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下，將蘇州所處區(qū)域的每個1'×1'的格網(wǎng)中隨機地抽取一個點，共 14 400個點，其中在似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)有效覆蓋區(qū)域的共8 791個點。

將保密處理后的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，制作成天寶TGO數(shù)據(jù)處理軟件能讀取的似大地水準(zhǔn)面模型，以雙線性擬合內(nèi)插方式求解這 8 791個點的正常高，并將其值與由CGCS2000坐標(biāo)計算得到的正常高進(jìn)行比較，比較結(jié)果統(tǒng)計如表1。比較結(jié)果表明，對似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)進(jìn)行的保密處理方法可行，對似大地水準(zhǔn)面精度的影響可忽略不計。

似大地水準(zhǔn)面保密處理結(jié)果檢驗統(tǒng)計 表1

4.4 系統(tǒng)測試精度統(tǒng)計與分析

在SZGNSS－CORS系統(tǒng)覆蓋范圍，選擇了均勻分布的50個B級GPS點(與二等水準(zhǔn)點共點)作為測試點，測試點的觀測、處理方法按照三級GNSS RTK控制點的要求進(jìn)行。經(jīng)統(tǒng)計，SZGNSS－CORS系統(tǒng)的平面外符合精度為±1.9 cm，高程外符合精度為±3.6 cm，均滿足規(guī)范要求。為了進(jìn)一步評價SZGNSS－CORS系統(tǒng)的精度水平，收集了國內(nèi)其他城市CORS系統(tǒng)的外符合精度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計如表2［5～11］。根據(jù)與統(tǒng)計結(jié)果的比較，SZGNSS－CORS系統(tǒng)的外符合精度與國內(nèi)其他城市CORS系統(tǒng)的外符合精度基本處于同一水平，由此可見，SZGNSS－CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)及參數(shù)的保密處理對系統(tǒng)精度無顯著影響。

國內(nèi)其他城市CORS系統(tǒng)外符合精度統(tǒng)計 表2

4.5 保密處理的現(xiàn)實意義

分析實例數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過保密處理后的參考站坐標(biāo)數(shù)據(jù)，X、Y、Z三個坐標(biāo)分量均與其真實值之間存在1 m～3 m左右的非線性差值;似大地水準(zhǔn)面的高程異常數(shù)據(jù)經(jīng)過保密處理后與其真值也存在0.5 m～1 m左右的非線性差值;CGCS2000坐標(biāo)與地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換七參數(shù)經(jīng)過保密處理后也與真七參數(shù)不同。

實際工作中，CORS系統(tǒng)使用的參考站坐標(biāo)為假CGCS2000坐標(biāo)，使用的七參數(shù)為假七參數(shù)，使用的似大地水準(zhǔn)面模型數(shù)據(jù)為保密處理后的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)。通過假CGCS2000坐標(biāo)、假七參數(shù)與保密處理后的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)的換算，實現(xiàn)了地方坐標(biāo)系平面坐標(biāo)及高程的無損獲取，但用戶無法獲取也無法推算出CORS參考站的真CGCS2000坐標(biāo)、及其與地方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的真七參數(shù)、真似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)了涉密數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔絕。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年的應(yīng)用及分析研究，使用本文方法對CORS系統(tǒng)的參考站坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換參數(shù)、似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)進(jìn)行保密處理后，對CORS系統(tǒng)的運行、RTK用戶的使用及成果精度無顯著影響。該方法在SZGNSSCORS系統(tǒng)中已得到實際應(yīng)用，在不影響系統(tǒng)運行性能和精度的前提下，實現(xiàn)了涉密數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔離。CORS系統(tǒng)保密管理是近年來測繪成果數(shù)據(jù)保密工作面臨的一項新任務(wù)，本文所述方法是對CORS系統(tǒng)保密管理的一次探索和實踐，可以為CORS系統(tǒng)的保密設(shè)計和管理提供一些參考。

［1］陳俊勇，張鵬，武軍酈等．關(guān)于在中國構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星國家級連續(xù)運行站系統(tǒng)的思考［J］．測繪學(xué)報，2007，36(4):366～369．

［2］ 陳俊勇．建設(shè)我國現(xiàn)代大地測量基準(zhǔn)的思考［J］．武漢大學(xué)學(xué)報·信息科學(xué)版，2003(S1):6～11．

［3］ 楊光．基于CORS平臺的三維坐標(biāo)在線轉(zhuǎn)換系統(tǒng)［J］．測繪通報，2008(11):10～13．

［4］張黎，蒲德祥，夏定輝等．CORS系統(tǒng)實時地方坐標(biāo)測量的保密模式研究［J］．城市勘測，2010(4):90～92．

［5］ 鄒俊平．上海市VRS系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用［R］．上海:上海市測繪院，2009．

［6］ 張西軍，唐衛(wèi)明，曾廣鴻等．廣州市CORS系統(tǒng)實時動態(tài)定位精度測試［J］．測繪信息與工程，2008，33(5):6～7．

［7］ 朱照榮，汪勝國．北京市VRS的測試及精度分析［J］．巖土工程技術(shù)，2007，21(5):226 ～228．

［8］修洪玉．哈爾濱市連續(xù)運行雙星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)及研究［J］．城市勘測，2009(6):42～45．

［9］劉成寶，牛守明，劉曦燦．濟(jì)南市連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)測試及分析［J］．城市勘測，2010(2):68～70．

［10］劉忠，張周平，秦寬．西安咸陽連續(xù)運行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)［J］．城市勘測，2009(6):46～48．

［11］劉鵬程，戴建清，傅文彬等．長株潭GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)［J］．城市勘測，2008(6):22～25．