“拓展型”CORS建設的關鍵技術研究

黃兵杰，陳世財，王厚之，王祥

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

“拓展型”CORS建設的關鍵技術研究

黃兵杰1，2?，陳世財1，王厚之1，王祥1

(1.武漢市勘測設計研究院，湖北武漢 430022； 2.精密工程與工業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建設的經驗，探討了咸寧基準站的建設構想，從基準站的設計、選址、建造和數據通信、資源共享的異構、用戶管理系統建設等關鍵技術問題提出了較詳細的解決方案。

CORS；分區服務；轉換參數保密；數據通信；異構

1 引 言

信息化是時代發展的必然趨勢，是現代城市發展的重要標志，地理空間信息是城市信息化必需的最基礎信息。連續運行衛星定位服務系統作為“地理空間數據基礎設施”的重要組成部分，可以向用戶提供高精度、連續的時間和空間基準，及時地滿足城市規劃、國土測繪、城鄉建設、環境監測、安全監測、防災減災、氣象預報、智能交通、數字城市等多方面現代化、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完成了連續運行衛星定位服務系統(WHCORS)，自建成以來，WHCORS在武漢市日常測繪生產和社會公共服務中發揮了極大的作用，產生了明顯的社會經濟效益。2008年，為順應“1＋8”武漢城市圈“兩型社會”建設的需要，武漢市勘測設計研究院以WHCORS為基礎，針對武漢城市圈CORS(WHMCORS)建設、運營管理、實踐應用等方面一系列內容開展了研究，突破和解決了區域性“拓展型”CORS建設和使用中的多項技術瓶頸[2]。應用項目的研究成果，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、天門基準站的建設。在WHMCORS建設過程中，不僅實現了研究成果直接轉換為生產應用，而且在實施過程中總結完善了建站的關鍵技術。

本文根據武漢城市圈咸寧基準站的建設構想，探討“拓展型”CORS系統建設中的關鍵技術問題，并提出了相應的解決方案。

2 武漢城市圈CORS建設基本概況

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6個基準站以及鄂州、仙桃、潛江、天門4個基準站組成，平均站間距約50 km，有效覆蓋范圍達2萬余平方千米。圖1為WHMCORS基準站設計方案圖。

圖1 WHMCORS基準站設計方案圖

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、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系統的建設要求，如果單獨建站，至少需要6個～8個基準站和一個數據處理中心，投入超過200萬元，采用“拓展型”CORS的建設模式，只需建設3個基準站，并且共享了WHCORS數據中心，投入成本只需60萬元左右，不僅節約了建設資金，而且共享了系統資源，擴大了服務范圍。

3 “拓展型”CORS建設的關鍵技術研究

3.1 WHMCORS系統的基本原理

WHMCORS是基于VRS(Virtual Reference Station)原理的基礎上建設的，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，中心控制站根據三角形插值方法建立一個對應于流動站點位的虛擬參考站，將這個虛擬參考站的改正數信息傳輸給流動站，然后流動站結合自身的觀測值實時解算出流動站的精確點位[4]。

WHMCORS系統由基準站子系統、控制中心子系統、數據通信子系統、數據發播子系統、用戶應用子系統五個部分組成，各基準站與控制中心之間通過數據通信子系統連接成一體，形成專用網絡。系統集成了衛星定位技術、計算機網絡技術、無線數據通信技術、數字中繼技術、遠程監控技術等當代先進技術。針對不同用戶的需求，建立起從靜態、動態到高動態，從事后、準實時到實時，從毫米級、厘米級到分米級精度的定位、導航服務體系，滿足各行各業對獲得空間位置信息的需求。

3.2 咸寧基準站子系統的建設的關鍵技術

基準站子系統是CORS系統的基礎，基準站的網形設計、站址選擇、施工設計、安全防護以及設備選型等直接影響到CORS系統的控制范圍、精度指標、安全穩定和日常維護等。

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

在確定了基準站大致位置之后需要到實地具體選擇基準站站址。基準站站址需要達到的條件包括:穩固的基礎、較好的GPS數據觀測質量、可靠的供電系統、便捷的計算機網絡和完備的安全防護措施。樓頂站的位置應在穩定建筑物的支柱上，保證樓頂站相對建筑物非常穩定，基巖站應選擇微風化層較淺，相對穩定的板塊上。

衛星跟蹤基準站要求全天候能夠觀測到盡量多的衛星，同時各種信號干擾不能影響觀測數據的質量。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24 h的GPS觀測數據的質量分析。GPS觀測數據的質量分析可以利用teqc軟件，從觀測數據完好性、多路徑影響、信噪比、偽距定位結果、與已建基準站的基線解算等五個方面進行分析，看測試數據是否滿足CORS系統建設的相關要求。

觀測墩在設計時要考慮的因素包括:穩固、防水、防風、防蟲、防塵、防日照等因素。儀器室應考慮:恒溫、防水、防塵等。

基準站的防護包括:室外設備防雷、電氣設備防電涌、網絡設備防射頻干擾以及所有設備的防盜。室外設備防雷主要是觀測墩防雷擊。根據城市圈CORS系統的成功經驗，在咸寧基準站上采用高脈沖主動放電式避雷針。電氣設備防電涌是在設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備或縮短電器設備的使用壽命。GPS傳輸線接入接收機和計算機網絡接入采用的電纜是需要射頻保護。

3.3 咸寧基準站數據通信子系統建設的關鍵技術

“拓展型”CORS的建設數據通信子系統的關鍵技術主要包括:一是選擇合理的網絡通訊方式，實現咸寧基準站與控制中心之間的互聯互通，需要考慮的是可靠性(能獨占帶寬)、實時性(通信延遲應小于500 ms)、數據傳輸速率(不低于64 kbit/s)、可擴充性(能按需要擴充基準站)及價格等因素。二是進行網絡整體規劃和IP分配，使WHMCORS數據中心能夠實時的收發各個基準站發來的GPS數據和其他共享信息，同時又不妨礙其他用戶能夠正常使用本系統，保持原有的基準站和系統GPRS發播的正常進行，保證WHMCORS網絡平臺具備良好的層次性和擴展性。三是對基準站資源的集中管理，實現咸寧基準站和WHMCORS控制中心不同網絡節點之間的系統互訪和資源共享。

為滿足咸寧基準站網數據通訊的需要，經過城市圈其他城市的試驗驗證，選擇中國電信長途數字電路SDH技術作為連接方案，即在WHMCORS數據中心和咸寧基準站之間租用2 M長途數字電路來實現基準站觀測數據的實時傳輸。長途數字電路SDH的技術特點如下:

(1)穩定性好:SDH基于時分復用，穩定性高，提供了豐富的檢、糾錯能力，可組成各種形式的環網，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，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網絡可提供高質量、高可靠性的傳輸通道。通過自愈環的結構，可確保通道的切換時間小于50 ms。同時，網絡的互聯環結構，保證跨環業務的生存性，且光傳輸網絡高度統一，覆蓋廣。

由于鄂州、仙桃、潛江、天門、咸寧基準站接入后的WHMCORS網絡同時具有有線MPLS線路、移動GPRS線路和電信SDH線路，為了避免不同服務之間連接所產生的路由沖突問題，防止路由數據黑洞，必須保證網絡具備層次性和規范化。差分數據仍沿用WHCORS系統的GPRS連接發播，不作改動，城市圈用戶直接從數據中心接收差分改正信息。建設完成后，整個系統網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 WHMCORS系統網絡拓撲圖

3.4 信息資源共享中的異構問題研究

“拓展型”CORS建設中遇到的一個關鍵問題是信息資源共享中的異構問題。CORS是一種基于網絡建立的地球空間信息系統，隨著網絡規模的不斷擴大，網絡變得越來越復雜，在利用新的開發環境、硬件設備、信息交換和數據傳輸方式時，可能與原來的系統產生不兼容，這種差異反映了CORS的異構特性[5]。

CORS軟硬件的異構主要體現在:采用的GNSS接收機、網絡設備、通信協議及方式、數據發播的載體、數據處理中心軟件等在結構、功能上存在差異；各類設備及軟件類型及版本上存在差異。

CORS信息異構主要體現在:CORS定位技術在數學模型、誤差計算方法等方面存在差異；GNSS的空間基準、時間基準等方面存在差異，不同區域采用不同的坐標基準；不同GNSS接收機輸出的原始數據格式、內容和觀測值類型存在差異，相同格式的差分數據在語義上存在差異，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，其語義是異構的。由于信息異構，不同的系統將可能具有不同的精度、可用性等參數。

解決這些問題的關鍵在于建立統一的技術標準和互操作平臺，開發基于中間件數據技術分層模型，通過各層的網關完成數據封裝方式以及通信協議的自動適配，并在此基礎上建立多級網絡管理體系，實現系統內部、系統之間的信息資源共享。解決CORS異構問題如圖3所示。

圖3 CORS信息資源異構問題的解決方案

WHMCORS聯網后，由于信息異構會帶來定位精度、可靠性、可用性等服務質量下降的問題。如果兩個系統定位服務精度、可用性等方面存在差異，則兩個系統進行服務聯網(實現服務漫游)形成一個整體后，各區域內定位精度等指標將變得不均勻，相對用戶而言，其結果就是全系統定位精度、可靠性和可用性等服務質量下降。該問題必須從GNSS定位算法等方面加以解決。

3.5 用戶管理子系統的建設研究

作為CORS系統的重要組成部分，如何確保基準站系統安全、穩定、高效的運轉不僅在于基準站的設計和建設，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，用戶數量不斷增加，根據城市圈建設單位的要求，開發了WHMCORS用戶管理系統，實現了用戶的電子地圖顯示、區域管理、賬目管理、在線查詢、實時監控、轉換參數保密、RTK實時精化正常高、數據下載等功能，其中最關鍵的技術是坐標轉換參數保密和用戶分區域管理[6]。

利用網絡RTK差分定位原理以及坐標系統轉換模型，實現WGS－84坐標到地方坐標轉換參數保密算法，在保證精度前提下，對不同用戶采用不同的轉換參數，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。

綜合利用幾何拓撲關系和射線法原理(見圖4)，開發了分區域服務模塊、分級授權管理模塊，對用戶的有效作業范圍和服務內容進行有效管理。系統根據用戶權限，對用戶作業區域進行實時控制，并設置一定緩沖區，以保證各區域重合的地方能進行正常作業，用戶只能在授權區域內作業，超出授權區域則不提供實時定位服務，從而保證了城市圈各用戶的利益，防止跨區域作業的現象發生。

圖4 射線法分區管理原理

WHMCORS用戶管理系統的完善，一方面進一步優化了數據中心管理工作流程，提高了管理人員工作效率，保障了系統運行的可靠性；另一方面，精確計時和實時查詢、分區域管理、實時監控等功能的實現改變了某些用戶長時間占用系統資源、跨區域作業給其他用戶帶來利益損害的不良作業習慣，達到了促進系統運營中資源合理分配的目的。圖5為用戶管理系統中權限設置的界面，包括分區管理、是否提供精化高程、是否進行參數保密等功能。

圖5 用戶權限管理數據庫

3.6 其他關鍵技術

在咸寧基準站的建設過程中，還有一重要的環節，就是控制網聯測，包括基準站網的控制聯測、城市GPS控制網的聯測、精密水準聯測，控制網聯測的目的是為了建立和維護咸寧市高精度的三維動態測繪基準，保證地心坐標與城市圈已建的CORS系統地心基準一致，實現城市圈城市空間定位基準一體化，促進城市圈信息服務平臺統一，滿足國家測繪局推行的國家大地坐標系(CGCS2000)的要求。在此基礎上，精確求取咸寧市域的CORS系統轉換參數，實現單人單機厘米級網絡RTK實時定位測量，滿足用戶對不同服務領域、不同層次的用戶需求。

4 結 語

本文通過武漢城市圈鄂州、仙桃、潛江、天門基準站建設的成功實例，總結了“拓展型”CORS建設中存在的關鍵技術問題，并結合咸寧基準站建設的構想，在基準站子系統建設、數據通信子系統建設、信息異構、用戶管理系統等方面提出了一些有益的參考意見，為咸寧基準站的建設奠定了較好的基礎。

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

[2] 肖建華，李江衛，周劍.武漢城市圈連續運行衛星定位服務系統建設的戰略構想[C].2006年中南地區城市勘測改革發展暨學術研討會論文集，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三角網的大規模CORS基準站組網技術研究[J].大地測量與地球動力學，2008，28 (1):131～135

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

[6] 辜聲峰，胡羽中，唐衛明.大規模基準站組網與分區服務技術探討[J].大地測量與地球動力學，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數據處理。

精密工程與工業測量國家測繪局重點實驗室開放基金資助(PF2009－9)