國外連續運行參考站系統發展與啟示＊

李川章 向才炳 邊少鋒

（1.海軍工程大學導航工程系 武漢 430033）（2.中國人民解放軍第92678部隊 天津 300220）

1 引言

連續運行參考站系統（CORS：Continuous Operating Reference System）是在一定的區域范圍內建立若干永久性的連續運行的參考站，通過網絡互聯而構成的網絡化GNSS服務系統，以向測繪部門、科研機構、商業用戶以及其他個人用戶提供連續高精度的GNSS定位服務。CORS已經成為一個國家的數據空間基礎設施，在社會各行業如基礎測繪、市政建設、國土資源調查、工程施工、交通運輸管理、氣象觀測、地質災害監測、搶險救災等諸多行業領域得到了廣泛的應用，滿足其對位置、導航以及時間的精確需求［1］。國外的政府組織和測繪研究機構在20世紀90年代就開展了CORS系統的研究和建設，在CORS的理論、基礎設施建設、系統自動化管理、數據采集、處理和分發等諸多方面均取得了令人矚目的成果，同時也得到了較好的應用。

2 國外連續運行參考站系統現狀

隨著GNSS技術、計算機技術、網絡和通信技術的發展，建立連續運行參考站系統取代傳統的靜態定位控制網是今后測繪與實時導航定位的發展趨勢。本節主要介紹國外有代表性的國家CORS系統，如美國的NGS CORS、德國的SAPOS和日本的GEONET。在美國CORS的東部區域，大部分站點實現了實時的數據傳輸，僅需要建立必要的服務手段即可實時定位服務。德國的SAPOS和日本的GEONET建設密度較大，其用戶均可以利用實時載波相位差分、網絡RTK技術得到實時高精度定位服務。

2.1 美國CORS

連續運行參考站系統（CORS：Continuously Operating Reference Stations）是由美國國家測繪局（NGS）管理的全球衛星定位系統（GPS）參考站網絡系統。該系統向用戶提供其參考站網的導航衛星信號的載波相位和碼偽距觀測數據、參考站坐標、參考站移動速率矢量、GPS星歷、參考站氣象數據等，以支持在美國全境及其他一些國家和地區的三維定位、氣象觀測以及地球物理的相關應用［2～3］。

GPS用戶均可以使用CORS提供的數據以提高其定位精度，使用CORS數據進行事后精密定位可以使用戶在國家空間參考系下的水平和垂直定位精度提高到厘米級甚至亞厘米級。

CORS參考站網絡是一個多用途的、合作性的網絡，參考站主要由政府部門、學術研究機構以及一些私人機構建設，各參考站都是由其所有者獨立運行和維護的，各建站的組織機構均與NGS共享其觀測數據，而NGS則負責對全網的CORS觀測數據進行分析和免費發布。到2011年底，已擁有200多個不同機構合作加入的CORS參考站網絡數量超過1800個的參考站站點，而且這個數目還會持續增加。CORS參考站在美國本土的分布如圖1所示。

圖1 美國本土的CORS站點分布圖（右下角為阿拉斯加州）

除美國本土以外，美國還在一些海外國家和地區如加拿大、墨西哥、薩爾瓦多、洪都拉斯、牙買加、巴西、伊拉克、阿富汗建立了CORS參考站。

美國CORS建設的任務有以下幾方面。

1）使全部美國領域內的用戶能更方便的利用該系統來達到cm級水平的定位與導航。

2）促進用戶利用CORS來發展GIS。

3）監測地殼變形。

4）支持遙感的應用。

5）分析大氣中的水汽分布。

6）監測電離層中自由電子濃度和分布。

CORS參考站的觀測數據可以通過Internet下載，CORS還提供的如下的數據和服務：

1）參考站坐標信息。

CORS采用的全球參考坐標系是IGS08坐標系，采用的國家大地坐標系為NAD83（2011）坐標系。CORS提供的參考站數據包括參考站分別在IGS08坐標系和NAD83（2011）坐標系下的參考站三維坐標和三維速度向量。

2）參考站日志

參考站日志文件記錄了相應參考站的接收機和天線的品牌型號、參考站的大致位置、所有人及運行機構。參考站日志文件所記錄的參考值位置只是其大致位置，欲獲得其精確位置仍需下載使用精確參考站坐標。

3）天線校準參數

提供經過NGS使用驗證過的各品牌、型號的GNSS接收機的天線相位中心校準參數。

4）提供在線定位服務（OPUS：Online Positioning User Service）。OPUS提供在線測量解算服務。用戶上傳自己接收機的原始觀測數據，并提供相應的天線類型和天線高參數，就可以免費得到經NGS CORS處理的結果，從而使CORS用戶的測量數據的處理工作變得簡單。

5）實時GNSS服務。實時GNSS服務向授權用戶提供RTK定位服務。

2.2 德國SAPOS

德國衛星定位服務（SAPOS：Satellite Positioning Service of German National Survey）是德國國家測量主管部門聯合德國測量、運輸、建筑和國防等多個部門建立的一個長期連續運行的差分GNSS定位和導航服務系統。SAPOS建立的目的是用統一的標準和規范指導和建設全部德國范圍內GNSS參考站，為政府相關部門和其他相關用戶提供統一規范的差分GNSS服務［4］。系統目前建有270個永久GNSS參考站，覆蓋德國全境，站間距離為25～60km，SAPOS系統參考站分布如圖2所示。與EUPOS一樣，SA－POS采用的參考系是歐洲大地參考系1989（ETRS 1989）。

圖2 德國SAPOS參考站分布圖

SAPOS可以提供幾類不同的定位服務：

1）實時定位服務（SAPOS EPS）。SAPOS EPS可以向用戶提供定位精度為0.5m～3m的實時定位服務。其碼差分改正數據可以通過VHF頻段無線電發送，也可以使用RTCM格式數據通過GSM網絡或2MHz帶寬的無線電發送給用戶。SAPOS EPS適用于車載導航、艦船導航、海洋水文、GIS以及其他類似定位精度要求的導航定位應用。

2）高精度實時定位服務（SAPOS HEPS）。SAPOS HEPS可以提供水平1～2cm，垂直2～6cm的高精度RTK定位服務。其載波相位差分改正參數使用RTCM格式數據通過GSM網絡或2MHz帶寬的的無線電發送給用戶，SAPOS參考站網采用區域改正參數方法（FKP）減小距離相關誤差，從而提高用戶的定位精度和可靠性。SAPOS HEPS可以使用在工程測繪、地籍測繪、高精度GIS應用以及其他對精度要求較高的應用領域。

3）高 精 度 大 地 定 位 服 務 （SAPOS GPPS／GHPS）。GPPS／GHPS是針對高精度大地測量提供的一種事后高精度定位服務，可以使定位精度優于1cm。GPPS／GHPS提供的參考站觀測數據均采用RINEX格式，數據可以通過E－mail或FTP等途徑獲取。SAPOS以1Hz的頻率存儲觀測數據，這些觀測數據可以被臨時存儲至少30天，而最終被永久保存的是15s采樣間隔的載波相位觀測數據。SAPOS可以根據用戶的使用需求，提供采樣頻率高于1Hz的參考站載波相位觀測數據。GPPS／GHPS可以應用于航空攝影測量、激光掃描測量、基礎大地測量、德國國家參考系建立和維持、地球動力學等相關領域。

SAPOS是德國國家空間數據基礎設施，使德國實現了遠距離高精度的導航定位。隨著歐洲GALILEO系統的建設，衛星導航定位的精度、可用性和完好性等性能將得到進一步的提升。GALILEO和GPS系統的組合適用也將進一步提高衛星導航的性能，從而進一步提高SAPOS系統的服務性能。

2.3 日本GEONET

日本是一個地質災害多發國家，因而對地質災害進行監測和分析顯得十分重要。從1993年開始，日本就著手建立GPS連續監測網絡。在日本東京和東海地區建立了連續應力監測系統（COSMOS：Continuous Strain Monitoring System），建有110個高密度覆蓋的參考站；在COSMOS覆蓋區外的日本其他地區建有包含100個參考站的精密測繪與地球物理科學GPS區域陣列（GRAPES：GPS Regional Array for Precision Surveying／Physical Earth Science）。1995年神戶大地震后，日本國土地理院增建了400個參考站，與原有的COSMOS和GRAPES融合升級為GPS地球觀測網絡（GEONET：GPS Earth Observation Network），到目前為止，GEONET共包含約1400個連續參考站，平均密度約為20km，成為目前世界上密度最高的GPS連續參考站系統［7］，如圖3所示。

圖3 日本GEONET分布圖及其參考站結構

GEONET系統參考站一般為約5m高不銹鋼塔柱結構，在塔柱頂部放置GPS天線，在塔柱中部分層放置GPS接收機、UPS和ISDN通信設備，數據通過ISDN網進入設在筑波的國土地理院數據處理中心，然后通過Internet發布相關數據。參考站以1HZ的采樣速率采集GEONET的觀測數據，這些觀測數據被實時傳送至國土地理院進行臨時存儲，如果沒有地震、火山爆發等特殊地質活動需求時這些數據會在一段時間后被刪除，最終只有30s采樣間隔的觀測數據會被永久保存以進行精確分析。在完成數據下載之后，國土地理院每天會計算一次各測站的坐標；在地震、火山顯著活動期間，各測站的坐標的計算頻率會被增加到每3h一次以對地質活動進行有效監測；在IGS最終軌道給出之后，GSI會對所有測站的坐標重新計算以得到更精確的計算結果。

GEONET的建立為該地區的地震與火山活動監測分析、地質板塊移動監測、氣象檢測與預報、RTK服務以及其他相關應用提供了良好的基礎設施條件。GEONET同時還可以為用戶提供實時RTK服務和查分GPS服務，GEONET的VRS－RTK服務已經商業化，主要的運作模式是國土地理院與日本測量協會之間達成協議，國土測量院負責GEONET的運行和維護，向日本測量協會提供RTK數據；而日本測量協會負責RTK數據的監控和分發，與想要經營GPS RTK數據業務的公司開展業務，從而使其RTK數據服務實現商業化。

除了美國CORS、德國SAPOS和日本的GEONET之外，還有很多其他國家和地區也建立了自己的CORS網絡，如加拿大的加拿大主動控制網絡（CACS：Canadian Active Control System）、澳大利亞的悉尼市CORS網絡SydNet等，在此不一一介紹。

3 國際組織連續運行參考站系統

除了單一國家獨立建設的CORS網絡外，國家與國家之間在連續運行參考站系統的技術標準、網絡建設與服務、GNSS多系統融合與協調等方面合作也越來越多，從而為國際組織機構連續運行參考站系統的產生提供了基礎和必要性，使得歐洲定位系統（EUPOS）和國際GNSS服務（IGS）的參考站網絡規模越來越大，應用越來越廣，促進了國際與地區之間的GNSS應用與社會經濟的發展。

3.1 歐洲定位系統EUPOS

歐洲定位系統（EOPOS：European Position Determination System）是在2002年的第一屆柏林GNSS大會上由與會各國的測繪主管部門、地理信息研究機構以及歐空局等單位聯合倡導成立的衛星定位地面差分增強系統。EU－POS成立的目的是用統一的標準和規范向歐洲提供差分GNSS定位服務，擴大服務范圍，增強服務性能和提高經濟效益［5～6］。

圖4 EUPOS成員國及覆蓋范圍圖

EUPOS目前有20名國家的地區會員及觀察員成員，包括波黑、保加利亞、捷克、愛沙尼亞、匈牙利、拉脫維亞、馬其頓、波蘭、羅馬尼亞、俄羅斯、塞爾維亞、烏克蘭、斯洛伐克、柏林、摩爾多瓦、哈薩克斯坦、立陶宛和斯洛文尼亞等國家和地區。EUPOS系統覆蓋了25%的歐盟成員國，超過60%的歐洲疆域以及俄羅斯位于亞洲的領土。EUPOS服務覆蓋范圍如圖4所示。

EUPOS的主管機構是是EUPOS執行委員會（ISC），同時各會員國建立各自的國家EUPOS服務中心（NSC）。各NSC負責其國內參考站網的建設和運行維護，保證差分定位服務的質量和完好性，協調在邊境區域的定位服務提供問題，各NSC的參考站建設情況見表1。

表1 EUPOS各成員國參考站建設統計表

EUPOS的參考坐標系是歐洲大地參考系1989（ETRS 1989），各會員國也可以使用其各自的國家大地坐標系。EUPOS的參考站均為永久參考站，各站間距離不小于100km，這樣的參考站分布可以保證對各種類型的流動站的可用性和定位精度要求，在城區參考站的分布密度相應的會更高。EUPOS的參考站將充分利用各國現有的參考站以及EUREF、IGS的參考站，也可以在邊疆地區實現參考站的跨國共用。目前的參考站連續接收GPS和GLONASS信號并提供相應的差分定位服務，等到GALILEO信號可用時，GALILEO信號將成為EUPOS參考站網提供定位服務的主要標準。與此同時，EUPOS也會促進多系統GNSS的使用，提高用戶導航信號的可用性，這在信號遮擋嚴重的城區環境下顯得尤為重要。所有的參考站網均使用網絡連接，以將GNSS觀測數據傳送至相應的網絡中心。網絡中心對對流層延遲、電離層延遲以及星歷誤差進行準確建模，生成相應的差分改正數據并分發，從而提高流動站的實時定位精度。

EUPOS提供三種定位服務：

1）差分GNSS（DGNSS）。可以提供定位精度為2m～0.5m的實時差分定位和導航服務，對于靜態用戶，實時定位精度可以達到0.2m，DGNSS實際的定位精度還跟用戶使用的差分接收機的類型有關。

2）網絡RTK。可以為用戶提供定位精度優于2cm的實時動態定位精度。

3）大地測量服務。通過提供相應的參考站觀測數據，從而使事后精密定位精度達到毫米級。

EUPOS差分數據主要使用互聯網傳送，數據格式為RTCM SC104，并可以通過手機接收這些差分數據。除此之外，還可以采用無線電廣播、電視廣播信道傳送這些差分數據。在精密空中、陸地和航海定位應用時，尤其在艦船編隊作戰和指揮時通過無線電廣播播發差分數據就尤為重要了。

EUPOS目前在中東歐國家已經得到了廣泛的應用，隨著越來越多的歐洲國家參與和加入EUPOS，EUPOS將成為歐洲地區覆蓋范圍最大、應用領域最廣的區域性GNSS參考站網絡。它對歐洲的地理信息產業的發展所起的作用將不可估量。

3.2 國際 GNSS服務（IGS）

國際 GNSS服務（IGS ：International GNSS Service），即以前的國際GPS服務系統。這是一個由200多個成員組成，并實現高精度參考站資源和數據共享的世界性的自愿聯盟。IGS致力于提供高質量GNSS標準的數據和產品，用于支持科學研究、多學科應用和科學教育等［1］。IGS包括兩個衛星系統，GPS衛星系統和GLONASS衛星系統，通稱為GNSS。IGS被認為是最高精度的國際性民間GPS組織。

IGS無償向全球用戶提供各種GPS信息，如GPS精密星歷、快速星歷、預報星歷、IGS站坐標及其運動速率、IGS接收GPS信號的相位和偽距數據，地球自轉速率等。這些信息支持了大地測量和地球動力學方面無數的科研項目，包括電離層、氣象、參考框架、精密時間傳遞、地殼運動、高分辨率的推算地球自轉速率及其變化等。IGS提供的主要服務和數據有以下幾種：

1）軌道數據。按其軌道精度分為三類。一類是最終軌道，要在10～12d后才可以得到，常用于精密定位；二是快速軌道，要在1d以后得到，它常用于大氣的水汽含量、電離層計算等。第三類是預報軌道。GPS星鐘偏差方面的數據由兩個IGS分析中心提供。IGS在近200個永久連續運行的全球跟蹤站中，使用的外部頻率標準有70多個，其中30個使用氫鐘，20個使用銫原子鐘，20個使用銣原子鐘，其余的使用GPS內部的晶體振蕩器。

2）極移和世界時間信息。IGS公布最終的每日極坐標（x，y），其精度為±0.1mas，快報的相應精度為±0.2mas。GPS作為一種空間大地測量技術，本身并不具備測定世界時（UT）的功能，但是，由于GPS衛星軌道參數和UT有關，也和測定地球自轉速率有關，而自轉速率又是UT的時間導數，因此IGS仍能給出每天的日長（LOD）值。目前，由于IGS各觀測站數據傳輸及數據處理方法的改進，使求定章動項和高分辨率的極移，由過去的1d一次提高到每2h一次。

3）連續運行站的坐標、相應的框架、歷元和站移動速度。

4）測定短期運動。

4 國外CORS發展對我CORS建設的啟示

連續運行參考站系統的有著巨大的科研價值、經濟效益和社會效益，其特點在國外連續運行參考站系統的建設和使用的過程中已經得到了充分的證明。我國作為國際衛星導航系統四大核心供應商之一，也較早的開展了GPS連續運行參考站系統的研究和建設。本節將簡要結合我國連續運行參考站網絡的建設情況，討論國外的連續運行參考站系統的建設和發展對我國相應系統的建設和發展的一些啟示。

4.1 我國連續運行參考站系統的發展

國家測繪局與NGS、武漢大學、中國科學院等單位通過國際合作項目已先后分別在武漢、拉薩、烏魯木齊、北京、上海、西安、長春等地建設了GPS永久跟蹤站，主要服務于國際GPS動力學服務，其中若干站點已經成為國際陸地參考框架（ITRF）的核心參考站，為ITRF框架的定義做出了應有的貢獻［10～12］。

中國地震局與總參測繪局、中國科學院和國家測繪局合作在國內建立了中國地殼運動觀測網絡。該網絡已在國內建設了25個基準站網，部分利用了中國科學院和國家測繪局建設的國際站。

由中國地震局、總參測繪局、中國科學院、國家測繪局、中國氣象局和教育部聯合建設的“中國大陸環境構造監測網絡”已經建成由260個連續觀測站和2000個不定期觀測站組成的覆蓋中國大陸的高精度、高時空分辨率的觀測網絡。該網絡以GNSS觀測為主，輔以甚長基線干涉測量（VLBI）、人造衛星激光測距（SLR）等空間技術，并結合精密重力和水準測量等多種技術手段組成，主要用于監測中國大陸地殼運動、重力場形態及變化、大氣圈對流層水汽含量變化及電離層離子濃度變化等，為地震預測、空間天氣等科學研究提供基礎資料和產品服務，同時兼顧國土測繪、大地測量和氣象預報等綜合應用。該網絡還可以廣泛服務于國民經濟建設諸多領域，為公路、鐵路、航運提供導航服務；為精準農業、采礦、石油勘探、環境管理與研究、保險、電力、通信、建筑、公共安全監控、突發事件應急響應和災害緊急救助等提供服務；加快中國衛星導航定位產業化發展。中國大陸環境構造監測網絡已成為全國最大的連續運行參考站網絡。

4.2 啟示

國內連續運行參考站網的建設已經達到了一定的規模，也產生了一定的社會和經濟效益，然而對比國外的CORS的建設和應用情況，可以發現，我國的CORS在建設和應用的過程中存在著如下的一些問題需要改進。

1）對于參考站網絡的建設沒有明確的戰略規劃。對于參考站系統的建設缺乏國家統籌規劃和統一協調。參考站建設發展不平衡，東部、東南沿海地區建設快，西部和東北地區建設慢；不同的事業單位以及不同的GNSS服務提供商在同一省份、同一城市重復建站、重復投資；不同單位之間信息和數據無法共享；建站資金消耗大，投資回報低等問題。

2）連續運行參考站網絡系統建設缺乏統一標準。在全國建設參考站網絡時，對于基準站站址選擇、天線墩建設要求、數據采集方式、數據存儲格式、信號編碼與傳輸格式、參考站驗收方法等沒有統一的規范；對于地震、地殼形變監測、測繪、氣象觀測等諸多應用領域沒有制定適合實際應用需求的技術指標。

3）缺乏資源與數據共享平臺。各省市和不同行業系統之間的參考站資源無法共享，CORS用戶在跨省市作業時都可能出現技術、行業和服務障礙，造成了資源浪費，降低了工作效率。各觀測站的歷史觀測數據管理水平低，公眾缺乏獲取相應數據的途徑。

4）連續運行參考系統的應用開發不足。全國各行業、各省市的連續運行參考站系統的應用范圍主要局限于測繪、地震、城市規劃、工程建設等有限的行業，尚未充分發揮其精確導航中的應用效能，尚未充分發揮其在國家基礎設施建設以及國家經濟和社會發展中的基礎性和戰略性的作用。

5 結語

連續運行參考站系統在國家社會和經濟發展中起到越來越重要的作用，成為國家和地區的重大基礎設施。美國、德國、日本等國已經建立了覆蓋其全境的參考站網絡，充分的開發了其在測繪、地質災害監測、氣象等相關科學研究以及國民經濟發展等諸多領域的應用，取得了良好的社會和經濟效益。我國也已建設了市級、省級以及行業級不同層次的CORS系統，然而我國尚未建立起向全國各行各業提供統一規范服務的國家級CORS系統。隨著技術的進步和統一標準的制定，國家級CORS終將形成，從而極大的促進我國相關科學研究和相關行業應用的發展，成為我國至關重要的國家基礎設施。

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