省級CORS組網技術研究與服務模式探討

袁 鵬

(武漢大學 衛星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079)

一、 引 言

CORS是一種重要的地理空間信息基礎設施。2006年以來，隨著經濟建設對地理空間信息的需求不斷擴大，且國內已積累城市級CORS的建設經驗，多個省份先后開展了省級CORS建設。截至2012年6月，對已完成覆蓋全省范圍CORS建設的省份進行統計，結果見表1(注：/后表示二期完成后基站數量)。另有廣西、福建、四川、安徽等省區的CORS正處于建設或擴建之中，黑龍江等省正在積極籌建。

表1 已建省級CORS情況統計

由此可見，我國正迎來省級CORS建設發展的高潮。然而由于尚未建立國家層面的統一建設標準、管理協調機制和統籌發展規劃，已建CORS系統間不同程度地存在著超長邊、服務縫隙與服務重疊等問題[1-2]，影響了系統的定位精度與可用性，難以支持高速鐵路、高速公路、輸油管、輸電線等大規模、長距離的重大工程建設所需的跨網服務。

省級CORS組網是指通過某種方式將現有CORS系統聯合起來，組成一個覆蓋區域更大的網絡，從而有效解決上述問題，向用戶提供精度更高、可用性更廣、可靠性更強的服務。CORS組網互聯互通共享服務主要包括消除系統差異、網絡互聯互通技術與服務共享模式等問題，已有文獻對此展開研究。劉暉(2005)實現了深圳CORS與東莞CORS的互操作[3]；李昌貴等(2008)提出了CORS網絡互連的具體目標及虛擬CORS的概念[4]；辜聲峰等(2010)探討了CORS互連共享的分區服務問題[5]；陽力等(2010)對廣東CORS兼并城市級CORS、氣象專業CORS進行了研究[6]。但以上文獻未對我國正在大力發展的省級CORS的組網問題開展研究。

省級CORS無論是在分布還是在服務模式上都具有鮮明特點，且具有組網互聯互通共享服務的可能性與必要性。因此,本文對省級CORS組網過程中的若干關鍵問題展開研究與探討。

二、省級CORS系統差異

1. 標準及參考站差異

省級CORS大多由測繪部門牽頭建設，也有由地震等部門建設的，如陜西省等。不同部門建立的CORS均采用其行業標準，如國家測繪地理信息局制定的《全球導航衛星系統連續運行參考站網建設規范》、中國地震局制定的《地殼運動觀測網絡技術規程》，以及中國氣象局制定的《全球衛星導航氣象探測基準站建設指南》。

由于用途不同，以上標準在參考站的站址選擇、建設規范、觀測精度和運行維護等方面的要求也不盡相同[7]。如依據參考站建站地質環境，觀測墩可分為基巖墩、土層墩和屋頂墩三類，它們的建設成本、穩定度及安全維護都有差異。不同標準對成本最高、穩定度最好的基巖墩個數及比例的要求不同。這給系統融合提供一致精度的服務帶來困難。

因此建議對各標準求同存異，形成統一的參考站建設國家標準。目前，國家基礎地理信息中心編制完成了《國家全球導航衛星系統(GNSS)連續運行基準站建設技術規程》。該規程詳細規定了基準站網點的設計、選埋、觀測和資料整理等建設內容和技術要求，能夠為今后的區域CORS組網提供統一的標準。

2. 網絡RTK技術差異

網絡RTK技術算法的差異導致系統中心向用戶播發的改正參數、數據通信方式、對用戶的軟硬件要求都不相同。如VRS技術需要用戶雙向通信，FKP技術需要用戶裝備專用客戶端軟、硬件設備才能進行參數解碼和誤差改正，并且還需用戶承擔部分誤差建模的計算量。只有解決了網絡RTK技術算法的差異，才能使組網后的系統能夠向用戶提供同等精度的跨網連續服務。

目前我國CORS系統大多采用國外軟件，不僅價格昂貴、存在安全保密隱患[8]，而且可擴展性差、RTK作業方式與設備不同，導致難以實現無縫組網開展跨網服務。因此，需要開發擁有我國自主知識產權的CORS管理及數據處理軟件，并統一推廣應用才能解決該問題。

3. 數據格式差異

在CORS組網過程中，由于接收機、天線等設備差異、網絡RTK模式差異等原因，參考站觀測數據格式、流動站位置信息格式及差分數據格式也會存在差異。系統間需要統一或兼容各種數據格式才能為用戶實現跨網服務。

建議使用如圖1所示的數據格式。系統中心間通過各接收機的專有格式RAW而非通用格式RINEX進行傳輸,因為該格式占用空間較小, 各中心只需配置能轉換不同類型RAW格式的軟件即可。

圖1 CORS組網的數據格式統一

在VRS等網絡RTK模式中，流動站用戶需要向系統中心發送位置等信息。國際海洋電子協會NMEA制定的NMEA-0183協議規定了上述信息的格式，且為國際通用格式。

系統中心向流動站用戶播發差分數據的常用格式為國際海運事業無線電技術委員會RTCM的SC-104專門委員會制訂的RTCM格式及Trimble公司制定的CMR格式等。各系統中心兼容這些格式即可。

三、省級CORS組網互聯互通技術

1. CORS組網的通信網絡

快速、可靠的通信是CORS組網提供網絡RTK服務的基礎。組網的通信網絡建設方案應根據實際情況來選擇，主要考慮傳輸速率、可靠性、安全性及成本等因素。同步數字體系SDH、數字數據網DDN和異步傳輸模式ATM等專線網絡安全可靠、傳輸速率快，但只能點對點傳輸且成本很高。非對稱數字用戶環路ADSL的傳輸速度、可靠性等都能基本達到CORS通信數據的傳輸要求，且費用低廉，是目前CORS建設的最普遍選擇[9]?，F有無線網絡中使用最廣泛的是CDMA、GPRS及3G技術，可根據當地信號覆蓋情況進行選擇。

2. CORS組網的數據轉發方式

CORS組網后，不同系統中心間需要共享特定部分參考站的數據，這需要一點對多點通信進行數據轉發才能實現，大致有以下3種方法[9]。

1) 多個點對點專線傳輸線路。對于需要共享的參考站，每個系統中心都分別與其建立專線，各線路互不干擾、可靠性很高，但成本過高，且由于基準站設備相對簡單，難以實現向不同CORS系統轉發的復雜網絡，一般不建議采用。

2) TCP/IP多路徑傳輸。參考站使用固定IP地址的通信線路，通過互聯網公網向各個系統中心傳輸參考站數據。該方式成本低，但安全性較差，需增設網絡防火墻，并設置IP訪問資格，確保數據安全。

3) 虛擬專用網VPN多通道。參考站端VPN路由器建立多個通道向各個數據中心發送加密數據，系統中心端VPN路由器接收到加密數據后進行通道解密，將數據送入局域網。這種方式性價比最高。

以上3種方式需根據實際情況進行選擇，此外還可以充分利用已有的各種專線，如氣象專網、地震行業網、陸態網絡等。

3. CORS組網的通信協議

目前，實現CORS網絡互聯互通的主要協議是NTRIP協議。該協議被RTCM納為分發RTCM-104格式差分數據或GNSS數據的標準，現稱為RTCM10410.0。

NTRIP主要由客戶端NTRIPClient、源服務器NTRIPServer和集中交換服務器NTRIPCaster 3個部分組成。NTRIPClient即RTK流動站用戶，NTRIP客戶可以使用NTRIP數據中心的IP地址通過互聯網連接到NTRIP數據中心。NTRIPServer用于從CORS參考站向NTRIPCaster傳輸數據，起到數據中轉作用。NTRIPServer與NTRIPClient一樣，使用NTRIP數據中心合適的IP地址通過互聯網連接到NTRIP數據中心。NTRIPCaster是一個互聯網服務器，作為管理接口，將進出NTRIP服務器和客戶的不同數據流進行處理，并進行數據分發。

如圖2所示，假設組網后用戶需要由CORS-A的參考站A1和A2及CORS-B的參考站B1進行定位，則B1參考站的數據可經由NTRIPServerB1傳至NTRIPCaster，并由CORS-A系統解算后，將RTK數據經由NTRIPCaster傳給用戶NTRIPClientA。

圖2 CORS組網的NTRIP協議

四、CORS組網的服務模式

1. CORS組網的共享模式

CORS系統的覆蓋網絡建立在通信網絡的基礎上，主要由數據、協議、軟件等組成，反映了系統內外部的共享關系[10]。由于建設時期、目的、手段等都不相同，各CORS系統內部和各系統之間覆蓋網絡的拓撲結構也不同，需要制訂相應的規則來實現數據共享。

現有省級CORS建設過程中，已經建立了分中心模式、多中心模式等組網數據共享模式[5]。分中心模式中，分中心從屬于系統中心，系統中心共享分中心所屬CORS系統的所有參考站資源，各分中心共享其周邊的參考站。這種模式規定了不同級別中心的數據分享權限，具有較好的數據保密性，適用于省市CORS間跨級別數據共享。多中心模式中，各中心之間關系對等，任一中心可以共享其他中心的所有基準站資源，擁有同樣的覆蓋區域，但服務模式及內容可以不同，適用于測繪、氣象及地震等跨部門數據共享。

為了建立省級CORS間的互聯共享，本文提出有限共享模式。該模式中，各系統中心之間關系對等，但任一中心只能共享其他中心特定的部分基準站資源。這種模式規定了不同系統中心的數據分享權限，相互而言都是有限共享，既有較好的數據保密性又能實現不同系統中心間的數據平等共享，適用于相鄰省級CORS之間的跨省數據共享。

以上3種模式并存則稱為混合模式，如圖3所示。這種方式適用于區域CORS組網及其服務拓展。如可以將城市分中心子網按分中心模式將數據共享到省測繪局系統中心，地方氣象局子網也按分中心模式將數據共享到省氣象局中心，而省測繪局系統中心又與省氣象局系統中心構成多中心模式，按照各自需要進行數據處理與服務。省級CORS系統之間構成有限共享模式，可以共享屬于對方的鄰近參考站的數據，從而減少超長邊，消除服務縫隙，避免服務重疊，實現跨網服務。

圖3 CORS共享模式示意圖

2. CORS組網的服務方式

確定了互相共享的參考站之后，還需要確定是采取臨時共享、長期共享或其他方式。臨時共享的原理是：CORS-A首先監測用戶的概略位置，當其位于服務縫隙時，判斷所需相鄰網CORS-B的參考站節點；然后向CORS-B的系統中心發送請求所需參考站節點數據消息，與CORS-B建立臨時通信鏈路，接收CORS-B轉發的相應基準站數據；最后更新三角網，初始化基線，生成RTK誤差改正數及用戶所需產品。另一種是長期共享方式，即長期地共享相鄰CORS網特定部分參考站的觀測數據，對服務縫隙區域進行劃分，在某分區內，僅某一CORS提供CORS服務[5]。

省級CORS服務縫隙常出現在交界地區，由于我國省級行政區域多依山河湖泊等自然地理條件分界，許多邊界地區人口較少，經濟欠發達，對CORS應用需求相對較低，當然，也有些交界地區是區域交流的重要樞紐，經濟發達，對CORS應用需求較高。

交界地區CORS組網服務方式的選擇應以其地理空間信息需求為導向。如果該區域測繪活動較少，則可以提供臨時共享方式，雖然時延較長，但僅在用戶有需求的時候才進行數據傳輸，這種應答式的服務數據傳輸量較小、成本較低。如果是需要為高速鐵路、公路，輸油、輸電線路等跨區域大型工程建設提供服務，則可采取在工程建設階段內實現共享。如果該區域CORS應用需求量較高，則可長期共享，提供精度穩定、延遲較小且可靠性好的服務。

五、結束語

隨著我國省級CORS建設的大規模展開，組網互聯互通共享服務成為其進一步深化發展的重要趨勢。本文分析了我國省級CORS的建設情況及存在的問題，指出了省級CORS組網的趨勢，研究了省級CORS組網中的系統差異、組網的通信網絡、數據轉發方式、通信協議等關鍵問題，探討了組網的服務共享模式，并就上述問題提出了一些有益的建議，以作為省級CORS組網的參考。

參考文獻：

[1] 陳俊勇，張鵬，武軍酈，等. 關于在中國構建全球導航衛星國家級連續運行站系統的思考[J].測繪學報，2007,36(4):366-369.

[2] 劉經南，劉暉，鄒蓉，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.

[3] 劉暉，時曉燕，楊沾吉，等. 深圳市連續運行衛星定位服務系統的建立與試驗[J].測繪通報，2003(9)：33-36.

[4] 李昌貴，呂志平，趙冬青，等. CORS網絡互聯及虛擬CORS關鍵技術[J].測繪通報，2008(1)：56-58，71.

[5] 辜聲峰，胡羽中，唐衛明. 大規?；鶞收窘M網與分區服務技術探討[J].大地測量與地球動力學,2010,30(4):146-150

[6] 陽力，劉文建，李土旺. 關于CORS并網的幾個問題[C]∥廣東省測繪學會第九次會員代表大會暨學術交流會論文集.廣州：[s.n.]:79-81.

[7] 陳俊勇，黨亞民. 全球導航衛星系統的進展及建設CORS的思考[J].地理空間信息，2009,7(3)：1-3.

[8] 過靜珺，王麗，張鵬. 國內外連續運行基準站網新進展和應用展望[J].全球定位系統，2008(1):1-10.

[9] 黃俊華，陳文森. 連續運行衛星定位綜合服務系統建設與應用[M].北京：科學出版社，2009.

[10] 劉暉. 地球空間信息網格及其在連續運行參考站網絡中的應用研究[D].武漢：武漢大學，2005.