現(xiàn)有CORS系統(tǒng)的問題分析及解決方案

伍孟琪，郭際明，周長志，張海平，馮彥同

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.山東省國土測繪院，山東濟南250102)

一、引 言

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)定位技術(shù)的發(fā)展，連續(xù)運行參考站(continuously operating reference station，CORS)網(wǎng)絡(luò)已逐漸成為城市測繪的基礎(chǔ)設(shè)施，在廣東、江蘇、江西、河南、河北、浙江、山西、山東等多地得到應(yīng)用和推廣［1-2］。目前，我國的CORS系統(tǒng)采用的解算軟件主要有美國Trimble公司的GPSNet和Pivot、美國TPS公司的TopNet、瑞士 Leica公司的 Spider等，這些軟件能夠進(jìn)行CORS基站數(shù)據(jù)的綜合處理，為實時測量用戶提供包含虛擬參考站數(shù)據(jù)的RTCM(radio technical commission for maritime services)電文，實現(xiàn)實時動態(tài)(real time kinematic，RTK)測量。然而，這些國外軟件普遍存在如下問題:①用戶管理效率低下，采用文本文件或底層數(shù)據(jù)庫管理用戶，存儲的信息較少，存在一定的安全隱患，且對用戶增、刪、查、改等操作的效率低下;②無法提供地方坐標(biāo)和正常高實時測量服務(wù)，用戶需要辦理相關(guān)手續(xù)，通過事后提交測量坐標(biāo)成果的方式，得到地方坐標(biāo)和正常高;③異常預(yù)警機制不夠完善，缺乏高效的系統(tǒng)完好性手段，系統(tǒng)故障信息難以及時通知管理員，從而導(dǎo)致處理滯后［3-6］。

以山東省為例，為了滿足轄區(qū)范圍內(nèi)的測量定位服務(wù)，山東省國土資源廳將地市和行業(yè)已建CORS系統(tǒng)納入，于2011年建設(shè)完成山東省衛(wèi)星定位連續(xù)運行綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了覆蓋整個山東省轄區(qū)的CORS定位服務(wù)。作為管理中心使用的數(shù)據(jù)處理軟件，TopNet采用虛擬參考站(virtual reference station，VRS)技術(shù)為用戶提供定位服務(wù)，但在用戶管理、成果保密、實時監(jiān)控等方面仍存在上文提到的問題［7-8］。為了解決現(xiàn)有CORS系統(tǒng)存在的問題，本文提出了一種在實時測量用戶和CORS系統(tǒng)之間架設(shè)一臺三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器的解決方案，從而可實現(xiàn)以下目的:①單位管理人員可以直觀清晰地了解實時測量用戶的相關(guān)屬性、當(dāng)前位置、歷史軌跡等信息，為提升監(jiān)督管理效能提供工具;②實時測量用戶能夠及時獲取基于不同坐標(biāo)系的高精度位置信息及各項數(shù)據(jù)服務(wù)，提升作業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量;③系統(tǒng)維護(hù)管理人員能夠及時獲悉系統(tǒng)完好性狀況，方便快捷地進(jìn)行用戶管理，提高維護(hù)的及時性和準(zhǔn)確性。

二、系統(tǒng)總體架構(gòu)

在傳統(tǒng)的RTK高精度測量中，CORS系統(tǒng)接收實時測量用戶上傳的NMEA數(shù)據(jù)，采用VRS技術(shù)，生成虛擬參考站的觀測數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶［9-10］。用戶在移動端進(jìn)行解算，便能得到CGCS2000三維空間直角坐標(biāo)。為更好地滿足系統(tǒng)維護(hù)管理人員、單位管理人員、實時測量用戶的實際服務(wù)管理需求，本文提出在實時測量用戶和CORS系統(tǒng)之間架設(shè)一臺三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器，如圖1中虛線框所示。

三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、用戶管理及監(jiān)控、服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫3個模塊。3個模塊之間的相互關(guān)系與數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖1 CORS系統(tǒng)物理架構(gòu)

服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008搭建，通過科學(xué)合理的角色劃分體系，記錄所有測量過程中的相關(guān)信息，從而解決了TopNet基于INI文件進(jìn)行用戶管理的信息匱乏和安全隱患。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊作為Windows服務(wù)，不斷接收實時測量用戶發(fā)送的NMEA數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給TopNet，TopNet根據(jù)用戶概略位置生成該處的虛擬觀測值并發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊對RTCM電文進(jìn)行改化后發(fā)送給實時測量用戶，從而提供安全高效的RTK三維地方坐標(biāo)和正常高服務(wù)。同時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊采用虛擬定位算法監(jiān)測系統(tǒng)的完好性。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，及時發(fā)送短信通知管理員，實現(xiàn)全面的系統(tǒng)完好性預(yù)警機制。單位、部門Web用戶通過B/S架構(gòu)的用戶管理及監(jiān)控模塊，讀取服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫中的用戶測量坐標(biāo)、上線時間、使用流量等信息，實現(xiàn)用戶的在線軌跡監(jiān)控和歷史軌跡查詢，并通過對CORS基站數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，實現(xiàn)便捷高效的數(shù)據(jù)下載申請與基站數(shù)據(jù)質(zhì)量分析服務(wù)，提供豐富的信息查詢統(tǒng)計功能［11-13］。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

三、系統(tǒng)功能特色

通過增設(shè)三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器，可以有效解決用戶管理效率低下、無法提供地方坐標(biāo)和正常高實時測量服務(wù)、異常預(yù)警機制不夠完善的三大問題，使服務(wù)管理工作更加高效。

1.面向用戶對象的角色劃分體系

根據(jù)實際需求，服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫將用戶細(xì)分為系統(tǒng)管理員、單位管理員、部門管理員、實時測量用戶(見表1)。服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫是三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器的核心，詳細(xì)記錄實時測量用戶的所屬單位和部門、開通時間、服務(wù)到期時間等基本信息，以及在某一測量時間段內(nèi)點的坐標(biāo)、數(shù)量、在線時長、消耗流量等重要信息。

表1 角色劃分體系

系統(tǒng)/單位/部門管理員以瀏覽器的方式登錄服務(wù)管理系統(tǒng)的 Web站點，而實時測量用戶通過GNSS移動終端接入三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器進(jìn)行測量工作。系統(tǒng)管理員能夠管理用戶、配置系統(tǒng)，具有最高權(quán)限。單位管理員通過Web注冊后，能夠申請開通部門管理員。單位和部門管理員都能夠申請實時測量用戶的開通和續(xù)費，只需要按照規(guī)定步驟，通過Web站點提交申請并上傳相關(guān)材料的掃描件，待系統(tǒng)管理員審批通過后，將匯款憑證上傳即可，使得實時測量用戶的開通和續(xù)費申請的處理流程實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、本地化，大大提高了服務(wù)管理效率。單位/部門管理員通過Web站點，對實時測量用戶的管理操作會修改其在服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)屬性。當(dāng)實時測量用戶進(jìn)行測量，試圖連入CORS系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊會讀取服務(wù)管理數(shù)據(jù)庫中所記錄的用戶信息，通過注冊用戶的請求，拒絕非法用戶的請求。

2.RTK實時地方坐標(biāo)與正常高測量

在傳統(tǒng)RTK測量中，由于橢球轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密限制和大地水準(zhǔn)面模型的缺失，用戶只能得到CGCS2000下的坐標(biāo)和大地高，而無法直接得到能夠用于生產(chǎn)實踐的地方坐標(biāo)和正常高。本文提出的三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器能夠有效解決這一問題。三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器接收到CORS系統(tǒng)生成的VRS信息后，解碼出RTCM電文里虛擬參考站的坐標(biāo)，將其轉(zhuǎn)換到輔助坐標(biāo)系下，同時根據(jù)流動站發(fā)送的NMEA數(shù)據(jù)，計算用戶所在位置的高程異常，并對虛擬參考站的高程進(jìn)行改化，將改化后的坐標(biāo)編碼成RTCM電文后播發(fā)給流動站用戶。如圖3所示。

圖3 坐標(biāo)改化與高程異常補償流程

實時測量用戶只需要在接收機中設(shè)置CORS管理中心公布的輔助坐標(biāo)系到地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，便能夠?qū)崟r得到測量點的地方坐標(biāo)與正常高。

3.系統(tǒng)完好性監(jiān)測及預(yù)警機制

系統(tǒng)完好性監(jiān)測與預(yù)警機制是采用自主提出的虛擬監(jiān)測站技術(shù)實現(xiàn)的。由三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器生成多個虛擬監(jiān)測站點，并向TopNet發(fā)送監(jiān)測站的NMEA數(shù)據(jù)。TopNet接收到監(jiān)測站NEMA數(shù)據(jù)后，以監(jiān)測站為參考點生成相應(yīng)的VRS觀測值信息。通過對VRS信息解析，可得到TopNet生成的虛擬參考站的坐標(biāo)和衛(wèi)星觀測值，再對生成的衛(wèi)星觀測值進(jìn)行單點定位，根據(jù)定位結(jié)果與虛擬參考站理論坐標(biāo)之差來確定系統(tǒng)是否正常工作。如果超過設(shè)定的相差，則認(rèn)為生成的虛擬觀測值存在問題，需要立即向管理員發(fā)出警告信息，并對系統(tǒng)的可用性、CORS基站數(shù)據(jù)質(zhì)量、基站的健康狀況等進(jìn)行檢查。

采用短信息的報警機制，自動將重要的完好性監(jiān)測信息提取出來通知管理員，提高了系統(tǒng)的自動化程度，無須專人值守檢查CORS系統(tǒng)的完好性，對CORS系統(tǒng)的運行與維護(hù)起到了關(guān)鍵作用。

四、結(jié)束語

本文提出了在實時測量用戶與CORS系統(tǒng)中間增加三維地方坐標(biāo)實時測量服務(wù)器，建立了面向用戶對象的角色劃分體系、RTK地方坐標(biāo)和正常高的實時測量技術(shù)方法、系統(tǒng)完好性監(jiān)測與預(yù)警機制，實現(xiàn)了符合中國國情的連續(xù)運行參考站網(wǎng)服務(wù)管理系統(tǒng)，有效解決了國外CORS軟件在實際應(yīng)用中存在的用戶管理效率低下、無法提供地方坐標(biāo)和正常高實時測量服務(wù)、異常預(yù)警機制不夠完善等問題，已在山東省CORS系統(tǒng)得到了實際應(yīng)用，提高了CORS服務(wù)管理效率。

［1］劉經(jīng)南，劉暉.建立我國衛(wèi)星定位連續(xù)運行站網(wǎng)的若干思考［J］.武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版，2003，28(S1):27-31.

［2］郭萬里，張永，王小剛，等.城市GPS連續(xù)運行參考站網(wǎng)(CORS)應(yīng)用綜述［J］.人民珠江，2008(1):65-67.

［3］高奮生，王芙蓉，周亮，等.面向用戶對象的CORS運維服務(wù)綜合體系研究［J］.測繪科學(xué)，2012，37(4):79-81.

［4］吳俐民，陳云波，丁仁軍.昆明市連續(xù)運行GPS參考站系統(tǒng)的研究及建設(shè)［J］.測繪科學(xué)，2006，31(3):47-49.

［5］安艷輝，史照良.全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運行參考站網(wǎng)的技術(shù)探討——以 JSCORS徐州試點工程為例［J］.現(xiàn)代測繪，2007，29(6):3-6.

［6］張志全，王文旭，黃立人，等.天津市GPS連續(xù)運行參考站網(wǎng)系統(tǒng)［J］.城市勘測，2008(6):51-55.

［7］武軍酈.連續(xù)運行參考站自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.測繪通報，2004(12):9-12.

［8］對士寧.連續(xù)運行參考站 (CORS)系統(tǒng)在城市管理中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2009，32(5):6-8.

［9］李健.衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)及軟件體系設(shè)計［D］.鄭州:解放軍信息工程大學(xué)，2007.

［10］CH/T 2008—2005全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范［S］.北京:測繪出版社，2006.

［11］DING X，GUO J，ZHOU M，et al.Research on the Application of Web Inspection System Based on CORS in City Inspection［C］∥China Satellite Navigation Conference(CSNC)2012 Proceedings.Berlin:Springer，2012:85-93.

［12］WU M，GUO J，SHEN L，et al.Research on Inverse RTD Positioning Algorithm and System Implementation［C］∥China Satellite Navigation Conference(CSNC)2013 Proceedings.Berlin:Springer，2013:105-112.

［13］SHEN L，WANG L，WU M，et al.The Design and Realization of Online Land Patrol System Based on CORS［C］∥China Satellite Navigation Conference(CSNC)2013 Proceedings.Berlin:Springer，2013:149-157.