區域CORS在線定位系統設計與實現

李延旭，劉智敏，李 斐，周茂盛，徐 陽

(1．山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102)

衛星定位連續運行參考站系統(Continuously Operating Reference System, CORS)是一種以提供衛星導航定位服務為主的多功能服務系統，它將衛星定位技術、計算機技術和現代通訊技術相結合，經過系統中心的處理向社會提供定位、坐標框架維護等空間位置信息服務，已經成為地區和國家的空間信息基礎設施和測繪地理信息數據的重要來源[1]。由于涉及數據保密問題，目前CORS系統的服務對象多是政府部門，這不符合CORS系統的建設目的。GNSS在線定位系統為用戶提供了一個方便、精確的定位方式，用戶不需要在本地安裝數據處理軟件，只需使用瀏覽器上傳觀測數據即可完成定位。目前世界上有許多國家和科研機構對在線定位服務進行研究，如澳大利亞的AUSPOS(Australian Online GPS Processing System)系統[2]、美國永久陣列中心的SCOUT(Scripps Coordinate Up Date Tool)系統[3]和美國NGS(National Geodetic Survey)的OPUS(On-line Positioning user service)系統[4]等。結合GNSS在線定位系統的優勢，充分發揮CORS系統的作用，使CORS成果服務大眾更為高效、便捷。國內外一些學者和科研機構曾對此進行研究[1，5-12]，李健[1]提出基于CORS的衛星定位在線服務系統軟件架構，從軟件設計的角度提出CORS在線定位服務系統的研發思路；武漢大學GPS工程研究中心基于Internet技術和Bernese軟件，研發GPS數據自動處理系統Auto-Bernese[5]；金蕾[6]、Reza G[7]對AUSPOS，SCOUT，CSRS-PPP 3個在線數據處理軟件的精度進行測試，得到當數據量達到10h時定位精度能夠達到厘米級的結論；Stone W[8]提出將美國CORS觀測成果應用至OPUS系統，以提高系統定位精度及其使用范圍；劉智敏[9-10]、杜珺[11]、陳豪[12]對區域CORS數據處理系統進行設計，探討區域CORS數據處理系統的可行性。

已有的研究工作取得了許多重要的研究成果，仍存在一些不足，如在線定位服務系統框架中沒有涉及用戶交互和結果分析；如從系統實現角度探討CORS數據處理的可行性，未對使用CORS站定位與使用IGS站定位結果的精度進行比較。本文在現有在線服務系統軟件架構中加入用戶交互及結果分析環節，使系統更加友好；并且利用在線系統對使用IGS和區域CORS站為基準站的解算成果進行對比，分析其原因。

1 系統設計

區域CORS在線定位服務系統是基于Internet技術、以瀏覽器/服務器(Browser/Server, B/S)的架構進行設計的，其核心功能是利用CORS站長期觀測的基準站數據通過網絡向用戶提供事后GNSS在線定位服務。用戶通過瀏覽器將位于區域CORS內的測站觀測數據上傳至數據處理中心，系統選取距待定點最近的CORS站作為基準站進行數據處理計算待定點坐標，最后將解算結果通過email發送給用戶。另外,從用戶服務的角度出發，對系統進行完善，添加坐標轉換、數據下載等輔助功能。

1.1 基本功能設計

1)用戶登錄模塊。用戶登錄模塊包括用戶注冊、登錄、編輯、注銷、查詢等功能，這是在線定位系統的基礎，只有注冊用戶才能夠獲取權限進行任務申請。

2)用戶數據上傳模塊。注冊用戶可以登錄系統進行數據上傳，用戶上傳原始觀測數據時需要填寫接收機類型等必要的解算參數以及接收解算結果時的email地址，系統根據用戶概略坐標選擇距待定點最近的CORS站作為網平差基準站，確認信息無誤后提交數據處理任務。

3)在線數據處理模塊。系統以相對定位的方式對用戶上傳的數據進行處理，包括數據預處理、基線解算和網平差功能，此模塊是基于TEQC和GAMIT/GLOBK軟件運行的。

1.2 輔助功能設計

1)坐標轉換模塊。由于系統解算結果的參考坐標系統是WGS84坐標系統，多數CORS提供的是CGCS2000坐標系統成果，而用戶更加關注在本地坐標系統中的位置，因此系統提供坐標轉換功能[12]。用戶提供待轉換點的坐標信息和坐標系統信息，選擇需要轉換的坐標系統完成坐標轉換。

2)文件格式轉換模塊。該模塊功能主要包括數據合并、O文件轉換等，方便用戶將觀測數據轉換為合乎要求的格式進行上傳。

3)數據下載模塊。該模塊是考慮用戶進行線下數據解算而添加的，用戶可以根據需要下載廣播星歷數據(N文件)、精密星歷數據(SP3文件)、氣象數據(M文件)等數據[10]。

4)高程轉換模塊。該模塊和坐標轉換模塊的設計初衷相同，是方便用戶將解算結果轉換為地方高程系統添加的。系統根據用戶提供的高程和高程系統信息，選擇需要轉換的高程系統完成高程轉換[13]。

1.3 技術設計

在線數據服務系統提供的服務主要面向事后處理用戶，實時性要求不高，選擇Windows Server 2008操作系統作為在線定位服務系統的運行平臺，負責數據處理的數據解算服務器布置在Linux系統下，二者通過數據服務器實現數據共享。為了提高系統的運作效率，將數據服務器和業務服務器相分離。由于數據服務器和業務服務器分離，數據庫管理系統在能夠保證兩者數據同步的情況下可靈活選擇，使用MySql數據庫管理系統作為服務數據庫。

在系統架構框架方面，采用B/S體系結構，邏輯上分為3個層次：表現層(Presentation)、邏輯層(Business Logic)和數據層(Data Service)。用戶使用瀏覽器通過表現層向邏輯層提交請求，邏輯層根據請求查詢數據層，經過處理后將結果通過表現層提交給用戶[14]。服務器端集成了邏輯層和數據層，用戶端只需要網絡瀏覽器即可，這大大降低數據分發軟件的維護成本和難度，提高服務的靈活性。系統技術設計如圖1所示。

圖1 系統技術設計圖

2 系統實現

根據系統設計，結合山東省連續運行參考站系統觀測數據，筆者基于.NET平臺、使用ASP.NET和JAVA語言混合編程，研發出RCOPS系統，系統主界面如圖2所示。用戶任務申請可以分為數據上傳、解算參數配置和數據處理3部分，具體內容如下。

圖2 系統主界面

2.1 數據上傳

用戶要新建一個在線解算服務申請，首先需要上傳觀測數據文件(限定為RINEX格式文件)，之后系統讀取待上傳數據并讓用戶進行信息確認，包括接收機類型、天線類型、點位先驗坐標等信息，信息確認后完成數據上傳。

為節約服務器資源以及參照現有在線定位服務系統經驗，限定每個數據服務申請所接受的觀測數據文件不超過20個。對于一個觀測點不同時段的觀測文件，用戶在上傳時應首先進行數據合并，系統在數據處理時不能進行數據合并。

2.2 解算參數配置

用戶完成數據上傳后進入解算參數配置界面，需要填寫的信息包括：參與聯測的參考站、使用的星歷類型、衛星截止高度角、接收解算成果的email地址。系統為每個參數都分配默認值，用戶可以根據需要對默認值進行更改。

2.3 數據處理

數據處理環節是在線定位服務的核心，由數據解算服務器完成，處理過程的效率和結果精度直接影響系統的性能。數據處理包括數據預處理、基線解算、網平差和結果返回4個步驟。數據處理流程如圖3所示。

圖3 數據處理流程

1)數據預處理。調用TEQC軟件進行數據質量檢核，檢查的指標包括多路徑延遲、信噪比和電離層延遲，如果各項指標沒有超限，則開始數據格式標準化，保證數據格式滿足基線解算數據格式要求。

2)基線解算。解算服務器根據GAMIT程序的要求創建數據處理所需的各級文件夾，系統根據待處理數據的日期從數據庫中提取需要的數據放入對應的文件夾中，數據庫數據以“文件類型/年/月/年積日/文件名”的目錄結構存放，系統根據文件類型和日期進行數據存取。根據用戶的解算參數配置信息，生成解算配置文件和GAMIT命令，調用GAMIT軟件對數據進行處理。

3)網平差。解算服務器調用GLOBK程序將基線解算步驟的輸出文件作為輸入文件，采用卡爾曼濾波算法估計測站坐標、站速度、衛星軌道等參數，然后提取網平差結果文件中的坐標信息，形成最終需要反饋給用戶的處理結果。

4)結果返回。解算服務器根據用戶填寫的電子郵件地址將數據處理結果采取加密措施后通過電子郵件發送給用戶。用戶也可以重新登錄系統，在用戶服務記錄中查看解算結果和結果分析(多路徑效應延遲、信噪比、可降水汽等信息)。

3 數據測試與分析

為了保證系統處理的精度滿足設計精度要求，筆者對RCOPS系統進行精度測試，測試數據為山東省內連續運行參考站觀測數據。

圖4 SC01點與聯測基準站位置

選取山東省區域內連續運行參考站SC01，將SC01站2012年001-030 d 24 h采樣間隔為30 s的觀測數據上傳至系統并提交解算任務(SC01站距基準站平均距離為51 km，如圖4所示)，取得站點坐標結果，作為第一種解算方式。采用的基線解算和網平差策略如下：基線處理模式BASELINE，批處理迭代方案1-ITER，觀測值組合類型LC_AUTCLN，精密星歷類型為最終星歷，投影函數類型GMF，網平差固定站為基準站(下文解算策略均與此相同)。同時以SC01站附近3個IGS站(BJFS、WUHN、SHAO，SC01點距IGS站平均距離為556 km)作為基準站進行數據處理，取得SC01站坐標結果，作為第二種解算方式。選取SDCORS站與IGS站聯合解算結果的周解(2012001-2012007，固定站為BJFS、WUHN和SHAO)作為坐標真值，與上述兩種解算方式獲得的結果進行對比。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為X，Y，Z方向兩種解算方式坐標結果與坐標真值之差絕對值的時間序列圖，表1為兩種解算方式結果的殘差統計分析。

圖5 SC01點兩種解算方式坐標結果與真值差值絕對值對比

表1 兩種解算方式結果殘差統計分析 mm

從圖5可以看出，當參與解算的基準站為CORS站時，SC01點的坐標結果與真值差值絕對值很小，在XYZ方向上均保持在2 mm以內；當參與解算的基準站為IGS站時，SC01點的坐標結果與真值差值較大。從表1的殘差統計分析可以看出，當參與解算的基準站為CORS站時，站點點位誤差在XYZ方向上均小于2 mm，殘差平均值趨于0，波動幅度較??；當參與解算的基準站為IGS站時，坐標殘差在XYZ方向上均大于使用CORS站作為基準站的結果殘差，殘差平均值均不在0附近，并且波動幅度較大。結合圖5與表1的信息，得到：

1)使用CORS站作為基準站參與解算的點位精度明顯高于使用IGS站作為基準站的點位精度，且差值波動幅度小，這與未知點與基準站的距離越遠誤差越大的原理吻合；

2)由于GAMIT基線解算采用雙差處理模式且解算策略中觀測值組合類型是LC無電離層組合，因此數據處理時大部分系統誤差如接收機鐘差、衛星鐘差、電離層誤差均已被消除，只有對流層誤差沒有被消除。當參與解算的基準站為CORS站時，由于未知點與基準站的距離較近，測站間對流層誤差具有較強相關性，通過站間求差及模型改正對流層誤差得到消除，坐標誤差以隨機誤差形式出現；當參與解算的基準站為IGS站時，由于未知點與基準站的距離過大，測站間對流層誤差相關性差，站間求差和模型改正不能有效消除對流層誤差，坐標誤差以系統誤差的形式出現，具有一定的規律性；

3)基于區域CORS的在線定位服務系統解算結果內符合精度達到毫米級，能夠滿足用戶各種精度的定位要求。

4 結束語

針對目前國內大多數區域CORS系統觀測成果利用率低的問題，作者研發基于GAMIT/GLOBK軟件的RCOPS系統，為用戶提供在線定位服務，提高CORS成果的利用率。通過數據測試可知，使用CORS站作為基準站進行基線解算的定位精度高于使用IGS站作為基準站進行基線解算的定位精度，點位內符合精度在1 cm以內，驗證了區域CORS在線定位系統自動化、高精度的優勢。

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