天津CORS實時地方基準服務平臺探討

黃 勇，閆 偉，張 奇，阿布都那比·麥麥提

(1.天津市測繪院，天津 300381；2.新疆維吾爾自治區第二測繪院，烏魯木齊 830000)

0 引言

十一五期間，中國數十個城市先后建立了全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)連續運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)系統[1-4]。天津CORS(簡稱TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式投入運營，目前共有基準站21個，平均邊長30 km，數據中心解算軟件為Trimble公司的Pivot平臺，為天津城市建設發展提供基于2000國家大地坐標(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)的實時、高精度空間基準服務，在測繪、勘察、電力、水利、海洋等領域得到了廣泛的應用。天津在城市規劃、建設、運營、管理中，普遍使用1990年天津市任意直角坐標系成果，但由于CGCS2000坐標與1990年天津市任意直角坐標轉換參數敏感，按相關保密政策無法直接提供給用戶使用[5，7]，造成用戶獲取CGCS2000坐標后，需要通過郵件服務器或網絡服務的方式將測量的CGCS2000坐標成果轉換為1990年天津市任意直角坐標系成果。這種滯后的地方基準服務方式不但限制了TJCORS在實時城市測量領域的應用，而且坐標轉換的繁瑣給用戶帶來諸多不便，嚴重影響作業效率，浪費人力、財力，甚至在一定程度上導致用戶放棄使用TJCORS而建設自己的單基站實時動態差分法(real-time kinematic，RTK)系統；與此同時，坐標轉換服務也給TJCORS數據中心的運營維護帶來一定負擔。

針對城市CORS系統地方基準服務滯后的問題，各個城市都在積極探索適合本地區的地方基準服務模式[5-8]。如廣州規劃勘測設計研究院與華測公司聯合開發了一套軟件為用戶提供實時地方坐標和高程服務，但該軟件僅適用于華測設備，無法兼容其它品牌RTK終端；北京測繪設計研究院委托武漢大學研制了一套“NtripCasterProxy”軟件，能夠兼容天寶、南方、中海達、華測等主流RTK終端設備進行實時地方坐標的測量，重慶市地理信息中心建立了CQGISS實時地方坐標測量平臺，為其用戶提供實時地方坐標成果獲取服務。

本文設計并實現一種基于中間服務器的實時地方基準服務模式，即采用中間服務器對Trimble Pivot軟件的差分改正數進行技術處理和轉發，實現在地方坐標轉換參數保密的前提下，提供實時的1990年天津市任意直角坐標服務和1972年天津市大沽高程服務。結合天津市GNSS大地控制網C級控制點成果，驗證1990年天津市任意直角坐標服務性能。由于天津市地表沉降比較嚴重，現有的2006年似大地水準面成果現勢性不佳，本文未對1972年天津市大沽高程服務性能進行實驗分析。

1 系統原理

城市CORS系統實質是網絡RTK技術的具體應用，定位模式屬于相對定位[4，9]。TJCORS系統采用虛擬參考站技術，運行機制為：用戶通過用戶名、密碼、服務地址、端口、掛載點等信息通過NTRIP(networked transport of RTCM via internet protocol)協議連接Pivot平臺，通過身份驗證后，以NMEA-0183協議(national marine electronics association 0183 protocol)上傳概略位置信息，Pivot平臺根據概略位置生成差分改正信息，包括虛擬站位置、虛擬站測碼偽距和載波相位觀測數據等，并編碼為國際海運事業無線電技術委員會標準協議(radio technical commission for martine services，RTCM)格式發送給用戶，用戶實時接收此差分信息并與自身觀測數據進行RTK定位解算，獲取實時高精度用戶位置[10]?？梢?，用戶的位置是由虛擬參考站的位置間接確定的，只要改變差分信息中虛擬參考站的位置，就可以改變用戶使用此差分信息的定位結果。虛擬參考站位置距離用戶位置一般只有幾米，對參考站位置移動一個小量，用戶的位置也移動一個小量，用戶的位置移動量與虛擬參考站的位置移量近似相同。

CGCS2000坐標與1990年天津市任意直角坐標可通過平移、旋轉和縮放來實現相互轉換，根據《關于規范衛星導航定位基準站數據密級劃分和管理的通知》規定及相關保密政策，地方基準轉換參數和似大地水準面成果無法直接提供給用戶使用，用戶也就無法通過RTK手簿中的轉換程序實現CGCS2000大地坐標向1990年天津市任意直角坐標和1972年天津市大沽高程的自動轉換。為了解決這一問題，本文對虛擬參考站坐標做如下技術處理：1)基于2006年天津市似大地水準面成果對虛擬參考站高程進行修正；2)將修正后的虛擬參考站位置用一組預定的轉換參數轉換到用戶臨時坐標，并發給用戶進行RTK測量，獲取用戶臨時坐標系的定位結果；3)計算用戶臨時坐標至1990年天津市任意直角坐標的轉換參數，并提供給用戶設置到RTK手簿中，自動實現用戶臨時坐標系至1990年天津市任意直角坐標和1972年天津市大沽高程的轉換。用戶臨時坐標至1990年天津市任意直角坐標轉換參數計算方法為

(1)

式中：T2、R2、s2分別為用戶臨時坐標至1990年天津市任意直角坐標的平移向量、旋轉矩陣和縮放因子；T1、R1、s1分別為CGCS2000坐標至用戶臨時坐標的平移向量、旋轉矩陣和縮放因子；T、R、s分別為CGCS2000坐標至1990年天津市任意直角坐標的平移向量、旋轉矩陣和縮放因子。

2 軟件實現

本文研制開發了TJCORS實時地方基準服務平臺軟件“VRSRelay”。軟件開發過程中綜合考慮系統性能和開發效率，專業算法采用標準C/C++封裝成動態鏈接庫，通過SWIG工具封裝成.NET調用接口，軟件界面采用微軟.NET框架(C#)實現，通過C/C++和C#的混合調用，能夠保證平臺計算效率和并發性能，同時避免核心代碼被反編譯，大幅提升軟件平臺安全性。軟件運行效果如圖1所示。

VRSRelay實現的TCP服務器采用高性能異步通信框架，支持RTCM V3.x、NTRIP V1.x、NMEA-0183等標準衛星導航通信協議，全面兼容天寶、南方、中海達、華測等主流RTK終端設備和手簿。軟件提供簡潔易用的用戶界面，可為每個用戶獨立設置用戶臨時坐標系轉換參數，能夠實時監控用戶狀態，記錄在線時間和訪問差分數據流量等信息。VRSRelay軟件2014年正式開始工程應用，長期運行穩定、可靠。

3 實驗分析

天津CORS實時地方基準服務平臺具備1990年天津市任意直角坐標和1972年天津市大沽高程的服務能力，但由于天津市地表沉降比較嚴重，現有的2006年似大地水準面成果現勢性不佳，本文未對該平臺地方高程服務性能進行實驗分析。為了驗證TJCORS實時地方基準服務平臺技術路線和軟件實現的正確性，筆者從天津市GNSS大地控制網C級控制點中，在全市范圍內均勻選取了11個作為測試點，分布情況如圖2所示。2014年8月，采用天寶、 華測RTK終端設備，測試VRSRelay平臺實時1990年天津市任意直角坐標性能。從CGCS2000坐標至用戶臨時坐標系轉換參數為：X軸平移3.0 m，旋轉0.001 rad；Y軸平移4.0 m，旋轉0.001 rad；Z軸平移5.0 m，旋轉0.001 rad，縮放因子為1.0，通過VRSRelay平臺對測試點進行常規RTK測量，獲取1990年天津市任意直角坐標系坐標測量結果，并將其與天津市GNSS大地控制網成果比較，通過計算X方向、Y方向和水平方向的偏差，并統計最大值和均方根誤差，進而分析評價TJCORS實時地方基準服務平臺定位精度和性能，實驗結果如表1所示。

天津GNSS大地控制網C級控制點1990年天津市任意直角坐標ΔX1990年天津市任意直角坐標ΔY1990年天津市任意直角坐標ΔPC007-0.0020.0030.003C028-0.011-0.0010.011C0580.003-0.0120.013C066-0.0030.0010.003C077-0.004-0.0030.005C0930.0070.0150.017C1140.0090.0000.009C1200.0010.0050.005C175-0.0120.0150.019C185-0.0140.0040.015C197-0.0180.0230.029

實驗表明，通過實時地方基準服務平臺獲取的1990年天津任意直角坐標結果與控制測量成果相比，X方向偏差最大值為0.018 m，均方根誤差為0.009 m，Y方向偏差最大值為0.023 m，均方根誤差為0.010 m，水平方向最大偏差0.029 m，均方根誤差0.008 m，實時地方基準服務平臺能夠滿足實時厘米級1990年天津市任意直角坐標基準服務需求。

4 結束語

本文針對TJCORS滯后的地方基準服務方式存在的問題，設計并實現了一種中間服務器模式的實時地方基準服務模式，在地方坐標轉換參數保密的前提下，幫助用戶獲取實時1990年天津市任意直角坐標成果，為用戶減少作業流程，提高作業效率，為1990年天津市任意直角坐標成果實時獲取和應用提供了一種切實可行的解決方案，可供其他城市CORS管理部門借鑒。基于VRSRelay平臺，筆者通過集成華測i80 RTK主機和iPad平板，研制開發了針對1990年天津市任意直角坐標成果的實時數據采集系統，取得了良好的經濟效益和社會效益。