宜昌市CORS運維與保密升級改造關鍵技術研究

盧立，孔建

(1.宜昌市土地勘測規劃院，湖北 宜昌 443000； 2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

隨著我國衛星導航定位系統的不斷發展，并逐步開始向民用用戶提供衛星導航服務，利用多基站網絡RTK技術建立的連續運行(衛星定位服務)參考站(Continuously Operating Reference Station，CORS)已成為城市GNSS應用的發展熱點之一[1，2]。宜昌市CORS系統作為構建宜昌現代測繪基準體系的重要組成部分之一，不僅是維持宜昌測繪基準框架的重要參考，也為城市發展建設提供實時、高精度的基于各坐標系統的控制點[3]。宜昌市作為中部地區非省會首位沖刺創新型城市，有必要進一步挖掘區域CORS的潛在價值，建立區域高精度動態參考框架，以更新我國CGCS2000框架和探索多種星基定位系統融合方式服務。

目前宜昌市CORS系統已向多個政府部門和區內外多家測繪資質單位提供無償服務。作為宜昌市基礎測繪成果，宜昌市CORS的系統信息可以為主管領導、系統管理員提供管理依據，也可以為系統用戶在測繪作業碰上問題時提供作業依據[4]。但這些信息分散，缺少指導用戶測繪作業的輔助信息。此外，宜昌市CORS現有保密系統與同期的其他省級CORS系統一樣具有一定的保密安全功能[5]，但未達到國家要求。

以上問題在不同程度上影響了系統用戶對CORS系統的應用體驗。為彌補現有CORS處理軟件的不足，完善宜昌市CORS系統的服務功能。本文在宜昌市CORS系統的基礎上，利用軟件開發、網絡，數據庫技術，開發具有開放結構、易擴充、易維護、具有良好交互界面的“一站式”位置服務系統。該系統具備對系統軟、硬件以及宜昌市空間環境的監控與管理的功能。系統通過對重要信息分析和提取，以用多種信息交互方式向系統用戶發布，從而達到提升系統用戶的管理和作業效率，輔助提高系統用戶的問題處理能力。

2 研究區域概況

宜昌市位于湖北省西南部[5]，地處長江上游與中游的結合部、鄂西武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過渡地帶，“上控巴蜀，下引荊襄”(如圖1所示)。地跨東經110°15′～112°04′、北緯29°56′～31°34′之間，東西最大橫距 174.08 km，南北最大縱距 180.6 km。東鄰荊州市和荊門市，南抵湖南省石門縣，西接恩施土家族苗族自治州，北靠神農架林區和襄陽市。總面積 21 227 km2。宜昌位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，四季分明。多年平均降水量 1 215.6 mm。平均氣溫16.9℃，極端最高溫度41.4℃，極端最低溫度-9.8℃，年平均日照時數 1 538 h～1 883 h，日照率40%。

圖1 宜昌市行政區劃與CORS站點分布圖

3 宜昌市CORS運維服務系統

3.1 CORS基本結構

宜昌市CORS系統的物理結構主要由基準站網、數控中心、用戶數據播發三部分構成(如圖2所示)。基準站的數據通過專線網絡匯集至市數據中心，形成全市統一的基準站數據傳輸網絡；數控中心的核心單元是數據處理與控制中心，控制中心子系統建立在高速局域網(100M/1000M)的互聯網上。系統的網絡協議采用TCP/IP，網絡管理協議選擇SNMP，網絡中的服務器操作系統采用Windows 2008 R2。整個數據處理與控制中心子系統由服務器、網絡設備等組成。主要負責各基準站GNSS衛星定位數據分析、處理、計算、存儲；用戶數據播發是項目系統建設的重要內容，實現用戶管理和差分改正數的播發、產品下載、用戶受控等功能；流動站用戶在作業時將其概略位置上傳到數據中心，數據中心將差分改正數發送至用戶[6，7]。

圖2 系統總體結構圖

3.2 基本功能升級

本文從用戶管理、系統監測及預警、系統配置、系統管理與其他功能等5方面進行升級。圖3所示為管理員登錄后的界面。用戶管理在原有用戶管理功能的基礎上實現3大類用戶角色的管理和細分，分別是采集處理角色；監督管理角色；系統運維角色。通過用戶分級管理，權限嚴格區分實現系統的高效運維[8]。系統監測、預警是實現系統完好性監測，實時獲取系統運行的狀況，并及時以短信、郵件等多種形式預警管理員和相應的用戶應對和處理。在系統配置方面，升級系統在原保證原運維系統配置穩定運行的基礎上，新增設計兩個功能：基站信息管理功能，查詢、新增、修改、刪除基站基本信息；自身系統平臺配置、CORS基礎平臺配置等功能。系統管理方面，增加數據庫中信息的讀寫、統計查詢，實現用戶繳費記錄查詢、系統查詢統計功能；升級系統增加系統數據安全備份功能，實時備份CORS運維數據，以免系統崩潰發生數據丟失的情況。另外，還采用程序合理控制數據庫連接，節省服務器資源，在正常的30個并發用戶網絡環境下，能保證系統的及時響應；對于實時用戶位置進行監控。

圖3 管理員登錄后的界面

3.3 監控功能與數據處理升級

(1)監控功能

本系統監控模塊包括CORS基準站監控，平臺監控，CORS系統監控，CORS網絡監控，CORS數據監控。基準站監控對于CORS系統的運行狀態、系統用戶實時在線狀態等信息進行實時跟蹤和顯示；平臺監控對于平臺當前的登陸、在線人數，平臺應用狀態等信息進行實時跟蹤和檢測；CORS系統監控對于CORS系統的運行狀態、系統用戶實時在線狀態等信息進行實時更新和顯示；CORS網絡監控對CORS基準站網絡、CORS服務端口等狀態信息進行實時監控和顯示；CORS數據監控可對CORS站原始觀測數據及站點Rinex數據的完整性進行實時監測和顯示。

(2)數據處理與CORS定位服務升級

本系統提供坐標轉換功能，用戶可以管理和設定不同坐標系之間的轉換參數，實時獲取三維坐標轉換功能，能夠實現平面、高程坐標轉換服務。此外，宜昌基準框架由宜昌市CORS網維持，但是由于宜昌市CORS站直接固定，如果由于地震、滑坡、地面沉降等非線性運動導致CORS站坐標發生變化超過一定限度，而又不及時更新，會直接導致基站誤差轉移到RTK測量用戶。因此，有必要搭建宜昌市框架基準動態監測系統，系統可以每日定時自動解算宜昌市CORS網單日解，監測每日基線變化量。單日解可以逐日累積，為建立宜昌市動態框架與速度場提供單日解；此外，實時監測宜昌市CORS站變動情況，當變化超出閾值，及時通知管理人員和技術人員及時更新CORS站坐標。以CORS基準站數據作為測繪基礎框架基礎數據，每日定時自動開展宜昌區域坐標系統的動態解算工作。該功能應能自動完成CORS系統整網基線的解算，并得到CORS網中所有站精確的坐標變化值，當坐標變化超限，可向管理人員和技術人員發出警示，實現對CORS系統基礎坐標框架的動態維護。本系統還加入CORS定位服務模塊，提供CORS改正差分信號輸出的功能。用戶通過接入系統，可獲取RTCM2.3、RTCM3.X、CMR+等CORS改正差分信號，從而得到平面精度 ≤±3 cm，高程精度 ≤±5 cm(山區 ≤8 cm)測量成果。

4 系統安全改造升級

4.1 基準站數據輸入端安全改造

基準站數據輸入端(如圖4所示)安全升級改造主要包括以下三部分：①在基準站專網和涉密計算內網之間(數據輸入端)部署單向光閘設備和基準站數據格式規約軟件，對實時觀測數據流進行規約和審計，實現基準站觀測數據流規則化，將基準站合規數據流、文件等單向傳輸至涉密計算內網，用于后續的數據處理；②對于涉密計算數據處理需要的精密星歷和DCB文件等資料，通過互聯網下載后經防火墻傳輸至數據導入前置機；③數據解算所需精密星歷、DCB文件等亦通過基準站專網和涉密計算內網間的單向光閘導入至涉密計算內網進行數據處理。

圖4 輸入端架構圖

4.2 涉密計算機內網安全改造

在涉密計算機內網和數據播發交換子網(產品播發輸出端)之間部署數據產品內容審計軟件和單向光閘設備(圖5)。基準站觀測數據在涉密計算網進行數據處理后，產出格網化差分改正數，經內容審計軟件審核后，發送至數據播發交換子網和數據播發服務子網，實現非涉密合規數據產品單向導出到非涉密網。

圖5 內網安全改造架構圖

4.3 差分改正數輸出端安全改造

數據播發交換子網負責對數據產品再次審核并去除內容審計軟件植入的軟件標簽，數據播發服務子網負責用戶交互服務，數據播發交換子網和數據播發服務子網之間通過防火墻進行安全保護，如圖6所示。

圖6 輸出端改造架構圖

4.4 數據播發服務子網安全改造

數據播發服務子網設置產品播發服務器，安裝專業軟件實現用戶管理和差分改正數的播發等功能；流動站用戶作業保持原有交互模式不變，即在作業時將其概略位置上傳到數據中心，數據中心將差分改正數發送至用戶。

最終改造完成的數據中心節點主要由基準站專網、涉密計算內網、數據播發交換子網、數據播發服務子網等組成，以滿足安全改造相關要求。

5 結果驗證

5.1 系統平臺測試

宜昌市CORS運維、保密升級改造系統由武漢大學為宜昌市測繪大隊開發，已部署測繪大隊服務器上，并正常運行。本文主要從如下方面進行測試：登錄驗證及修改密碼：用戶輸入正確的用戶名和密碼后能夠登錄系統，進入到系統的主頁，并且可以修改自己的密碼；播發服務管理：該部分管理播發的改正信息源，用于RTK用戶實時作業；實時作業用戶列表：該部分可以用來查看當前在線作業用戶，同時也可以對用戶進行斷開操作；添加與刪除用戶信息：該功能可以實現用戶單位的添加與刪除功能，完成用戶管理的基本操作；坐標權限分配功能：該功能可實現用戶坐標權限的分配，是具有坐標權限的用戶才能進行測量作業；系統日志：管理員和用戶的所有行為都會生成日志保存；數據下載：提供基站數據下載和星歷下載功能。該系統平臺已經實現了宜昌市CORS系統管理、用戶管理、系統日志、數據下載等功能。

5.2 RTK定位精度驗證

為了對升級改造后的系統性能進行測試，本文依據GB/T 18314-2009《全球定位系統(GPS)測量規范》標準，選取覆蓋宜昌市區及其周邊范圍的若干B級GPS大地控制點和隨機點作為測試點。其中，B級GPS大地控制點在現有的B級成果點里面進行挑選；隨機點隨機分布在各B級GPS大地控制點之間。

將原始測量數據初步整理后進行內業數據處理及分析，為了便于和現有的B級GPS大地控制點坐標(西安80坐標)進行比較，將所有測試點得到的CGCS2000平面坐標轉化為西安80坐標，高程系統為85國家高程基準。對B級GPS大地控制點處理策略是將兩套系統下平面和高程方向的測量值與真值(或靜態后處理結果)進行比較并評價測量結果的精度；對隨機點則是將南方系統的測量值作為參考值，對比兩套系統下平面和高程方向的測量值并統計其差異。本文主要以內外符合精度作為精度評價指標。

在宜昌市區及其周邊范圍內選取10個C級GPS點作為測試點。分別計算武漢大學和“千尋知寸”兩套系統下各C級GPS點平面和高程方向的測量值與真值的絕對偏差(外附合精度)，并統計兩套系統所有B級GPS點平面和高程方向的測量值與真值的絕對偏差的最小值、最大值與平均值，得到表1所示結果。從表中可以看出，安全改造升級后的系統平面外附合精度基本在 2 cm以內，高程方向外附合精度基本在 3 cm以內，其定位精度滿足設計要求。

C級GPS點絕對偏差統計表 表1

在相鄰的兩個C級GPS點之間選取隨機點作為測試點，得到共20個隨機點，點號為：S001-S020。以南方系統(宜昌市測繪大隊現有CORS系統)測量值作為參考值，計算武漢大學系統下各隨機點平面和高程方向的測量值與南方系統測量值的各測回差值，統計所有隨機點在兩套系統下平面測量值的絕對偏差的最小值、最大值與平均值，得到表2所示結果：

隨機點絕對偏差統計表 表2

對所有的測試點(10個C級GPS點+20個隨機點)，統計各測試點在安全升級改造系統下平面和高程方向的測量值與同一測點3個測回測量值均值的絕對偏差(內附合精度)，統計各測試點在安全升級改造系統下的測量值與同一測點3個測回均值的絕對偏差的最小值、最大值與平均值，得到表3所示結果，所有測試點平面內符合精度均在 2 cm以內，高程方向的內符合精度在 5 cm以內，表明安全改造升級后的系統定位可靠性和穩定性高，滿足設計要求。

內符合精度統計表 表3

6 結 論

宜昌市CORS運維與保密升級改造從系統安全升級、系統平臺開發、系統定位精度以及系統數據安全性等多方面進行，涉及軟件設計與開發、網絡通信、信息安全、衛星定位、數據庫等多項技術應用。本系統通過加載保密技術處理軟硬件的方式，對現有“定位服務系統”的數據中心、基準站網、通信網絡和服務子系統等進行安全升級改造，加強基準站網觀測數據、基準站網坐標等涉密數據防護，系統在保證國家地理信息安全的基礎上可提供穩定的高精度位置服務，能達到國家測繪地理信息局的要求。

經過系統建設，宜昌市CORS運維、保密升級改造項目已建設完成并投入試運行。通過對系統平臺各項功能及系統RTK實時定位精度的測試，系統各項技術指標均已到達了設計要求，測試結論如下：

(1)該系統平臺已經實現了宜昌市CORS運維、保密升級改造項目技術設計方案中系統管理、用戶管理、系統日志、數據下載等模塊的具體功能。系統功能全面，各項功能均能正常使用，綜合考慮了各種異常情況并給出了解決方案，系統穩定性高，出錯率低。

(2)RTK實時定位精度測試共完成30個點的野外觀測工作，共獲得270組測量成果。通過分析實測數據的內、外符合精度，結果表明安全改造升級后的系統定位精度與原系統相當，系統定位的正確性、可靠性及兼容性高，滿足設計要求。