現有CORS系統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.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.山東省國土測繪院，山東濟南250102)

一、引 言

隨著全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)定位技術的發展，連續運行參考站(continuously operating reference station，CORS)網絡已逐漸成為城市測繪的基礎設施，在廣東、江蘇、江西、河南、河北、浙江、山西、山東等多地得到應用和推廣［1-2］。目前，我國的CORS系統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，這些軟件能夠進行CORS基站數據的綜合處理，為實時測量用戶提供包含虛擬參考站數據的RTCM(radio technical commission for maritime services)電文，實現實時動態(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據庫管理用戶，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無法提供地方坐標和正常高實時測量服務，用戶需要辦理相關手續，通過事后提交測量坐標成果的方式，得到地方坐標和正常高;③異常預警機制不夠完善，缺乏高效的系統完好性手段，系統故障信息難以及時通知管理員，從而導致處理滯后［3-6］。

以山東省為例，為了滿足轄區范圍內的測量定位服務，山東省國土資源廳將地市和行業已建CORS系統納入，于2011年建設完成山東省衛星定位連續運行綜合應用服務系統，實現了覆蓋整個山東省轄區的CORS定位服務。作為管理中心使用的數據處理軟件，TopNet采用虛擬參考站(virtual reference station，VRS)技術為用戶提供定位服務，但在用戶管理、成果保密、實時監控等方面仍存在上文提到的問題［7-8］。為了解決現有CORS系統存在的問題，本文提出了一種在實時測量用戶和CORS系統之間架設一臺三維地方坐標實時測量服務器的解決方案，從而可實現以下目的: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屬性、當前位置、歷史軌跡等信息，為提升監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系的高精度位置信息及各項數據服務，提升作業效率和產品質量;③系統維護管理人員能夠及時獲悉系統完好性狀況，方便快捷地進行用戶管理，提高維護的及時性和準確性。

二、系統總體架構

在傳統的RTK高精度測量中，CORS系統接收實時測量用戶上傳的NMEA數據，采用VRS技術，生成虛擬參考站的觀測數據發送給用戶［9-10］。用戶在移動端進行解算，便能得到CGCS2000三維空間直角坐標。為更好地滿足系統維護管理人員、單位管理人員、實時測量用戶的實際服務管理需求，本文提出在實時測量用戶和CORS系統之間架設一臺三維地方坐標實時測量服務器，如圖1中虛線框所示。

三維地方坐標實時測量服務器包括數據轉發、用戶管理及監控、服務管理數據庫3個模塊。3個模塊之間的相互關系與數據流程如圖2所示。

圖1 CORS系統物理架構

服務管理數據庫采用SQL Server 2008搭建，通過科學合理的角色劃分體系，記錄所有測量過程中的相關信息，從而解決了TopNet基于INI文件進行用戶管理的信息匱乏和安全隱患。數據轉發模塊作為Windows服務，不斷接收實時測量用戶發送的NMEA數據并轉發給TopNet，TopNet根據用戶概略位置生成該處的虛擬觀測值并發送給數據轉發模塊。數據轉發模塊對RTCM電文進行改化后發送給實時測量用戶，從而提供安全高效的RTK三維地方坐標和正常高服務。同時，數據轉發模塊采用虛擬定位算法監測系統的完好性。當系統出現異常時，及時發送短信通知管理員，實現全面的系統完好性預警機制。單位、部門Web用戶通過B/S架構的用戶管理及監控模塊，讀取服務管理數據庫中的用戶測量坐標、上線時間、使用流量等信息，實現用戶的在線軌跡監控和歷史軌跡查詢，并通過對CORS基站數據進行組織管理，實現便捷高效的數據下載申請與基站數據質量分析服務，提供豐富的信息查詢統計功能［11-13］。

圖2 系統數據流程

三、系統功能特色

通過增設三維地方坐標實時測量服務器，可以有效解決用戶管理效率低下、無法提供地方坐標和正常高實時測量服務、異常預警機制不夠完善的三大問題，使服務管理工作更加高效。

1.面向用戶對象的角色劃分體系

根據實際需求，服務管理數據庫將用戶細分為系統管理員、單位管理員、部門管理員、實時測量用戶(見表1)。服務管理數據庫是三維地方坐標實時測量服務器的核心，詳細記錄實時測量用戶的所屬單位和部門、開通時間、服務到期時間等基本信息，以及在某一測量時間段內點的坐標、數量、在線時長、消耗流量等重要信息。

表1 角色劃分體系

系統/單位/部門管理員以瀏覽器的方式登錄服務管理系統的 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實時測量服務器進行測量工作。系統管理員能夠管理用戶、配置系統，具有最高權限。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費，只需要按照規定步驟，通過Web站點提交申請并上傳相關材料的掃描件，待系統管理員審批通過后，將匯款憑證上傳即可，使得實時測量用戶的開通和續費申請的處理流程實現網絡化、本地化，大大提高了服務管理效率。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管理數據庫中的相關屬性。當實時測量用戶進行測量，試圖連入CORS系統時，數據轉發模塊會讀取服務管理數據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實時地方坐標與正常高測量

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

圖3 坐標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置CORS管理中心公布的輔助坐標系到地方坐標系的轉換參數，便能夠實時得到測量點的地方坐標與正常高。

3.系統完好性監測及預警機制

系統完好性監測與預警機制是采用自主提出的虛擬監測站技術實現的。由三維地方坐標實時測量服務器生成多個虛擬監測站點，并向TopNet發送監測站的NMEA數據。TopNet接收到監測站NEMA數據后，以監測站為參考點生成相應的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和衛星觀測值，再對生成的衛星觀測值進行單點定位，根據定位結果與虛擬參考站理論坐標之差來確定系統是否正常工作。如果超過設定的相差，則認為生成的虛擬觀測值存在問題，需要立即向管理員發出警告信息，并對系統的可用性、CORS基站數據質量、基站的健康狀況等進行檢查。

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

四、結束語

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

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