利用新技術打造現代化測繪公共服務平臺——Trimble VRS解決方案助力甘肅省衛星定位連續運行基準站網建設

牟應錄，周 星，張世同

(1.甘肅省測繪地理信息局，甘肅 蘭州730099;2.甘肅省測繪工程院，甘肅蘭州730050;3.北京天拓斯特科技有限公司，北京100084)

一、引 言

依照甘肅省人民政府提出的“十二五”測繪地理信息科技發展目標，甘肅省測繪地理信息局將建立現代化測繪基準體系作為“十二五”規劃重點目標。甘肅省亟待建立以CORS為基礎設施的現代測繪基準體系，以滿足“一張網、一個庫、一個平臺”的現代化測繪需求。

此次GSCORS建設項目要求從更高的層次、更廣的視野來謀劃全省測繪地理信息事業的發展，要用新的思路、新的舉措來實踐發展目標。按照“構建數字中國、監測地理國情、發展壯大產業、建設測繪強國”的總體戰略，加強基礎測繪、強化統一監管、推進成果應用、服務經濟社會，通過項目實施，全面推動甘肅省的測繪地理信息工作再上新臺階。

GSCORS建設要在國家現代測繪基準體系建設框架上，按照統一規劃和標準，在全省范圍內統籌建設由120個基準站點組成的衛星定位連續運行基準站網，用以構建高精度、具有動態更新能力的三維空間基準。

GSCORS建成后，可以通過無線數據通信網絡實時自動發布衛星定位觀測數據，幫助用戶隨時隨地精確測定大地坐標，可為“數字甘肅”提供統一、連續、可靠、高精度的空間地理信息基礎框架。

結合目前甘肅省的建設需要，全面建成的GSCORS可應用于以下幾方面:

1)加快國土資源調查與管理、基礎測繪工作步伐。由于甘肅省整體經濟落后，國土面積大，1∶10 000的基礎測繪尚未能全省覆蓋，GSCORS的建立將推進基礎測繪的進程。

2)簡化農村集體土地確權登記發證、農村土地承包經營權確權登記等工作。由于該工作點多面廣、工作量大，若采用傳統的地籍測量調查方法，其原始、低效的缺點將嚴重影響工作效率。GSCORS的建立不僅能為該工作提供長期、連續、可靠的定位基準服務，而且能提高變更調查與遙感監測的質量和效率。

3)推動找礦突破戰略工作。甘肅省目前確定了重點探礦區“三帶一盆”(北山、祁連山、西秦嶺成礦帶和隴東盆地)，使用該系統，解決了之前由于測繪基準體系相對不完善所導致的問題，方便了重點探礦區的基礎測繪工作。

4)滿足防災減災的需要。依靠GSCORS成功地構建了一個長期、連續、可靠的災害監測系統，從而實現了極端天氣的快速預報，為預防緊急降雨造成的地質災害提供了決策數據依據，同時監測預報構造斷裂帶活動，以及大型工程和地表構造的變形。

5)滿足其他領域應用需求。城市管理:實時、連續、長期的定位導航網絡系統是數字城市地理空間框架的重要支撐;氣象應用:為氣象服務提供各種氣象參數，用于氣象預報、全省環境監測;交通運輸管理:基于位置的導航服務、車輛定位及管理;以及地震、水利、農林等。

GSCORS項目大大改變了甘肅省測繪地理信息工作的服務模式，也大幅提升了測繪地理信息的服務保障能力。

二、關鍵技術

為保障項目的順利實施，GSCORS采用了Trimble的NetR9基準站接收機、扼流圈天線、平臺管理軟件Pivot及一系列先進技術。

1.軟件的電離層建模及長基線解算技術

甘肅省面積廣闊、形狀狹長且不規則，東西長1659 km，南北寬530 km，最窄處僅25 km，為基準站的布設帶來了很大的困難。盡管進行了多次的網形優化，在最后的方案中仍然有26.96%的基線超過70 km(如圖1所示)，最大邊長甚至達到180 km，如此多的長基線邊對中心軟件的整網解算、電離層建模及長基線解算能力都提出了非常高的要求。

圖1 基準站相鄰基線長度分布統計

Trimble Pivot采用了Trimble最新研發的電離層模型，該模型不僅能夠根據地域、邊長、電離層活躍情況等自動調整參數，而且考慮了多項高階項改正，包括DCB(差分碼偏差)改正，使得建模更加精確。此外，Trimble公司還在全球建立了110個跟蹤站用于每天解算DCB文件，專門提供給Pivot的用戶使用，從而很好地解決了在長邊區域電離層誤差很難精確建模，以及在距離基站較遠的區域流動站可能無法初始化或精度較差的難題。

從后面的系統測試結果也可以看出，即使在長基線眾多的區域，系統仍然可以得到優于2 cm的網絡RTK定位精度。

2.軟件的對流層建模技術

甘肅海拔大多在1000 m以上，高低最大落差超過4000 m，境內地勢起伏、山嶺連綿、江河奔流，地形相當復雜。

在所有120個基準站中，海拔最高的瑪曲站為3562 m，海拔最低的涇川站為997 m，高低落差超過2500 m。如此大的落差，隨之而來的就是溫度、氣壓、濕度等氣象參數的急劇變化，尤其在甘肅復雜的地形下，某些局部區域的對流層變化有時非常劇烈，這就對軟件的對流層建模能力提出了挑戰。

但通過使用Trimble Pivot，這些問題都得到了很好的解決。在高海拔落差區域建網方面，Trimble積累了豐富的技術和成功經驗，如瑞士國家CORS、四川省CORS，其中瑞士網最高最低站落差甚至超過甘肅省。Trimble最新研發的對流程模型具有動態自適應的特點，即軟件能夠自動根據地域、海拔、大氣環境動態調整模型參數，即使在對流層發生劇烈變化時，仍然能獲得精確的對流層建模。

3.高精度的基準站位移監控技術

甘肅省位于強烈隆起的青藏高原東北部及其地殼厚度變異帶上，橫跨中國大陸東部地臺與西部地槽區的交接帶，境內地形和地質構造極其復雜，新構造活動強烈。經年累月，這些地質活動必然引起基準站的緩慢位移，尤其甘肅還是我國地震活躍地區之一，一些地震也會導致周邊的突然劇烈位移。

為保障甘肅三維空間基準的精度及可靠性，這些基準站位移必須及時修正。根據一些專家建議，半年或1年應重新解算一次基準站坐標，但一般很難做到。倘若某個基準站突然發生了較大位移，即使通過半年或1年解算一次的方式，也不能及時發現問題。

GSCORS使用Pivot的高精度位移監控技術很好地解決了這一難題。該技術不僅解算精度高，可以達到毫米級，而且能夠實現實時處理，從而可以在第一時間發現有位移的站點，并進行糾正，避免空間基準的扭曲及外業RTK精度受到影響。

4.虛擬化平臺技術

使用單一物理服務器模式進行系統部署，具有硬件、運營和維護成本高，系統可用性低、系統維護、升級或擴容時需要暫停系統，存在可管理性缺乏、兼容性差等問題。為了更好地解決傳統單一物理服務器部署應用方式所造成的弊端，GSCORS建設項目使用VMware虛擬架構軟件的服務器虛擬架構整合解決方案。

在GSCORS中，配置了1個IBM刀片服務器機箱，在機箱內配置了8臺IBM刀片服務器、2臺SUN交換機、1臺IBM磁盤陣列，每臺服務器上都安裝配置了VMware—vSphere企業版虛擬化平臺軟件，用于在單個物理服務器實體上生成多個虛擬服務器。每一個虛擬服務器，從功能、性能和操作方式上等同于傳統的單臺物理服務器。同時系統采用SAN集中存儲方式，可以將每個虛擬機的文件系統創建在共享的SAN集中存儲陣列上，VMware VMFS虛擬機文件系統，是一種高性能的群集文件系統，允許多個ESX Server同時訪問同一虛擬機存儲，從而消除了單點故障。

GSCORS系統中布設7臺虛擬服務器和1臺獨立的物理服務器，并實現Trimble Pivot各功能模塊在不同的虛擬機中的冗余備份，獨立的服務器位于DMZ區中，用作對外服務的服務器，具體架構如圖2所示。

圖2 GSCORS中Pivot軟件虛擬化服務架構

目前系統部署的虛擬機創建不多，隨著后期的應用擴展，需要在該系統中布設更多的擴展應用，從而需要更多的虛擬機，如GAMIT解算服務、TBC解算服務器，以及Pivot的其他擴展應用(如氣象應用)，該系統將成為一個綜合型的應用系統。

5.智能數據備份技術

為確保GSCORS核心數據的安全存儲，系統采用備份系統技術，實現如下功能:

1)實現對GSCORS應用數據、文件及虛擬機系統的全面保護。

2)對所有數據資料建立備份，實現集中多版本管理。

3)當系統中的某一虛擬機發生故障崩潰后能恢復至正常狀態。

4)有效防范由于操作人員誤操作、硬件損壞、病毒感染、計算機被盜等情況帶來的數據損失，當發生數據丟失時能迅速恢復資料，不影響正常工作，提升工作效率。

為實現以上需求，GSCORS采用CofioAIMstor備份軟件，該軟件安裝在一臺IBM服務器上，備份數據采用DFT存儲設備，存儲空間應用RAID5技術作數據冗余，可用數據備份空間大概23 TB。

通過備份系統的搭建，可對系統中的多臺服務器的數據進行維護管理，可采用多種方式(數據備份、數據復制、數據遷移等)、多種策略(完全備份、CDP、快照、定時備份、實時備份)的組合進行策略定制，從而實現自動化的備份管理。實現對所有數據的定期備份，保證數據在員工誤操作、硬件損壞、病毒感染等情況下不丟失且能夠快速恢復;對操作系統和應用進行裸虛擬機備份和恢復，保證各個服務器在故障或宕機情況下，業務在不間斷情況下得到接管，保證系統的持續工作。

三、測試及應用

Trimble的技術和產品特性滿足了項目施工要求，在構建GSCORS中發揮了不可或缺的作用，也保證了系統建設工作保質保量的完成。一次性安裝調試工作共由5個作業小組承擔，全部站點安裝調試工作于一個月內如期完成。目前已通過系統測試和各階段的項目驗收，全省RTK定位測試了150個點，平面精度1～2 cm，大地高精度2～3 cm。驗收結果統計如表1、圖3、圖4所示。

表1 驗收結果統計表 cm

圖3 平面精度與最近基準站的距離關系圖

測試數據表明，系統整網精度高，且具有一致性，定位精度與基準站距離沒有顯著關系。

圖4 大地高精度與最近基準站的距離關系圖

四、應用開發

為了更好地應用GSCORS、更好地管理和服務系統用戶，在現有的基礎上開發了GSCORS管理服務平臺(如圖5所示)，該平臺具有如下功能:

1)將天地圖電子地圖數據，境界矢量數據，流動站、基準站位置等數據分圖層疊加顯示，直觀展示系統整體運行狀況。

2)實時監控基準站的運行狀態，分市(州)統計基準站故障數量，在地圖中區別顯示故障基準站。同時統計基準站所有的故障信息，以圖表的方式顯示故障分布，方便分析系統故障的主要原因，為改進硬件系統提供數據支撐。

3)實時監控流動站位置和定位狀態、在線用戶數量，同時可以分地區、分行業展示實時在線用戶分布情況，并對流動站的定位狀態進行統計。

4)可以對流動站用戶的歷史軌跡進行回放，支持流動站作業區域限制。

5)流動站用戶分行業、分單位進行錄入和顯示，便于流動站用戶的規范化、精細化管理。

6)每天定時分析系統存儲的RINEX數據的完好性、多路徑效應等信息，并以圖形化方式展示，便于分析基準站周邊環境狀態。

五、結束語

圖5 GSCORS管理服務平臺界面

該項目在甘肅省建立了一個與國家空間坐標基準框架相統一、無縫、三維、動態的區域基準框架，先進的技術方案解決了狹長區域布網及高差大對高精度實時定位的影響;項目實施過程真正實現了科學管理、科學建設。同時，結合似大地水準面模型等研究成果，建立了高精度導航定位服務平臺，通過多種現代通信手段在全省范圍內提供多種精度、多種模式的導航定位服務，還實現了事后精密定位服務功能。該系統不僅可以向用戶提供實時動態厘米級定位服務，還可以為氣象等部門提供原始觀測數據，拓展GNSS氣象學應用研究。從技術方面而言，保證了與內蒙古、新疆、青海、四川、寧夏、陜西等系統的聯網，為西北大區域聯網打下了基礎。

從國家現代測繪基準體系建設來看，Trimble幫助甘肅省構建了現代化測繪基準體系，很好地滿足了“整合資源、共建共享、全面布網、技術先進、科學管理”的要求，即:首先，整合了中國大陸構造環境監測網絡、國家現代測繪基準體系基礎設施、部分市州系統的現有資源;其次，聯合省國土、氣象、地震等多個部門，充分發揮各自優勢，通過合作建設實現數據資源共享;最后，除了全省統一布網，各市、縣和州還可根據自身需求加密站點，從而建成一個權威的、統一面向社會的空間定位信息綜合服務平臺。