區域CORS數據自動化處理系統建設

劉智敏,竇世標,熊衛東,李斐,郭金運,張海平

(1.山東科技大學 測繪學院,青島 266590;2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室,青島 266590;3.青島經濟技術開發區規劃測繪事務所,青島 266555;4.山東省國土測繪院,濟南 250102)

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區域CORS數據自動化處理系統建設

劉智敏1,2,竇世標1,熊衛東3,李斐1,郭金運1,張海平4

(1.山東科技大學 測繪學院,青島 266590;2.海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室,青島 266590;3.青島經濟技術開發區規劃測繪事務所,青島 266555;4.山東省國土測繪院,濟南 250102)

目前區域CORS已進入全面應用階段,由于其數據量大,以人工管理方式尚難以實現參考站的實時監測運行狀態、有效科學的數據自動化管理和可靠的高精度數據處理結果解算。因此本文提出了基于GAMIT/GLOBK與Bernese軟件的區域CORS數據自動化處理系統,設計了系統總體結構和功能設計。基于山東CORS近三年的數據,區域CORS數據自動化處理系統的建設實現了IGS數據的自動下載、CORS站觀測數據的數據信息庫管理和維護、數據預處理與質量檢查、數據自動化解算、成果可視化輸出等功能,算例測試表明，所建設的系統滿足CORS網自動化數據處理的需求。

區域CORS網;數據處理自動化;Bernese5.0;GAMIT10.5

0　引　言

連續運行參考系統(CORS)是集成全球導航定位技術(GNSS)、測繪技術、現代通訊技術、計算機技術等多種技術的實用性分布式的網絡系統,不僅可以為用戶提供動態、連續、高精度的三維定位服務[1],應用于導航、工程測繪、交通管理、精細農業等領域,還可以建立統一、連續的空間坐標基準框架[2]。陳俊勇院士曾多次指出,在未來5～10年內,CORS技術將成為影響測繪新技術革命的重要手段之一。

區域CORS系統是在一定區域內建立多個連續運行參考站,對該地區構成網狀覆蓋,并以這些參考站中的一個或多個為基準,通過計算和播發誤差改正信息,對該地區的衛星定位用戶進行實時改正[3]。在對區域CORS系統中大量的基準站觀測數據的單天解算處理、CORS站及數據的日常管理和維護、區域對流層和電離層改正模型的建立及CORS站長期觀測數據質量的提高中,高精度GPS數據處理軟件顯得尤為重要。而區域CORS系統的觀測數據量大,現存的人工管理的方式尚不能滿足區域CORS系統的數據處理及管理維護,因此建立基于高精度GPS數據處理軟件的CORS站點數據自動化處理系統,對于保證CORS衛星定位運營中心及時分析、檢查數據、獲取數據結果是十分必要的[4]。

目前,瑞士伯爾尼大學天文研究所研制的Bernese軟件和美國麻省理工學院和斯克里普斯海洋研究所聯合開發的GAMIT/GLOBK軟件是國際上公認的高精度處理軟件[5]。GAMIT/GLOBK軟件是基于 UNIX和 LINUX 系統開發的核心模塊,用戶不能在Windows平臺下進行軟件操作;Bernese5.0軟件不僅在UNIX平臺下容易操作,而且在客戶端采用Perl語言,可適用于Windows平臺下。GAMIT/GLOBK軟件和購買后的Bernese軟件的源代碼是開放的,因此,可以通過調用這兩種軟件中部分模塊化的子程序進行源代碼移植及二次開發,建設區域CORS數據自動化處理系統,實現區域CORS數據處理及管理維護的自動化。

國內外很多科研機構及院校對GPS高精度數據處理軟件進行移植使用或者基于軟件進行二次開發。美國著名的斯坦福直線加速器中心(SLAC),利用Shell及ZShell語言,實現了UNIX系統下的基于Bernese4.2軟件的數據自動化下載、處理等;俄羅斯彼得堡的天文應用研究院的Voinov,A.V用Python語言編寫了一個GPS數據自動處理的工具包[3]。在國內,西南交通大學的陳憲東研發了基于GAMIT10.2和Bernese4.2的Windows操作系統下的交大GPS(JDGPS),實現了中文顯示界面、選擇性執行任務、較高處理效率及通用GPS數據處理[4];武漢大學GPS工程研究中心基于Internet技術、數據庫技術以及Bemese5.0軟件,開發出一套基于Internet的GPS數據自動處理系統Auto-Bernese以提供定位服務[5]。

本文提出采用C/S構架建設區域CORS數據自動化處理系統,設計了系統總體結構和功能,并以SDCORS數據為例驗證了該系統的可行性和有效性。

1　系統總體結構

區域CORS數據自動化處理系統平臺總體架構的設計,需要考慮已有的業務系統、網絡平臺和服務器等軟硬件及基礎設施情況[6-8],同時該系統應具有良好的擴展性。整個平臺架構自上而下可分為基礎設施層、數據層、服務層和業務應用層四個層次,如圖1所示。

圖1　系統總體架構圖

基礎設施層是整個系統實現和運行的基礎,主要包括網絡平臺(內網、外網、防火墻等)、硬件平臺(服務器、存儲設備、交換機等)、系統軟件(操作系統、數據庫系統、GPS數據處理系統等)等內容。

數據層包括原始觀測數據庫、過程數據庫和成果數據庫三個部分。其中,原始觀測數據庫記錄了每個CORS站每天的觀測數據文件、下載的精密星歷數據及需要下載的其他各類數據等;過程數據庫記錄了在進行數據解算過程中形成的中間數據,可通過解算過程的數據查看分析數據解算執行情況;成果數據庫記錄了數據解算處理的最終成果,包括基線解算成果、網平差計算成果、區域對流層模型、區域電離層模型、時間序列分析成果等。

服務層是業務應用層的基礎,提供數據庫訪問接口、數據預處理接口、數據質量檢查接口、數據解算接口、成果可視化接口、成果報告輸出接口等區域CORS解算系統的應用服務。

業務應用層是基于區域CORS解算系統的需求,在軟硬件和各底層所提供的接口支持的基礎上開發形成的一套完整的應用系統,實現了CORS站觀測數據的自動化解算處理及數據解算成果的可視化輸出。

2　系統功能設計

根據系統運行環境、區域CORS解算的業務需求以及用戶分布等情況,區域CORS數據處理系統可劃分為數據庫管理、數據預處理、數據解算處理、星歷數據下載、數據可視化輸出、數據自動解算服務6個子系統。系統總體功能結構如圖2所示。

2.1數據庫管理子系統

數據庫管理子系統用于對觀測數據庫、計算過程數據庫、成果數據庫的管理和維護,主要包括觀測數據管理、CORS站點信息管理、計算過程數據管理、成果數據管理、數據查詢、統計分析、數據解算配置參數管理、數據導出、用戶管理、權限管理等基本功能。

2.2數據預處理子系統

數據預處理子系統是對CORS站每天的觀測數據進行質量檢查和數據預處理,為后續的數據解算服務提供規格化的數據以確保其正常運行。

數據質量檢查主要是檢查每天的CORS站點數據的缺失情況,包括某個CORS站全天無觀測數據或部分時段無觀測數據。該功能是通過teqc.exe軟件來實現的,利用teqc.exe確定某個CORS站某天觀測數據是否存在質量問題,如果某個CORS站某天原始觀測數據存在質量問題,在數據管理平臺界面的地圖控件中該站點將閃爍,用戶可點擊查看相應的錯誤信息。

圖2　系統總體功能結構圖

數據預處理主要是完成觀測數據文件頭的修正及數據文件的重采樣處理。各CORS站所提交的原始數據的文件頭中的GPS接收機天線信息和系統數據庫中記錄的對應的CORS站使用的天線信息存在不一致的情況,此外各CORS站接收機接收衛星信號的時間間隔不統一,這些問題都會影響后續的GPS數據解算結果,因此在解算前,需要對觀測數據文件頭進行自動修正,確保觀測數據文件頭和數據庫中記錄的相應的CORS站的信息一致,同時按照指定的時間間隔對各CORS站觀測數據進行重采樣,生成統一采樣間隔的觀測數據文件,用于后續的數據處理。

2.3數據解算處理子系統

數據解算處理子系統是對CORS站每天的觀測數據進行基線解算、網平差、對流層建模、電離層建模等整個過程的處理。

為了對GAMIT/GLOKB和Bernese的高精度解算結果進行對比,本系統擬采用這兩種軟件分別對區域CORS網的日常觀測數據進行基線解算、網平差以及后續的對流層和電離層建模等相關處理。在分析了GAMIT、Bernese的功能模塊和GPS觀測數據處理具體工作流程的基礎上,編制了相應的數據解算腳本[9]。數據解算處理子系統通過調用這兩種軟件的處理腳本,分別解算每天的CORS站觀測數據,并實現解算結果自動入庫。用戶通過數據管理子系統的相應功能可以對解算結果進行對比分析,對某天解算結果誤差較大的CORS站點輸出警報信息,用戶可以通過警報信息及時了解各CORS站觀測數據的質量情況。

2.4星歷數據下載子系統

利用GAMIT和Bernese進行數據解算處理時,需要精密星歷數據及部分IGS站的觀測數據,而這部分數據每天均有更新[10],因此,在進行數據解算前要下載對應日期的相關數據。

數據自動下載服務是用于提供對上述數據的下載服務的程序,該程序運行于下載服務器上,每天定時從指定的數據服務器上下載所需要的數據。為保證數據的正確下載,確保計算數據不缺失,每天下載均生成相應的日志,對下載失敗的數據,在后續一定時間會重新下載,如果遇到從外部服務器連續多天無法下載的情況,系統將輸出警報信息,要求管理員及時檢查無法下載的原因。

2.5數據可視化輸出子系統

數據可視化主要實現每天觀測數據處理結果的可視化輸出,查看每天各CORS站點數據處理的質量情況,主要包括數據質量、電離層和對流層模型、速度場等可視化功能。

2.6數據自動解算服務流程與功能實現

由于區域CORS網中各CORS站點是全天候不間斷地接受GPS衛星信號,因此每天都會生成一組觀測數據。實現CORS網數據的自動解算服務,能有效提高對CORS網觀測數據的處理效率[11-14],自動化處理流程如圖3所示。

圖3　數據自動解算流程圖

管理員將各CORS站每天所提交的觀測數據整理好后,按要求拷貝到數據自動解算服務器所指定的目錄下,解算服務每天定時掃描相應目錄的變化情況,如果掃描到新的文件,則進行數據預檢,檢查數據是否完整、數據格式是否正確等,預檢符合要求的觀測數據自動入庫;數據入庫后,進行數據預處理,生成后續解算處理所用的觀測數據;然后進行數據的質量檢查,生成質量檢查報告;最后進行數據的基線解算、網平差處理、生成電離層模型、對流層模型,并把相關結果輸出到成果庫中。至此完成了數據的自動解算處理,通過監控平臺可以生成數據解算報告及各種成果可視化圖件。

考慮到解算過程中所需要的精密星歷數據以及所用的IGS站觀測數據文件的更新時間問題,自動解算流程中的基線解算節點及后續的流程則是要延遲一定天數后才會自動啟動,啟動條件是對應日期的精密星歷和參與計算的IGS站的觀測數據文件已經下載入庫[14]。

3　系統實現與算例測試

3.1系統實現

根據系統設計,結合山東省連續運行衛星定位服務系統(SDCORS),研發了SDCORS數據自動化處理系統。該系統的結構是基于Intranet/Internet 技術,采用通用數據庫技術MySQL,以客戶端/服務器(C/S)的構架方式進行設計開發,實現數據自動解算等服務。當用戶提交任務后,調用后臺GAMIT和Bernese等GNSS處理軟件進行相應的數據處理,實現區域CORS數據的自動化處理。該系統的自動下載和自動解算工具,需在服務器端連續運行[15]。自動下載工具的界面如圖4所示,可以實現每天定時下載用戶指定天數的數據,并將下載后的數據自動保存到文件夾中,供用戶調用;然后通過自動解算工具將數據入庫、數據預處理、基線解算、網平差等幾個數據處理步驟整合,自動完成解算任務。具有開放性、易操作性、界面友好性、可靠性和安全性等特點。

該系統輸入用戶名和密碼即可登錄進入主界面,如圖5所示,實現數據管理、數據預處理、基線解算和網平差、可視化結果查看等功能。

3.2自動化處理算例測試

為了驗證SDCORS數據自動化處理及分析系統的可行性及有效性,以山東省CORS 2015年1月1日-3日全天的采樣間隔為30 s 的CORS數據進行測試分析。利用自動下載工具下載IGS文件和解算準備文件,再利用自動解算工具即可實現SDCORS數據自動化解算,在系統中即可查詢解算結果,表1示出了SDCORS部分站點GAMIT/GLOBK和Bernese網平差單天解的結果比對信息。

圖4　自動下載窗體

圖5　SDCORS數據自動化處理及分析系統登錄主界面

圖6　2015年1月1日SDCORS部分站點網平差結果對比圖

測站ΔX/mΔY/mΔZ/mANQI-0.00790.01320.0082BOSH-0.01040.01470.0105CAOX-0.01080.01440.0103CHLE-0.01040.01510.0111CHQI-0.00930.01110.0082CJRS-0.00860.01090.0085DEZH-0.01240.01690.0126DOMI-0.01330.01840.0129FEIX-0.00970.01220.0088GAOM-0.00990.01710.0088GQML-0.00940.0130.0083GQZD-0.00720.0070.0051GURA-0.00980.01270.0099GUXI-0.01010.01260.0087HDAO-0.0090.01380.0104HEKO-0.0080.01070.0079HEZE-0.01250.01760.0127HSYA-0.0120.0180.0132HUTA-0.00950.01440.0084JDMO-0.00360.00510.0018JINI-0.00990.01190.0075JIUL-0.00920.01190.0094JNAN-0.01030.01430.0113MAX-0.00360.01840.0132MIN-0.01330.00510.0018MEAN-0.00970.01330.0093STD0.0020.00320.0025

該系統分別調用GAMIT/GLOBK和Bernese對2015年1月1日-1月3日SDCORS部分站點數據進行解算,查看如圖6所示的1月1日的網平差,明顯看出,兩者得到的三維方向上的最終坐標結果差值在0.02 m內;三維方向上的結果都存在一定的系統誤差,這是由兩種軟件在數據處理過程中選用的模型及參數的設置造成的。該系統的解算結果滿足了省級CORS在ITRF 地心參考框架中小于0.05 m的精度要求[16],從而證明了SDCORS數據自動化處理及分析系統解算結果的可行性和可靠性。

3.3可視化算例測試

SDCORS數據自動化處理系統不僅可以解算SDCORS全部站點的坐標,而且可以實現應用分析的自動化處理。利用小波分析理論,實現周期性分析,可用于因環境、地質等外部因素導致的CORS站點的變化分析;通過對站點的坐標時間序列進行譜分析,實現坐標序列的可視化,從而可以對坐標框架進行維護,建立區域動態參考框架模型;利用解算得到的電離層和對流層改正文件,可以實現區域電離層模型和區域對流層模型的可視化,進一步對山東省空間電離層、對流層的變化做分析,探究其時域特性與空域特性。圖7、8分別為該系統生成的電離層和對流層可視化成圖。

圖7　電離層可視化

圖8　對流層可視化

4　結束語

本文采用C/S構架建立基于GAMIT/GLOBK與Bernese軟件的原型系統——區域CORS數據自動化處理系統,其建設提高了區域CORS大數據的有效管理和建設服務能力,實現了數據的自動下載、CORS站觀測數據的日常管理和維護、數據預處理與質量檢查、數據自動化解算、成果可視化輸出等功能。通過山東CORS近三年的數據對該系統進行測試,驗證了該系統的可行性和可靠性。該系統目前滿足CORS中心對CORS站網的管理和維護,下一步研究實現對CORS用戶的高精度、實時、在線定位服務,從而實現CORS系統的大規模、長距離、高覆蓋率、網絡化、多用途的“一站式”應用服務體系。

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Foundation and Realization on Regional CORS Data Auto-processing Management Information System

LIU Zhimin1,2,DOU Shibiao1,XIONG Weidong3, LI Fei1, GUO Jinyun1,ZHANG Haiping4

(1.GeomaticsCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao, 266590,China; 2.KeyLaboratoryofGeomaticsandDigitalTechnology,Qingdao,Qingdao266590,China; 3.Surveymappingandplanningoffice,EconomicandTechnologicalDevelopmentZone,Qingdao266555,China;4.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping, 2301JingshiRoad,Jinan250102,China)

At present, CORS has entered a comprehensive application stage. Because of the large amount of data, the method of manual management can not realize the real-time monitoring of the

tation, effective scientific data automation management, and reliable high precision data processing results. So the data auto-processing system were proposed based on GAMIT/GLOBK and Bernese software, and the overall structure and function of the system were designed. Based on the data of Shandong CORS for nearly three years, the construction of regional CORS data automation processing and analysis system has realized, the main functions includesthe automatic download of IGS data, data warehouse management and maintenance, data preprocessing and quality inspection, data automation, and results visualization. The test shows that designed system can meet the high-precise requirements of auto-processing CORS network.

Regional CORS; data auto-processing; Bernese5.0; GAMIT10.5

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.015

2016-05-10

國家自然科學基金(批準號:41374009)；青島市博士后研究人員應用研究項目資助(編號：2015186)基金,海島礁測繪技術國家測繪地理局重點實驗室開放基金(編號:2015B01)

228.4

A

1008-9268(2016)04-0070-07

劉智敏(1975-),女,河北唐山人,副教授,博士,主要從事GNSS定位理論技術及其應用研究。

竇世標(1990-),男,山東定陶人,碩士生,主要從事GNSS數據處理與GPS氣象學研究。

熊衛東(1973-),男,四川遂寧人,碩士,總工程師,主要從事地理信息系統研發與應用研究。

李斐(1992-),女,山東煙臺人,碩士生,主要從事GNSS數據處理及應用研究。

郭金運(1969-),男,山東巨野人,博士,教授,博士生導師,主要從事空間大地測量、海洋大地測量和物理大地測量等研究。

張海平(1977-),男,山東五蓮人,碩士,工程師,主要從事CORS數據處理及應用研究。

聯系人： 劉智敏 E-mail: liuzhimin010@163.com