一種基于CORS的GNSS事后精密定位服務平臺建設方法

董明旭，楚 彬，劉紫平，郝建明，匡翠林

(1. 湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙 410007； 2. 中國測繪科學研究院湖南分院，湖南 長沙 410007； 3. 中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083)

在高精度位置服務領域，主要依托全球導航衛星系統(global navigation satellite system，GNSS)技術來實現[1]，通過建立衛星導航定位基準站系統(continuously operating reference stations，CORS)實時不間斷觀測GNSS衛星信息，可以快速有效地削弱軌道、鐘差和大氣等主要的誤差影響，從而實現實時厘米級和事后毫米級精度定位[2-3]。作為空間數據基礎設施的重要組成部分，湖南省衛星導航定位基準站網(HNCORS)于2008年開始投資建設，于2011年完成一期建設并投入試運行。2014年，平臺全面展開二期暨北斗兼容升級建設，成為全國首家提供兼容北斗差分改正信息的省級CORS平臺[4]。HNCORS在構建全省統一的地理空間框架、維系覆蓋全省的三維地心測繪基準體系、推進地理國情和不動產統一登記基礎數據生產、數字城市和智慧城市建設的過程中發揮了不可替代的作用。

然而，湖南地區地形以丘陵為主，存在部分無線通信信號盲區，實時高精度位置服務無法全范圍覆蓋，尤其在實時載波相位差分定位(real time kinematic，RTK)服務方面，問題尤為突出[5]。此外，湖南是一個地質災害多發的省份，基于CORS的地質災害應用和變形監測，均需更高精度級別(毫米級)的定位需求。一般的單位并不具備服務條件，其原因如下：①高精度遠距離GNSS解算須采用國際知名的軟件，如GAMIT/GLOBK、Bernese、GIPSY等，此類軟件一般價格昂貴且操作十分復雜，應用門檻較高[6]；②基于CORS高精度GNSS解算需要基準站的高精度坐標和位移速率數據，從測繪成果保密的角度，不允許將這些數據播發給普通用戶；③基于CORS的高精度解算須依賴于基準站的觀測數據，這些保密數據的獲取需要經過行政審批，周期較長，無法滿足應急測繪的需求；④目前提供高精度事后差分解算服務均是采用人工方式進行，需要投入大量的人力物力，且時間嚴重滯后，遠遠不能滿足廣大用戶的高精度解算需求。針對以上問題，本文研究基于CORS的GNSS事后精密定位服務平臺建設方法，采用Perl編程語言對Bernese二次開發實現數據自動解算，并基于Internet的數據加密推送，面向用戶推出在線自助解算服務，用于解決無移動通信信號覆蓋時的高精度定位問題，同時滿足用戶高效率、低門檻的事后高精度(厘米級至毫米級)位置服務需求。

1 平臺架構

平臺采用低耦合架構設計，將數據解算與業務處理相分離。由于基準站數據涉密，數據解算采用純內網環境的本地服務器與CORS數據中心進行連接，根據待解算觀測數據匹配最優3個基準站點同步觀測數據進行聯合解算；業務處理采用公網環境下云服務器，實現高并發訪問情況下實時擴容，滿足海量級用戶業務請求處理；在數據解算服務器和業務處理服務器之間，通過建立反向代理服務器，對外(業務服務器)建立任務隊列獲取待解算觀測數據，并供解算服務器調用，對內(解算服務器)將解算結果進行加密處理，并推送至業務服務器。平臺架構如圖1所示。

圖1 平臺架構

平臺數據流程如下：

(1) 用戶通過Web系統提交待解算的觀測數據。

(2) 業務服務器一方面受理用戶請求，另一方面下載對應的IGS產品，然后將數據進行打包。

(3) 反向代理服務器建立任務隊列，將打包完成的待解算數據進行排隊并等待解算。

(4) 解算服務器主動向代理服務器獲取待解算任務，同時向CORS數據中心請求對應基準站同步觀測數據，并按任務隊列情況進行排隊解算。

(5) 解算服務器解算完成的任務推動至反向代理服務器。

(6) 反向代理服務器更新任務隊列，并將解算結果推送至業務云服務器。

(7) 業務云服務器響應用戶請求，并通過Web系統供用戶下載解算結果。

由上可知，本地解算服務器處于純內網環境，采用主動獲取解算任務的形式，只需根據任務隊列排隊處理待解算的數據即可，與具體業務請求無關，解算壓力恒定。業務云服務器負責處理公網環境下與用戶相關的業務請求，可根據請求量進行實時彈性擴容，滿足海量級用戶高并發業務請求處理。

2 關鍵技術

2.1 基于Internet的數據雙重動態加密傳輸方法

數據安全處理包括解算服務器的坐標數據偏移，代理服務器的結果文件加密、參數加密、業務服務器的參數解密、用戶端結果文件解密，以及坐標數據糾偏3部分。其主要步驟如下：

(1) 平臺初始化時采用RSA算法[7]生成一組常量密鑰Keyc和Screatc，分別存放于代理服務器和業務服務器中，用于加密和解密動態參數文件。

(2) 當數據解算完成時，解算服務器將坐標結果結合當前時刻時間戳進行偏移，并輸出坐標結果(CSV)和解算報告(PDF)兩個文件，同時將時間戳參數傳輸至代理服務器。

(3) 代理服務器采用隨機密鑰KeyR對結果文件采用高級加密標準(advanced encryption standard，AES)[8-9]進行加密，并生成自定義*.sobds格式加密數據文件；然后采用常量密鑰Keyc將隨機密鑰和偏移時間戳進行加密，生成自定義*.code格式加密參數文件。

(4) 代理服務器將*.sobds格式加密數據文件和*.code格式加密參數文件推送至業務服務器。

(5) 業務服務器提醒用戶登錄Web前端下載解算結果，當用戶成功下載*.sobds文件后，業務服務器采用常量密鑰Screatc對*.code文件進行解密，并將隨機密鑰KayR和偏移時間戳轉換成手機驗證碼，以短信的形式發送至用戶。

(6) 用戶將下載好的*.sobds文件放到未連接外網的電腦上，并通過解密軟件輸入手機驗證碼將*.sobds文件進行解密并糾偏，輸出真實的解算結果(CSV和PDF文件)。

綜上，數據安全處理及加密傳輸流程如圖2所示。

2.2 基于Bernese的GNSS靜態數據自動解算方法

獲取待解算文件后，解算模塊通過匹配測站附近最近的3個CORS基準站，同步解算得到3條基線向量和法方程，再綜合3條基線結果得到最終的用戶站坐標。整個解算過程采用Perl編程語言調用Bernese批處理引擎實現，主要包括以下步驟：

(1) 數據準備。包括觀測文件、星歷文件及更新數據處理所需的表文件，并RINEX格式的數據轉化成Bernese二進制格式文件，以加速數據讀取速率。

(2) 衛星軌道標準化。采用PRETAB程序將精密星歷從地心地固坐標框架轉換為慣性坐標框架，并提取衛星的鐘差，采用ORBGEN程序由軌道表文件產生標準軌道文件，通常每一天產生一個標準軌道文件。

(3) 接收機時鐘改正量計算。采用CODSPP程序計算時鐘改正量，并儲存在相位和偽距觀測文件中。

(4) 形成基線文件。采用SNGDIF程序根據最大觀測值準則(OBSMAX)在整個處理網中選取兩測站間共同觀測量為最多者組成基線，形成獨立的基線單差文件。

圖2 數據安全處理及加密傳輸流程

(5) 相位觀測值預處理。采用MAUPRP程序進行相位觀測值預處理，獲取干凈的相位觀測值。

(6) 參數估計。采用GPSEST把預處理的相位觀測量組成二次差觀測值以求解坐標參數。在具體求解時采用QIF方式[10]求解模糊度，并且忽略基線的相關性，用逐條基線求解，歷元參數一般先預消除，然后在法方程層次上回代求解。

(7) 多時段綜合解。采用ADDNEQ2程序將步驟(6)所得各時段的全部基線解作為偽觀測值再進行平差，以求的更精確的參數解。

綜上，Bernese軟件雙差數據處理的流程如圖3所示。

3 應用測試

3.1 功能測試

為了掌握平臺的服務性能，通過對平臺可用性、兼容性和系統容量等內容進行了詳細測試，得出結論，見表1—表3。

表1 可用性測試內容及結果

表2 兼容性測試內容及結果

表3 容量測試內容及結果

圖3 Bernese處理引擎高精度數據處理流程

3.2 精度測試

定位精度是本平臺服務的最重要指標，包括內部精度指標和外部精度指標。內部精度指標用來衡量系統內部數據處理的穩定性和可靠性，外部精度指標則反映定位結果與參考值的附和程度。

測試數據來源于實際工程項目觀測數據，包括天寶、徠卡、華測、南方和中海達等5個品牌接收機共計50個站點數據，并利用這些數據做了短時長和長時長兩個方面的測試。

3.2.1 短時長測試(觀測時間小于1 h)

分別將實測數據采用GFZRNX軟件切分成觀測時長為5、10、20、30、40、50、60 min時段共計350個觀測文件，并提交至平臺進行解算。其中5 min 時段數據未能解算成功，其他時間能正常解算，內符合精度、外符合精度結果分別如圖4和圖5所示。

分析圖4可知，觀測時長小于30 min時，內符合精度在分米級，整體穩定性較差；觀測時長30和40 min時，平面內符合約為3 cm，豎直方向在5 cm；50和60 min時，內符合精度約為2 cm。總體來看，當觀測時長在大于30 min的情況下，解算結果的穩定性較高。

圖4 實測數據短時長內符合精度統計

由本平臺自動解算得到的坐標與通過靜態解算軟件全時長手動解算得到的坐標進行比較分析，得到外符合精度統計結果，因此外符合精度僅反映自動解算與人工解算結果之間的偏差。如圖5所示，觀測時長小于40 min時，外符合精度約為分米級；≥50 min時，平面外符合精度約為3 cm，豎直方向約為5 cm。總體來看，隨著觀測時間的增加，實測數據外符合趨于收斂，與手動解算結果偏差較小。

3.2.2 長時長測試(觀測時間為2～6 h)

由于實測數據只測量了6 h，因此將實測數據按2、4和6 h進行切分并提交至平臺計算，統計得內符合精度、外符合精度結果如圖6和圖7所示。

圖5 實測數據短時長外符合精度統計

由圖6和圖7可知，當觀測時長大于2 h時，實測數據通過平臺自動解算得到的結果在平面方向、豎直方向內符合均在毫米級，說明本系統的穩定性非常高。實測數據外符合精度在平面方向達到毫米級，豎直方向為厘米級，與人工解算結果偏差較小。

3.3 測試結論

經過以上對平臺功能及定位精度測試分析，可得出以下測試結論：

(1) 平臺各功能模塊性能完備，完整性好、兼容性高，能實現GNSS靜態觀測數據全自動處理單個文件解算耗時5 min以內，數據處理效率較高。

圖6 實測數據長時長內符合精度統計

圖7 實測數據長時長外符合精度統計

(2) 基于Internet在線數據加密傳輸方法穩定性較好，可為敏感數據在線傳輸提供新的解決方案。

(3) 平臺支持十萬級用戶高并發業務請求，可同時處理10組觀測時長不小于10 min的數據，且能處理天線類型未知的數據。

(4) 平臺數據解算精度較高，可為用戶提供厘米至毫米級事后高精度定位服務，具體數值見表4。

表4 精度測試結果統計

4 結 語

針對事后高精度定位服務需求，本文提出了一種基于CORS的GNSS事后精密定位服務平臺建設方法，并詳細介紹了平臺架構及關鍵技術。依托本文研究成果，湖南省已成功建設了基于HNCORS的GNSS事后精密定位服務平臺——問北位置(www.sobds.com)，有效解決了省內無移動通信信號覆蓋時的高精度定位問題，同時滿足用戶高效率、低門檻的事后高精度(厘米級至毫米級)位置服務需求。本文研究成果可廣泛應用于高精度工程控制網布設和工程變形監測，為高邊坡、深基坑、高大橋梁堤壩、高層建筑等工程變形監測提供新的監測技術方案，有效拓展CORS高精度定位技術的深度應用服務，推進空間定位技術應用的大眾化、產業化進程。