天津CORS實時地方基準服務平臺探討

黃 勇，閆 偉，張 奇，阿布都那比·麥麥提

(1.天津市測繪院，天津 300381；2.新疆維吾爾自治區(qū)第二測繪院，烏魯木齊 830000)

0 引言

十一五期間，中國數(shù)十個城市先后建立了全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations，CORS)系統(tǒng)[1-4]。天津CORS(簡稱TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式投入運營，目前共有基準站21個，平均邊長30 km，數(shù)據(jù)中心解算軟件為Trimble公司的Pivot平臺，為天津城市建設(shè)發(fā)展提供基于2000國家大地坐標(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)的實時、高精度空間基準服務，在測繪、勘察、電力、水利、海洋等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。天津在城市規(guī)劃、建設(shè)、運營、管理中，普遍使用1990年天津市任意直角坐標系成果，但由于CGCS2000坐標與1990年天津市任意直角坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)敏感，按相關(guān)保密政策無法直接提供給用戶使用[5，7]，造成用戶獲取CGCS2000坐標后，需要通過郵件服務器或網(wǎng)絡服務的方式將測量的CGCS2000坐標成果轉(zhuǎn)換為1990年天津市任意直角坐標系成果。這種滯后的地方基準服務方式不但限制了TJCORS在實時城市測量領(lǐng)域的應用，而且坐標轉(zhuǎn)換的繁瑣給用戶帶來諸多不便，嚴重影響作業(yè)效率，浪費人力、財力，甚至在一定程度上導致用戶放棄使用TJCORS而建設(shè)自己的單基站實時動態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)系統(tǒng)；與此同時，坐標轉(zhuǎn)換服務也給TJCORS數(shù)據(jù)中心的運營維護帶來一定負擔。

針對城市CORS系統(tǒng)地方基準服務滯后的問題，各個城市都在積極探索適合本地區(qū)的地方基準服務模式[5-8]。如廣州規(guī)劃勘測設(shè)計研究院與華測公司聯(lián)合開發(fā)了一套軟件為用戶提供實時地方坐標和高程服務，但該軟件僅適用于華測設(shè)備，無法兼容其它品牌RTK終端；北京測繪設(shè)計研究院委托武漢大學研制了一套“NtripCasterProxy”軟件，能夠兼容天寶、南方、中海達、華測等主流RTK終端設(shè)備進行實時地方坐標的測量，重慶市地理信息中心建立了CQGISS實時地方坐標測量平臺，為其用戶提供實時地方坐標成果獲取服務。

本文設(shè)計并實現(xiàn)一種基于中間服務器的實時地方基準服務模式，即采用中間服務器對Trimble Pivot軟件的差分改正數(shù)進行技術(shù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)在地方坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)保密的前提下，提供實時的1990年天津市任意直角坐標服務和1972年天津市大沽高程服務。結(jié)合天津市GNSS大地控制網(wǎng)C級控制點成果，驗證1990年天津市任意直角坐標服務性能。由于天津市地表沉降比較嚴重，現(xiàn)有的2006年似大地水準面成果現(xiàn)勢性不佳，本文未對1972年天津市大沽高程服務性能進行實驗分析。

1 系統(tǒng)原理

城市CORS系統(tǒng)實質(zhì)是網(wǎng)絡RTK技術(shù)的具體應用，定位模式屬于相對定位[4，9]。TJCORS系統(tǒng)采用虛擬參考站技術(shù)，運行機制為：用戶通過用戶名、密碼、服務地址、端口、掛載點等信息通過NTRIP(networked transport of RTCM via internet protocol)協(xié)議連接Pivot平臺，通過身份驗證后，以NMEA-0183協(xié)議(national marine electronics association 0183 protocol)上傳概略位置信息，Pivot平臺根據(jù)概略位置生成差分改正信息，包括虛擬站位置、虛擬站測碼偽距和載波相位觀測數(shù)據(jù)等，并編碼為國際海運事業(yè)無線電技術(shù)委員會標準協(xié)議(radio technical commission for martine services，RTCM)格式發(fā)送給用戶，用戶實時接收此差分信息并與自身觀測數(shù)據(jù)進行RTK定位解算，獲取實時高精度用戶位置[10]。可見，用戶的位置是由虛擬參考站的位置間接確定的，只要改變差分信息中虛擬參考站的位置，就可以改變用戶使用此差分信息的定位結(jié)果。虛擬參考站位置距離用戶位置一般只有幾米，對參考站位置移動一個小量，用戶的位置也移動一個小量，用戶的位置移動量與虛擬參考站的位置移量近似相同。

CGCS2000坐標與1990年天津市任意直角坐標可通過平移、旋轉(zhuǎn)和縮放來實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，根據(jù)《關(guān)于規(guī)范衛(wèi)星導航定位基準站數(shù)據(jù)密級劃分和管理的通知》規(guī)定及相關(guān)保密政策，地方基準轉(zhuǎn)換參數(shù)和似大地水準面成果無法直接提供給用戶使用，用戶也就無法通過RTK手簿中的轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)CGCS2000大地坐標向1990年天津市任意直角坐標和1972年天津市大沽高程的自動轉(zhuǎn)換。為了解決這一問題，本文對虛擬參考站坐標做如下技術(shù)處理：1)基于2006年天津市似大地水準面成果對虛擬參考站高程進行修正；2)將修正后的虛擬參考站位置用一組預定的轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換到用戶臨時坐標，并發(fā)給用戶進行RTK測量，獲取用戶臨時坐標系的定位結(jié)果；3)計算用戶臨時坐標至1990年天津市任意直角坐標的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并提供給用戶設(shè)置到RTK手簿中，自動實現(xiàn)用戶臨時坐標系至1990年天津市任意直角坐標和1972年天津市大沽高程的轉(zhuǎn)換。用戶臨時坐標至1990年天津市任意直角坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)計算方法為

(1)

式中：T2、R2、s2分別為用戶臨時坐標至1990年天津市任意直角坐標的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放因子；T1、R1、s1分別為CGCS2000坐標至用戶臨時坐標的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放因子；T、R、s分別為CGCS2000坐標至1990年天津市任意直角坐標的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放因子。

2 軟件實現(xiàn)

本文研制開發(fā)了TJCORS實時地方基準服務平臺軟件“VRSRelay”。軟件開發(fā)過程中綜合考慮系統(tǒng)性能和開發(fā)效率，專業(yè)算法采用標準C/C++封裝成動態(tài)鏈接庫，通過SWIG工具封裝成.NET調(diào)用接口，軟件界面采用微軟.NET框架(C#)實現(xiàn)，通過C/C++和C#的混合調(diào)用，能夠保證平臺計算效率和并發(fā)性能，同時避免核心代碼被反編譯，大幅提升軟件平臺安全性。軟件運行效果如圖1所示。

VRSRelay實現(xiàn)的TCP服務器采用高性能異步通信框架，支持RTCM V3.x、NTRIP V1.x、NMEA-0183等標準衛(wèi)星導航通信協(xié)議，全面兼容天寶、南方、中海達、華測等主流RTK終端設(shè)備和手簿。軟件提供簡潔易用的用戶界面，可為每個用戶獨立設(shè)置用戶臨時坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)控用戶狀態(tài)，記錄在線時間和訪問差分數(shù)據(jù)流量等信息。VRSRelay軟件2014年正式開始工程應用，長期運行穩(wěn)定、可靠。

3 實驗分析

天津CORS實時地方基準服務平臺具備1990年天津市任意直角坐標和1972年天津市大沽高程的服務能力，但由于天津市地表沉降比較嚴重，現(xiàn)有的2006年似大地水準面成果現(xiàn)勢性不佳，本文未對該平臺地方高程服務性能進行實驗分析。為了驗證TJCORS實時地方基準服務平臺技術(shù)路線和軟件實現(xiàn)的正確性，筆者從天津市GNSS大地控制網(wǎng)C級控制點中，在全市范圍內(nèi)均勻選取了11個作為測試點，分布情況如圖2所示。2014年8月，采用天寶、 華測RTK終端設(shè)備，測試VRSRelay平臺實時1990年天津市任意直角坐標性能。從CGCS2000坐標至用戶臨時坐標系轉(zhuǎn)換參數(shù)為：X軸平移3.0 m，旋轉(zhuǎn)0.001 rad；Y軸平移4.0 m，旋轉(zhuǎn)0.001 rad；Z軸平移5.0 m，旋轉(zhuǎn)0.001 rad，縮放因子為1.0，通過VRSRelay平臺對測試點進行常規(guī)RTK測量，獲取1990年天津市任意直角坐標系坐標測量結(jié)果，并將其與天津市GNSS大地控制網(wǎng)成果比較，通過計算X方向、Y方向和水平方向的偏差，并統(tǒng)計最大值和均方根誤差，進而分析評價TJCORS實時地方基準服務平臺定位精度和性能，實驗結(jié)果如表1所示。

天津GNSS大地控制網(wǎng)C級控制點1990年天津市任意直角坐標ΔX1990年天津市任意直角坐標ΔY1990年天津市任意直角坐標ΔPC007-0.0020.0030.003C028-0.011-0.0010.011C0580.003-0.0120.013C066-0.0030.0010.003C077-0.004-0.0030.005C0930.0070.0150.017C1140.0090.0000.009C1200.0010.0050.005C175-0.0120.0150.019C185-0.0140.0040.015C197-0.0180.0230.029

實驗表明，通過實時地方基準服務平臺獲取的1990年天津任意直角坐標結(jié)果與控制測量成果相比，X方向偏差最大值為0.018 m，均方根誤差為0.009 m，Y方向偏差最大值為0.023 m，均方根誤差為0.010 m，水平方向最大偏差0.029 m，均方根誤差0.008 m，實時地方基準服務平臺能夠滿足實時厘米級1990年天津市任意直角坐標基準服務需求。

4 結(jié)束語

本文針對TJCORS滯后的地方基準服務方式存在的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一種中間服務器模式的實時地方基準服務模式，在地方坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)保密的前提下，幫助用戶獲取實時1990年天津市任意直角坐標成果，為用戶減少作業(yè)流程，提高作業(yè)效率，為1990年天津市任意直角坐標成果實時獲取和應用提供了一種切實可行的解決方案，可供其他城市CORS管理部門借鑒。基于VRSRelay平臺，筆者通過集成華測i80 RTK主機和iPad平板，研制開發(fā)了針對1990年天津市任意直角坐標成果的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。