區域CORS系統及高精度大地水準面的研建

蔡建德 米思瑩 鐘國 梁莉 張新雨，4

（1.河南省測繪發展研究中心，河南 鄭州 450003；2.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310005；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；4.河南省基礎地理信息中心，河南 鄭州 450003)

1 引言

連續運行參考站（CORS）系統及水準面研建過程中，采用聚合多種衛星應用，融合多種系統技術，整合類型眾多的數據資源，構建天地一體、無縫覆蓋、功能強大的時空信息服務網絡，建立安全、高效、可控的北斗時空服務體系與平臺，對提高信息資源掌控治理能力，推動智能信息服務產業的發展至關重要。

區域CORS 系統建設及高精度大地水準面的建立，契合了北斗與其他導航系統的融合、導航與通信的融會、無線電通信與慣性導航的結合，全面提高市縣空間框架基礎設施的建設水平，促進跨行業信息資源整合利用效率，推進北斗云服務的社會化、產業化、區域化，提升導航與位置服務在智慧城市、經濟建設、防災減災、市政管理、資源保護、電子消費等多領域的社會經濟效益。

2 北斗連續運行參考站系統（BD-CORS）的特點

2.1 BD-CORS 及市縣CORS 簡介

北斗衛星導航系統具有以下特點：（1）北斗系統空間段采用三種軌道衛星組成混合星座，與其他衛星導航系統相比高軌衛星更多，抗遮擋能力強，低緯度地區性能特點更為明顯。（2）提供多個頻點的導航信號，能通過多頻信號組合使用等方式提高精度。（3）創新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

常規地理空間數據獲取主要利用電臺模式或單基站模式實時動態定位RTK（Real Time Kinematic）技術，作用范圍小、精度差、可靠性低。近年來，通過CORS技術實現網絡RTK 已成為實時動態定位的主要發展方向，通過建立市縣區域性CORS系統，依靠網絡RTK技術，可在市縣區域向大量用戶同時提供高精度、高可靠性、實時的定位信息。

市縣CORS 系統是在一定區域均勻布設若干永久性連續運行的北斗衛星導航系統定位基準站，建立安全可靠、運行穩定的衛星數據處理中心，通過專用數據通信網絡，為社會大眾提供導航、定位、授時等服務，亦可為滿足不同行業、不同用戶的需求提供定制服務[1]。

2.2 CORS 系統的組成結構

CORS 系統以北斗衛星導航與位置服務中心為依托，建立統一的基準站、系統控制中心、用戶數據中心、用戶應用、數據通信系統，各子系統由數字通信子系統互聯，形成一個均勻分布于整個市縣的局域網(城域網)。CORS 系統結構如圖1 所示。

圖1 CORS系統結構

2.2.1 定位系統基準站

北斗衛星導航系統跟蹤基準站是CORS 系統的衛星數據源，用于實現對北斗衛星導航信號捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，主要包括衛星接收機、接收機天線、計算機、數據處理軟件、通信網絡、不間斷電源、防電涌等設備。

2.2.2 系統控制中心

北斗衛星導航系統控制中心是CORS 的核心單元，由中心網絡和數據管理、數據處理軟件等子系統組成，負責各基準衛星數據的接收、存儲、管理、解算、用戶管理、實時發布等。通過控制中心局域網進行數據分流、分發、存儲、分析，按照國際通用標準格式或自定義專用格式，面向不同用戶不同需求發送數據，提供多種信息服務和監控服務。其中，數據處理系統對數據質量進行分析和評價，實施數據綜合、數據分流和數據存儲，利用網絡RTK 技術形成差分數據并提交用戶數據中心[2]。監控系統用于監測設備運行狀態，進行遠程管理、故障分析與故障警視。信息服務系統通過網絡向用戶提供事后精密處理的數據服務、坐標系高程系轉換服務、工程測量軟件服務和計算服務。網絡管理系統用于監控并管理系統網絡，通過硬軟件隔離技術實現網絡安全防護，保障信息安全；管理網站通過Internet 向用戶提供http、ftp 等訪問服務。用戶管理系統用于用戶登記、注冊、撤銷、查詢、權限等管理，提供訪問授權和用戶使用記錄。

2.2.3 數據通信子系統

CORS 網絡采用分布式資源網絡系統，包括兩方面：一是選擇合理的網絡通信方式，實現基準站與控制中心的互聯互通互操作。二是集中管理基準站資源，為用戶提供覆蓋本地區所有基準站資源的管理方案，實現各基準站、控制中心不同網絡節點間的系統互訪和資源共享。在控制中心，通過統一維護系統節點，實現基準站無人現場管理。控制中心主干網絡采用千兆以太網絡，基準站采用SDH 數據專線連接控制中心。

2.2.4 用戶數據中心

CORS 對外的數據服務通過用戶數據中心多種數據傳輸手段向用戶發送、發播定位、導航、授時等多種數據，提供數據服務。用戶數據中心可分為靜態數據服務單元和動態數據服務單元兩部分。通過網站http和ftp 等方式向用戶提供數據交換及在線計算，實現靜態數據、動態數據服務功能。數據中心到用戶的實時通信可采用GSM、GPRS、CDMA 及5G 通信方式實現。

2.2.5 用戶應用子系統

用戶應用子系統涉及龐大的用戶群落，按照應用領域，衛星導航與位置公共服務基準站網可面向政府、企業、公眾等不同類型用戶，針對地理信息數據采集和變形監測等領域，提供毫米級、厘米級、亞米級等高精度的導航、定位、時間信息等服務，為交通、無人機快遞、物流等行業提供亞米級定位服務。CORS 用戶應用子系統應充分考慮北斗衛星導航系統衛星接收機的兼容性。

2.3 市縣CORS 建設存在的問題

為滿足市縣經濟建設信息化的需要，一大批城市( 如杭州、南京、成都、武漢、鄭州等)已建或籌建衛星連續運行網絡系統，對我國市縣建設和經濟發展起到重要作用。但也存在一定的問題：一是不同市縣建設的系統行業特性明顯，目標單一化帶來系統技術服務性能的單一化，不利于系統的技術集成和潛力發揮；二是部分市縣建設的系統獨立運行，尚未建立統一協調機制，數據資源共享問題未解決，阻礙了系統功能的最大利用；三是建設運行的技術標準化是一個急需統一認識和解決的問題，未來技術標準應既滿足行業需求、區域和國家需求，又能與國際標準接軌和兼容。

3 市縣似大地水準面的建立

似大地水準面是獲取地理空間信息的高程基準面。衛星導航系統結合高精度、高分辨率似大地水準面模型，可以取代傳統的三等水準測量方法測定正高或正常高，真正實現北斗衛星導航系統在幾何和物理意義上的三維定位功能，使得平面控制網和高程控制網分離的傳統大地測量模式成為歷史，可為構建智慧城市、數字縣域提供高效的數據采集技術，是獲取市縣地理空間數據國家統一高程基準的主要手段。

3.1 技術方案與途徑

市縣級大地水準面的精度和分辨率要求高，因此對數據（如導航衛星定位位置、水準、重力及數字地形模型等）的分辨率、分布、密度和精度等提出嚴格要求，建立市縣似大地水準面主要采用以下方式[3]。

結合已完成的1∶1 萬DEM 數據庫及本地區現勢性較強的數字地形圖，建立用于精化區域大地水準面的高分辨率高精度DEM ；收集已有高精度控制點數據、水準數據、重力資料（陸地重力數據、北斗衛星導航測高數據等）；建立C、D 級區域水準網，與國家A、B 級網點和一、二等水準點聯測。獲得高精度北斗衛星導航測高水準數據，在國家重力基本網基礎上建立區域性重力基本網，實施陸地加密重力測量，獲取高精度的陸地重力數據。

3.2 市縣似大地水準面計算

目前，市縣級似大地水準面精化基于移去恢復原理，主要采用FFT 技術（1D/2DFFT），輔以多項式擬合法或其他擬合法。在實際計算中通常采用分步計算方法，即首先應用移去恢復原理和1DFFT 技術計算重力似大地水準面，然后以高精度北斗衛星導航測高水準數據作為控制，采用多項式擬合法或其他擬合法將重力似大地水準面擬合到由北斗衛星導航測高水準確定的幾何大地水準面上，旨在消除這兩類大地水準面之間的系統偏差。

一般來說，消除系統誤差后的重力大地水準面與北斗衛星導航測高數據水準之間仍存在殘差，這些殘差包含了部分有用信息，再利用Shepard 曲線擬合法、加權平均法及最小二乘配置等，對這些剩余殘差進行格網擬合，并將擬合結果與消除系統誤差之后的重力大地水準面疊加，得到大地水準面的最終數值結果。計算流程如圖2 所示。

圖2 市縣似大地水準面精化計算流程

3.3 市縣似大地水準面精化的有關問題

對高程測量數據而言，實測數據與已有數據是不同時期觀測的，觀測精度和依據的基準不同，給實際計算和處理帶來一定困難；對于不同類數據，如大地橢球高與精密水準測量的時間跨度較大，由此求得的大地水準面高或高程異常存在系統偏差，數據處理時應予以重視。市縣似大地水準面精化對加密重力測量、北斗衛星導航測高數據水準布測、地殼密度異常和DEM的要求認識不夠，目前還沒有較完善的規范可遵循。

4 結束語

利用北斗衛星導航系統的高新技術手段，在市縣原有坐標資料和水準、重力資料的基礎上，建立集平面、高程、重力場信息于一體的綜合性高精度市縣三維基礎控制網，結合市縣連續運行北斗衛星導航系統（CORS），成為數字市縣地理空間基礎設施的重要部分。隨著其應用的普及，作為地理空間數據基礎設施，似大地水準面精化和北斗衛星導航系統將為城市規劃、自然資源、交通、綠化等領域提供廣泛的基礎服務，已逐漸成為數字市縣和信息化建設的重要內容。