宜昌市CORS運維與保密升級改造關鍵技術研究

盧立，孔建

(1.宜昌市土地勘測規(guī)劃院，湖北 宜昌 443000； 2.武漢大學測繪學院，湖北 武漢 430079)

1 引 言

隨著我國衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，并逐步開始向民用用戶提供衛(wèi)星導航服務，利用多基站網(wǎng)絡RTK技術建立的連續(xù)運行(衛(wèi)星定位服務)參考站(Continuously Operating Reference Station，CORS)已成為城市GNSS應用的發(fā)展熱點之一[1，2]。宜昌市CORS系統(tǒng)作為構建宜昌現(xiàn)代測繪基準體系的重要組成部分之一，不僅是維持宜昌測繪基準框架的重要參考，也為城市發(fā)展建設提供實時、高精度的基于各坐標系統(tǒng)的控制點[3]。宜昌市作為中部地區(qū)非省會首位沖刺創(chuàng)新型城市，有必要進一步挖掘區(qū)域CORS的潛在價值，建立區(qū)域高精度動態(tài)參考框架，以更新我國CGCS2000框架和探索多種星基定位系統(tǒng)融合方式服務。

目前宜昌市CORS系統(tǒng)已向多個政府部門和區(qū)內外多家測繪資質單位提供無償服務。作為宜昌市基礎測繪成果，宜昌市CORS的系統(tǒng)信息可以為主管領導、系統(tǒng)管理員提供管理依據(jù)，也可以為系統(tǒng)用戶在測繪作業(yè)碰上問題時提供作業(yè)依據(jù)[4]。但這些信息分散，缺少指導用戶測繪作業(yè)的輔助信息。此外，宜昌市CORS現(xiàn)有保密系統(tǒng)與同期的其他省級CORS系統(tǒng)一樣具有一定的保密安全功能[5]，但未達到國家要求。

以上問題在不同程度上影響了系統(tǒng)用戶對CORS系統(tǒng)的應用體驗。為彌補現(xiàn)有CORS處理軟件的不足，完善宜昌市CORS系統(tǒng)的服務功能。本文在宜昌市CORS系統(tǒng)的基礎上，利用軟件開發(fā)、網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)庫技術，開發(fā)具有開放結構、易擴充、易維護、具有良好交互界面的“一站式”位置服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備對系統(tǒng)軟、硬件以及宜昌市空間環(huán)境的監(jiān)控與管理的功能。系統(tǒng)通過對重要信息分析和提取，以用多種信息交互方式向系統(tǒng)用戶發(fā)布，從而達到提升系統(tǒng)用戶的管理和作業(yè)效率，輔助提高系統(tǒng)用戶的問題處理能力。

2 研究區(qū)域概況

宜昌市位于湖北省西南部[5]，地處長江上游與中游的結合部、鄂西武陵山脈和秦巴山脈向江漢平原的過渡地帶，“上控巴蜀，下引荊襄”(如圖1所示)。地跨東經(jīng)110°15′～112°04′、北緯29°56′～31°34′之間，東西最大橫距 174.08 km，南北最大縱距 180.6 km。東鄰荊州市和荊門市，南抵湖南省石門縣，西接恩施土家族苗族自治州，北靠神農(nóng)架林區(qū)和襄陽市。總面積 21 227 km2。宜昌位于中亞熱帶與北亞熱帶的過渡地帶，四季分明。多年平均降水量 1 215.6 mm。平均氣溫16.9℃，極端最高溫度41.4℃，極端最低溫度-9.8℃，年平均日照時數(shù) 1 538 h～1 883 h，日照率40%。

圖1 宜昌市行政區(qū)劃與CORS站點分布圖

3 宜昌市CORS運維服務系統(tǒng)

3.1 CORS基本結構

宜昌市CORS系統(tǒng)的物理結構主要由基準站網(wǎng)、數(shù)控中心、用戶數(shù)據(jù)播發(fā)三部分構成(如圖2所示)。基準站的數(shù)據(jù)通過專線網(wǎng)絡匯集至市數(shù)據(jù)中心，形成全市統(tǒng)一的基準站數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡；數(shù)控中心的核心單元是數(shù)據(jù)處理與控制中心，控制中心子系統(tǒng)建立在高速局域網(wǎng)(100M/1000M)的互聯(lián)網(wǎng)上。系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議采用TCP/IP，網(wǎng)絡管理協(xié)議選擇SNMP，網(wǎng)絡中的服務器操作系統(tǒng)采用Windows 2008 R2。整個數(shù)據(jù)處理與控制中心子系統(tǒng)由服務器、網(wǎng)絡設備等組成。主要負責各基準站GNSS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)分析、處理、計算、存儲；用戶數(shù)據(jù)播發(fā)是項目系統(tǒng)建設的重要內容，實現(xiàn)用戶管理和差分改正數(shù)的播發(fā)、產(chǎn)品下載、用戶受控等功能；流動站用戶在作業(yè)時將其概略位置上傳到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將差分改正數(shù)發(fā)送至用戶[6，7]。

圖2 系統(tǒng)總體結構圖

3.2 基本功能升級

本文從用戶管理、系統(tǒng)監(jiān)測及預警、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理與其他功能等5方面進行升級。圖3所示為管理員登錄后的界面。用戶管理在原有用戶管理功能的基礎上實現(xiàn)3大類用戶角色的管理和細分，分別是采集處理角色；監(jiān)督管理角色；系統(tǒng)運維角色。通過用戶分級管理，權限嚴格區(qū)分實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運維[8]。系統(tǒng)監(jiān)測、預警是實現(xiàn)系統(tǒng)完好性監(jiān)測，實時獲取系統(tǒng)運行的狀況，并及時以短信、郵件等多種形式預警管理員和相應的用戶應對和處理。在系統(tǒng)配置方面，升級系統(tǒng)在原保證原運維系統(tǒng)配置穩(wěn)定運行的基礎上，新增設計兩個功能：基站信息管理功能，查詢、新增、修改、刪除基站基本信息；自身系統(tǒng)平臺配置、CORS基礎平臺配置等功能。系統(tǒng)管理方面，增加數(shù)據(jù)庫中信息的讀寫、統(tǒng)計查詢，實現(xiàn)用戶繳費記錄查詢、系統(tǒng)查詢統(tǒng)計功能；升級系統(tǒng)增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全備份功能，實時備份CORS運維數(shù)據(jù)，以免系統(tǒng)崩潰發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。另外，還采用程序合理控制數(shù)據(jù)庫連接，節(jié)省服務器資源，在正常的30個并發(fā)用戶網(wǎng)絡環(huán)境下，能保證系統(tǒng)的及時響應；對于實時用戶位置進行監(jiān)控。

圖3 管理員登錄后的界面

3.3 監(jiān)控功能與數(shù)據(jù)處理升級

(1)監(jiān)控功能

本系統(tǒng)監(jiān)控模塊包括CORS基準站監(jiān)控，平臺監(jiān)控，CORS系統(tǒng)監(jiān)控，CORS網(wǎng)絡監(jiān)控，CORS數(shù)據(jù)監(jiān)控。基準站監(jiān)控對于CORS系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)用戶實時在線狀態(tài)等信息進行實時跟蹤和顯示；平臺監(jiān)控對于平臺當前的登陸、在線人數(shù)，平臺應用狀態(tài)等信息進行實時跟蹤和檢測；CORS系統(tǒng)監(jiān)控對于CORS系統(tǒng)的運行狀態(tài)、系統(tǒng)用戶實時在線狀態(tài)等信息進行實時更新和顯示；CORS網(wǎng)絡監(jiān)控對CORS基準站網(wǎng)絡、CORS服務端口等狀態(tài)信息進行實時監(jiān)控和顯示；CORS數(shù)據(jù)監(jiān)控可對CORS站原始觀測數(shù)據(jù)及站點Rinex數(shù)據(jù)的完整性進行實時監(jiān)測和顯示。

(2)數(shù)據(jù)處理與CORS定位服務升級

本系統(tǒng)提供坐標轉換功能，用戶可以管理和設定不同坐標系之間的轉換參數(shù)，實時獲取三維坐標轉換功能，能夠實現(xiàn)平面、高程坐標轉換服務。此外，宜昌基準框架由宜昌市CORS網(wǎng)維持，但是由于宜昌市CORS站直接固定，如果由于地震、滑坡、地面沉降等非線性運動導致CORS站坐標發(fā)生變化超過一定限度，而又不及時更新，會直接導致基站誤差轉移到RTK測量用戶。因此，有必要搭建宜昌市框架基準動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以每日定時自動解算宜昌市CORS網(wǎng)單日解，監(jiān)測每日基線變化量。單日解可以逐日累積，為建立宜昌市動態(tài)框架與速度場提供單日解；此外，實時監(jiān)測宜昌市CORS站變動情況，當變化超出閾值，及時通知管理人員和技術人員及時更新CORS站坐標。以CORS基準站數(shù)據(jù)作為測繪基礎框架基礎數(shù)據(jù)，每日定時自動開展宜昌區(qū)域坐標系統(tǒng)的動態(tài)解算工作。該功能應能自動完成CORS系統(tǒng)整網(wǎng)基線的解算，并得到CORS網(wǎng)中所有站精確的坐標變化值，當坐標變化超限，可向管理人員和技術人員發(fā)出警示，實現(xiàn)對CORS系統(tǒng)基礎坐標框架的動態(tài)維護。本系統(tǒng)還加入CORS定位服務模塊，提供CORS改正差分信號輸出的功能。用戶通過接入系統(tǒng)，可獲取RTCM2.3、RTCM3.X、CMR+等CORS改正差分信號，從而得到平面精度 ≤±3 cm，高程精度 ≤±5 cm(山區(qū) ≤8 cm)測量成果。

4 系統(tǒng)安全改造升級

4.1 基準站數(shù)據(jù)輸入端安全改造

基準站數(shù)據(jù)輸入端(如圖4所示)安全升級改造主要包括以下三部分：①在基準站專網(wǎng)和涉密計算內網(wǎng)之間(數(shù)據(jù)輸入端)部署單向光閘設備和基準站數(shù)據(jù)格式規(guī)約軟件，對實時觀測數(shù)據(jù)流進行規(guī)約和審計，實現(xiàn)基準站觀測數(shù)據(jù)流規(guī)則化，將基準站合規(guī)數(shù)據(jù)流、文件等單向傳輸至涉密計算內網(wǎng)，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理；②對于涉密計算數(shù)據(jù)處理需要的精密星歷和DCB文件等資料，通過互聯(lián)網(wǎng)下載后經(jīng)防火墻傳輸至數(shù)據(jù)導入前置機；③數(shù)據(jù)解算所需精密星歷、DCB文件等亦通過基準站專網(wǎng)和涉密計算內網(wǎng)間的單向光閘導入至涉密計算內網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理。

圖4 輸入端架構圖

4.2 涉密計算機內網(wǎng)安全改造

在涉密計算機內網(wǎng)和數(shù)據(jù)播發(fā)交換子網(wǎng)(產(chǎn)品播發(fā)輸出端)之間部署數(shù)據(jù)產(chǎn)品內容審計軟件和單向光閘設備(圖5)。基準站觀測數(shù)據(jù)在涉密計算網(wǎng)進行數(shù)據(jù)處理后，產(chǎn)出格網(wǎng)化差分改正數(shù)，經(jīng)內容審計軟件審核后，發(fā)送至數(shù)據(jù)播發(fā)交換子網(wǎng)和數(shù)據(jù)播發(fā)服務子網(wǎng)，實現(xiàn)非涉密合規(guī)數(shù)據(jù)產(chǎn)品單向導出到非涉密網(wǎng)。

圖5 內網(wǎng)安全改造架構圖

4.3 差分改正數(shù)輸出端安全改造

數(shù)據(jù)播發(fā)交換子網(wǎng)負責對數(shù)據(jù)產(chǎn)品再次審核并去除內容審計軟件植入的軟件標簽，數(shù)據(jù)播發(fā)服務子網(wǎng)負責用戶交互服務，數(shù)據(jù)播發(fā)交換子網(wǎng)和數(shù)據(jù)播發(fā)服務子網(wǎng)之間通過防火墻進行安全保護，如圖6所示。

圖6 輸出端改造架構圖

4.4 數(shù)據(jù)播發(fā)服務子網(wǎng)安全改造

數(shù)據(jù)播發(fā)服務子網(wǎng)設置產(chǎn)品播發(fā)服務器，安裝專業(yè)軟件實現(xiàn)用戶管理和差分改正數(shù)的播發(fā)等功能；流動站用戶作業(yè)保持原有交互模式不變，即在作業(yè)時將其概略位置上傳到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將差分改正數(shù)發(fā)送至用戶。

最終改造完成的數(shù)據(jù)中心節(jié)點主要由基準站專網(wǎng)、涉密計算內網(wǎng)、數(shù)據(jù)播發(fā)交換子網(wǎng)、數(shù)據(jù)播發(fā)服務子網(wǎng)等組成，以滿足安全改造相關要求。

5 結果驗證

5.1 系統(tǒng)平臺測試

宜昌市CORS運維、保密升級改造系統(tǒng)由武漢大學為宜昌市測繪大隊開發(fā)，已部署測繪大隊服務器上，并正常運行。本文主要從如下方面進行測試：登錄驗證及修改密碼：用戶輸入正確的用戶名和密碼后能夠登錄系統(tǒng)，進入到系統(tǒng)的主頁，并且可以修改自己的密碼；播發(fā)服務管理：該部分管理播發(fā)的改正信息源，用于RTK用戶實時作業(yè)；實時作業(yè)用戶列表：該部分可以用來查看當前在線作業(yè)用戶，同時也可以對用戶進行斷開操作；添加與刪除用戶信息：該功能可以實現(xiàn)用戶單位的添加與刪除功能，完成用戶管理的基本操作；坐標權限分配功能：該功能可實現(xiàn)用戶坐標權限的分配，是具有坐標權限的用戶才能進行測量作業(yè)；系統(tǒng)日志：管理員和用戶的所有行為都會生成日志保存；數(shù)據(jù)下載：提供基站數(shù)據(jù)下載和星歷下載功能。該系統(tǒng)平臺已經(jīng)實現(xiàn)了宜昌市CORS系統(tǒng)管理、用戶管理、系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)下載等功能。

5.2 RTK定位精度驗證

為了對升級改造后的系統(tǒng)性能進行測試，本文依據(jù)GB/T 18314-2009《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》標準，選取覆蓋宜昌市區(qū)及其周邊范圍的若干B級GPS大地控制點和隨機點作為測試點。其中，B級GPS大地控制點在現(xiàn)有的B級成果點里面進行挑選；隨機點隨機分布在各B級GPS大地控制點之間。

將原始測量數(shù)據(jù)初步整理后進行內業(yè)數(shù)據(jù)處理及分析，為了便于和現(xiàn)有的B級GPS大地控制點坐標(西安80坐標)進行比較，將所有測試點得到的CGCS2000平面坐標轉化為西安80坐標，高程系統(tǒng)為85國家高程基準。對B級GPS大地控制點處理策略是將兩套系統(tǒng)下平面和高程方向的測量值與真值(或靜態(tài)后處理結果)進行比較并評價測量結果的精度；對隨機點則是將南方系統(tǒng)的測量值作為參考值，對比兩套系統(tǒng)下平面和高程方向的測量值并統(tǒng)計其差異。本文主要以內外符合精度作為精度評價指標。

在宜昌市區(qū)及其周邊范圍內選取10個C級GPS點作為測試點。分別計算武漢大學和“千尋知寸”兩套系統(tǒng)下各C級GPS點平面和高程方向的測量值與真值的絕對偏差(外附合精度)，并統(tǒng)計兩套系統(tǒng)所有B級GPS點平面和高程方向的測量值與真值的絕對偏差的最小值、最大值與平均值，得到表1所示結果。從表中可以看出，安全改造升級后的系統(tǒng)平面外附合精度基本在 2 cm以內，高程方向外附合精度基本在 3 cm以內，其定位精度滿足設計要求。

C級GPS點絕對偏差統(tǒng)計表 表1

在相鄰的兩個C級GPS點之間選取隨機點作為測試點，得到共20個隨機點，點號為：S001-S020。以南方系統(tǒng)(宜昌市測繪大隊現(xiàn)有CORS系統(tǒng))測量值作為參考值，計算武漢大學系統(tǒng)下各隨機點平面和高程方向的測量值與南方系統(tǒng)測量值的各測回差值，統(tǒng)計所有隨機點在兩套系統(tǒng)下平面測量值的絕對偏差的最小值、最大值與平均值，得到表2所示結果：

隨機點絕對偏差統(tǒng)計表 表2

對所有的測試點(10個C級GPS點+20個隨機點)，統(tǒng)計各測試點在安全升級改造系統(tǒng)下平面和高程方向的測量值與同一測點3個測回測量值均值的絕對偏差(內附合精度)，統(tǒng)計各測試點在安全升級改造系統(tǒng)下的測量值與同一測點3個測回均值的絕對偏差的最小值、最大值與平均值，得到表3所示結果，所有測試點平面內符合精度均在 2 cm以內，高程方向的內符合精度在 5 cm以內，表明安全改造升級后的系統(tǒng)定位可靠性和穩(wěn)定性高，滿足設計要求。

內符合精度統(tǒng)計表 表3

6 結 論

宜昌市CORS運維與保密升級改造從系統(tǒng)安全升級、系統(tǒng)平臺開發(fā)、系統(tǒng)定位精度以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性等多方面進行，涉及軟件設計與開發(fā)、網(wǎng)絡通信、信息安全、衛(wèi)星定位、數(shù)據(jù)庫等多項技術應用。本系統(tǒng)通過加載保密技術處理軟硬件的方式，對現(xiàn)有“定位服務系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)中心、基準站網(wǎng)、通信網(wǎng)絡和服務子系統(tǒng)等進行安全升級改造，加強基準站網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)、基準站網(wǎng)坐標等涉密數(shù)據(jù)防護，系統(tǒng)在保證國家地理信息安全的基礎上可提供穩(wěn)定的高精度位置服務，能達到國家測繪地理信息局的要求。

經(jīng)過系統(tǒng)建設，宜昌市CORS運維、保密升級改造項目已建設完成并投入試運行。通過對系統(tǒng)平臺各項功能及系統(tǒng)RTK實時定位精度的測試，系統(tǒng)各項技術指標均已到達了設計要求，測試結論如下：

(1)該系統(tǒng)平臺已經(jīng)實現(xiàn)了宜昌市CORS運維、保密升級改造項目技術設計方案中系統(tǒng)管理、用戶管理、系統(tǒng)日志、數(shù)據(jù)下載等模塊的具體功能。系統(tǒng)功能全面，各項功能均能正常使用，綜合考慮了各種異常情況并給出了解決方案，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，出錯率低。

(2)RTK實時定位精度測試共完成30個點的野外觀測工作，共獲得270組測量成果。通過分析實測數(shù)據(jù)的內、外符合精度，結果表明安全改造升級后的系統(tǒng)定位精度與原系統(tǒng)相當，系統(tǒng)定位的正確性、可靠性及兼容性高，滿足設計要求。