合肥市衛星定位連續運行基準站網融合改造的實踐探討

張偉，王林

( 合肥市測繪設計研究院, 合肥 230061 )

0 引 言

衛星定位連續運行參考站 (CORS)是提供城市高精度時空基準的重要基礎設施[1]. 合肥市范圍內有三套CORS資源：一是2010年原合肥市國土資源局組織分期建設的“合肥市國土衛星定位綜合服務系統”(簡稱國土CORS)；二是2007年合肥市測繪設計研究院組織建設的“合肥市衛星定位綜合服務系統”(簡稱規劃CORS)；三是2013年安徽省測繪局組織建設的“安徽省衛星定位綜合服務系統”(簡稱安徽

CORS).

由于上述三套CORS系統的建設隸屬于不同部門，管理不統一、數據不共享、技術服務多樣[2]，造成數據和服務資源共享的技術障礙. 另外，各系統涉及的軟硬件、站點分布、標準和規格等均有所不同，部分基準站還存在站址重復、設備故障以及不支持北斗衛星導航定位系統(BDS)等問題.

為了滿足合肥市城鎮土地變更調查和地理空間框架更新的建設需求，完成合肥市衛星定位連續運行基準站網(簡稱合肥市CORS)的融合改造，由合肥市自然資源和規劃局組織、合肥市測繪設計研究院實施，開展2020—2022年為期3年的合肥市CORS升級改造與維護項目. 本文從合肥市CORS融合改造的實踐出發，針對實施的技術難點進行研究和探討，可為省市級CORS組網互聯互通提供參考.

1 合肥市基準站簡介

合肥市范圍內目前共分布有27座基準站，現狀和分布情況如表1和圖1所示. 按照建設所屬統計：國土CORS共17座，位于各鄉鎮國土所，現由合肥市自然資源和規劃局委托合肥市測繪設計研究院進行維護，均為樓頂站；規劃CORS共4座，由合肥市測繪設計研究院自行選址、建設和維護，均為樓頂站；安徽CORS共6座，站址大多位于各縣市氣象局，由安徽省基礎測繪信息中心負責維護，多為地面站. 2020年初，安徽CORS率先完成了全省基準站接收機的硬件升級，升級后基準站設備為徠卡GR50接收機和AR25天線.

圖1 合肥市內基準站站點分布示意圖

表1 合肥市CORS基準站現狀比較

2 改造原則

合肥市CORS升級改造是以國土CORS為主導，按照統籌設計、基準框架統一、資源共享和服務標準統一的原則，通過升級、接入、取消、合并等融合手段，將國土CORS、規劃CORS和安徽CORS的部分站點融為一套城市CORS 系統. 按照“一網多用”、“一網共用”的設計要求確保國土子網和規劃子網既可以分開使用又能融合使用. 在業務使用方面，分別滿足國土和規劃部門對業務管理和功能應用的需求.在站點分布方面，側重于城市建設的發展需要. 在測繪基準方面，通過坐標聯測等技術手段，實現基準站與城市地方坐標基準的統一.

3 技術難點分析

區別于較簡單的獨立建網方式[3]，本項目可用資源較為繁雜，主要有以下難點：

1)由于各站建成年代較早，運行狀況均不盡相同，如何準確評估各站址的可用性；

2)如何實現三套CORS資源之間的通信網絡互聯和數據共享，解決國土CORS、規劃CORS和安徽CORS基準站部分站點的深度融合；

3)如何設計升級改造后的基準站組網，兼顧考慮未升級改造站、舊硬件設備的利用和站址重疊等；

4)建立和維持2000國家大地坐標系(CGCS2000)和地方參心坐標系，使合肥市CORS與國家基準相一致，同時建立起地方參心坐標系與國家坐標基準的聯系.

4 融合改造實施過程

4.1 站點可用性的評估

4.1.1 數據質量指標

基于2020年6月和2021年8月各站點的觀測數據，采用TEQC和Spider QC兩種數據質量分析軟件[4]對觀測數據的有效率、觀測衛星數、多路徑效應、周跳數、信噪比等指標進行分析．經評估，所有站點各項數據質量指標均滿足規范[5]要求.

4.1.2 站點穩定性分析

根據自然資源大地測量數據處理中心對2020-06-10—07-10基準站坐標聯測的解算結果，與各站點原有CGCS2000坐標系成果進行比較得到：水平方向點位中誤差為1.4 cm，最大較差2.2 cm，高程方向點位中誤差為2.5 cm，最大較差4.0 cm，考慮到不同起算策略、解算周期等原因造成的系統誤差，說明各站點相對穩定.

4.1.3 站點網絡性能分析

各基準站與數據處理中心之間采用物聯網專網專用APN技術構建數據專網傳輸網絡，根據站點升級計劃同步進行專線網絡建設. 基于2021年3月其中18條基準站數據專線網絡性能測試結果，平均網絡延遲約2 ms，最大網絡延遲6 ms，站點網絡性能優異.

4.1.4 站點優化設計

因場地租賃、站址重疊等問題，國土CORS取消了原國土長豐站和國土巢湖站，規劃CORS取消了朱巷站，其他站點租賃場地均正常托管. 同時與安徽省測繪局簽訂了基準站數據共享協議，共享了安徽CORS的長豐站、巢湖站和廬江站.

4.2 系統軟硬件設備升級

4.2.1 數據中心軟件升級

軟件升級均采用徠卡基于主輔站改正(MAX)技術的Spider軟件，最新的7.7版軟件可支持所有BDS在軌衛星(偽隨機噪聲(PRN)＞63). 規劃數據處理中心運行一套徠卡SpiderNET軟件，國土數據處理中心同時運行徠卡SpiderNET和南方NRS兩套數據處理中心軟件.

4.2.2 基準站設備升級

為解決表1中國土CORS和規劃CORS存在的問題，通過2020—2021年的分批采購，完成了7座國土CORS(肥東站、肥西站、崗集站、造甲站、山南站、郭河站和壩鎮站)和4座規劃CORS(測繪大廈站、官亭站、八斗站和長臨河站)北斗化升級改造，改造后接收機可支持所有BDS在軌衛星. 規劃CORS由拓普康Odyssey-RS雙星接收機和CR3天線升級為徠卡GR50接收機和AR25天線. 為保證國土CORS南方NRS數據中心系統作為國產系統的正常獨立運行，國土CORS采用“一線雙機”的接入模式[6]. 另外8座暫未升級的基準站仍使用南方NET S8+接收機和CR3-G3天線接入NRS軟件中. 經測試，升級后基準站數據完整率提升了3%～4%，實時衛星數增加了3～4顆，抗多路徑性能增強了3～4倍.

4.3 基準站組網的共享模式

不同系統中心間需要共享特定部分基準站的數據，需要一點對多點通信進行數據轉發才能實現[6].本項目采用分組傳送網絡技術在國土CORS與規劃CORS、規劃CORS與安徽CORS系統中心之間分別建立了一條數據共享專線，實現了數據共享和網絡互聯. 合肥市CORS組網綜合運用以下四種共享技術.

4.3.1 “一線雙機”模式

國土CORS現已升級的7座基準站均采用功分器將AR25天線的數據流一分為二：一路接入原有接收機；一路接入升級后的GR50接收機，分別通過兩條獨立的數據專線接入原有NRS系統和升級后的國土Spider系統. 采用此模式的基準站有：國土CORS的肥東站、肥西站、崗集站、造甲站、山南站、郭河站和壩鎮站.

4.3.2 CORS系統之間數據轉發

安徽CORS長豐站、巢湖站和廬江站的數據首先匯總到安徽CORS數據處理中心，規劃CORS通過與安徽CORS的數據共享專線，在Spider軟件進行數據轉發和接收，實現上述3座基準站數據的首次共享，再通過規劃CORS與國土CORS的數據共享專線，同樣步驟實現二次共享. 此外，國土CORS和規劃CORS之間也進行了站點數據的共享. 采用此模式，國土CORS為規劃CORS共享了造甲站、山南站、郭河站和壩鎮站. 規劃CORS為國土CORS共享了八斗站、官亭站、長臨河站，為安徽CORS共享了官亭站、長臨河站.

4.3.3 串口轉換模式

對于數據穩定性要求較高的基準站，可采用MOXA模塊進行串口轉換，轉換后線路一分為二，主路擁有接收機的全部權限，從路被動接收接收機設置分發的數據流. 采用此模式的基準站有：規劃CORS八斗站、國土CORS肥東站、肥西站和崗集站.

4.3.4 IP地址橋接方法

實現CORS網絡互聯互通的主要協議是NTRIP協議[7]，由于國土CORS和規劃CORS兩套系統網絡架構本質上屬于兩套獨立的局域網，數據中心與彼此基準站之間無法連通，因此通過在國土服務器上進行IP地址橋接的方法進行網絡集成，取得站點數據的共享權限. 如圖2～4所示，通過配置接收機分發的實時數據流，規劃CORS采用此共享方法“調用”了國土CORS造甲站、山南站、郭河站和壩鎮站.

圖3 規劃Spider子網

圖4 國土NRS子網

4.4 坐標基準的統一

為了保證基準站成果與國家最新基準的一致性，利用HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ和WUHN 6座國家GNSS連續運行站作為起算[8]，獲得基準站在CGCS2000坐標系下的三維地心坐標，而合肥市現行使用的還有1980西安坐標系、1954年北京坐標系，是通過坐標轉換方法獲得[9].

4.5 擴展服務

系統主要播發RTCM3.2 MSM4差分數據格式，授權用戶可以通過偽加密參數進行實時坐標轉換和似大地水準面精化模型的調用，獲取所需的地方平面坐標和正常高. 用戶管理系統依托于中國移動新一代物聯網OneLink平臺，方便對賬戶資費、SIM卡、停復機、流量池及機卡綁定等業務的管理. 此外，還可以提供事后高精度數據處理、用戶日志分析、坐標轉換等擴展服務.

5 外業測試

圖5為了驗證合肥市CORS融合改造后國土子網和規劃子網的運行性能，2021年8月，在系統覆蓋范圍內選取了22個高等級檢查點進行實時動態(RTK)外業實測，結果表明：

圖5 外業實測點位示意圖

1)系統內符合精度. 國土子網系統內符合精度：水平方向為0.2 cm，高程方向為0.5 cm；規劃子網系統內符合精度：水平方向為0.3 cm，高程方向為0.7 cm.

2)系統外符合精度. 與檢查點已有成果比較，國土子網外符合精度：水平方向為1.3 cm，高程方向為1.9 cm；規劃子網系統外符合精度：水平方向為0.6 cm，高程方向為3.3 cm. 與規劃子網實測結果比較，國土子網外符合精度：水平方向為1.1 cm，高程方向為1.7 cm.

3)系統可用性. 測試點位覆蓋全市范圍，均能快速得到固定解，平均初始化時間為11 s，最大時間為25 s.

通過國土子網和規劃子網的比較測試表明，合肥市CORS升級改造后系統性能優異，各項指標均滿足規范要求.

6 結束語

合肥市CORS融合改造的建設與實施，實現了全市衛星定位CORS的深度融合與數據共享，徹底解決了合肥市長期以來不同CORS系統運行帶來的諸多問題，達到了一網多用、一網共用的預期效果.隨著長三角區域基于BDS基準站網的跨區域組網的推進，以BDS為主體的合肥市CORS必將在合肥市乃至安徽省的城鄉建設和社會發展中發揮更為重要的作用.