“拓展型”CORS建设的关键技术研究

黄兵杰，陈世财，王厚之，王祥

(1.武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022； 2.精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室，湖北武汉 430079)

“拓展型”CORS建设的关键技术研究

黄兵杰1，2∗，陈世财1，王厚之1，王祥1

(1.武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022； 2.精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室，湖北武汉 430079)

基于武汉城市圈CORS建设的经验，探讨了咸宁基准站的建设构想，从基准站的设计、选址、建造和数据通信、资源共享的异构、用户管理系统建设等关键技术问题提出了较详细的解决方案。

CORS；分区服务；转换参数保密；数据通信；异构

1 引 言

信息化是时代发展的必然趋势，是现代城市发展的重要标志，地理空间信息是城市信息化必需的最基础信息。连续运行卫星定位服务系统作为“地理空间数据基础设施”的重要组成部分，可以向用户提供高精度、连续的时间和空间基准，及时地满足城市规划、国土测绘、城乡建设、环境监测、安全监测、防灾减灾、气象预报、智能交通、数字城市等多方面现代化、信息化管理对空间位置的定位需求[1]。

2005年6月，武汉市在全省率先建设完成了连续运行卫星定位服务系统(WHCORS)，自建成以来，WHCORS在武汉市日常测绘生产和社会公共服务中发挥了极大的作用，产生了明显的社会经济效益。2008年，为顺应“1＋8”武汉城市圈“两型社会”建设的需要，武汉市勘测设计研究院以WHCORS为基础，针对武汉城市圈CORS(WHMCORS)建设、运营管理、实践应用等方面一系列内容开展了研究，突破和解决了区域性“拓展型”CORS建设和使用中的多项技术瓶颈[2]。应用项目的研究成果，分别于2008年4月、2009年5月、2009年10月和2010年7月完成了武汉城市圈城市鄂州、仙桃、潜江、天门基准站的建设。在WHMCORS建设过程中，不仅实现了研究成果直接转换为生产应用，而且在实施过程中总结完善了建站的关键技术。

本文根据武汉城市圈咸宁基准站的建设构想，探讨“拓展型”CORS系统建设中的关键技术问题，并提出了相应的解决方案。

2 武汉城市圈CORS建设基本概况

武汉城市圈，是指以武汉为中心，以100 km为半径的城市群落，包括武汉及黄石、鄂州、孝感、黄冈、咸宁、仙桃、潜江、天门等8个周边城市。目前，WHMCORS由位于武汉市内6个基准站以及鄂州、仙桃、潜江、天门4个基准站组成，平均站间距约50 km，有效覆盖范围达2万余平方千米。图1为WHMCORS基准站设计方案图。

图1 WHMCORS基准站设计方案图

咸宁市位于湖北省东南部，湘鄂赣三省交界处，是南下北上的主要通道，有“湖北南大门”之称。北与武汉市江夏区、鄂州市、大冶市毗邻，东与黄石市的阳新县交界，南与江西省的修水县、湖南省的平江县接壤，西与荆州市的洪湖市隔江相望，全市面积9 861 km2。按照CORS系统的建设要求，如果单独建站，至少需要6个～8个基准站和一个数据处理中心，投入超过200万元，采用“拓展型”CORS的建设模式，只需建设3个基准站，并且共享了WHCORS数据中心，投入成本只需60万元左右，不仅节约了建设资金，而且共享了系统资源，扩大了服务范围。

3 “拓展型”CORS建设的关键技术研究

3.1 WHMCORS系统的基本原理

WHMCORS是基于VRS(Virtual Reference Station)原理的基础上建设的，VRS理论的是由Herbert Landau博士提出[3]，并由Spectra/Terrasat公司推向市场的模型。它通过与流动站相邻的各个参考站之间的基线计算估计各项误差，中心控制站根据三角形插值方法建立一个对应于流动站点位的虚拟参考站，将这个虚拟参考站的改正数信息传输给流动站，然后流动站结合自身的观测值实时解算出流动站的精确点位[4]。

WHMCORS系统由基准站子系统、控制中心子系统、数据通信子系统、数据发播子系统、用户应用子系统五个部分组成，各基准站与控制中心之间通过数据通信子系统连接成一体，形成专用网络。系统集成了卫星定位技术、计算机网络技术、无线数据通信技术、数字中继技术、远程监控技术等当代先进技术。针对不同用户的需求，建立起从静态、动态到高动态，从事后、准实时到实时，从毫米级、厘米级到分米级精度的定位、导航服务体系，满足各行各业对获得空间位置信息的需求。

3.2 咸宁基准站子系统的建设的关键技术

基准站子系统是CORS系统的基础，基准站的网形设计、站址选择、施工设计、安全防护以及设备选型等直接影响到CORS系统的控制范围、精度指标、安全稳定和日常维护等。

咸宁市地跨东经113°32′～114°58′，北纬29°02′～30° 19′，现辖咸安区、咸宁经济开发区、嘉鱼县、通山县、通城县、崇阳县和赤壁市四县一市二区。根据WHMCORS已建基准站分布以及咸宁市的地理概况分布，咸宁基准站站间距应在40 km～80 km为宜。按照以上原则，以WHMCORS为基础实现咸宁市域厘米级实时定位的全覆盖需建设基准站3个，站址分别选在咸安区、通山县城和通城县城。详见图1的咸宁基准站分布网点。

在确定了基准站大致位置之后需要到实地具体选择基准站站址。基准站站址需要达到的条件包括:稳固的基础、较好的GPS数据观测质量、可靠的供电系统、便捷的计算机网络和完备的安全防护措施。楼顶站的位置应在稳定建筑物的支柱上，保证楼顶站相对建筑物非常稳定，基岩站应选择微风化层较浅，相对稳定的板块上。

卫星跟踪基准站要求全天候能够观测到尽量多的卫星，同时各种信号干扰不能影响观测数据的质量。在确定点位前先进行测试，包括实地选址时的场强测试和不少于连续24 h的GPS观测数据的质量分析。GPS观测数据的质量分析可以利用teqc软件，从观测数据完好性、多路径影响、信噪比、伪距定位结果、与已建基准站的基线解算等五个方面进行分析，看测试数据是否满足CORS系统建设的相关要求。

观测墩在设计时要考虑的因素包括:稳固、防水、防风、防虫、防尘、防日照等因素。仪器室应考虑:恒温、防水、防尘等。

基准站的防护包括:室外设备防雷、电气设备防电涌、网络设备防射频干扰以及所有设备的防盗。室外设备防雷主要是观测墩防雷击。根据城市圈CORS系统的成功经验，在咸宁基准站上采用高脉冲主动放电式避雷针。电气设备防电涌是在设备接入电源前安装电涌保护装置，防止瞬间高压直接损坏电气设备或缩短电器设备的使用寿命。GPS传输线接入接收机和计算机网络接入采用的电缆是需要射频保护。

3.3 咸宁基准站数据通信子系统建设的关键技术

“拓展型”CORS的建设数据通信子系统的关键技术主要包括:一是选择合理的网络通讯方式，实现咸宁基准站与控制中心之间的互联互通，需要考虑的是可靠性(能独占带宽)、实时性(通信延迟应小于500 ms)、数据传输速率(不低于64 kbit/s)、可扩充性(能按需要扩充基准站)及价格等因素。二是进行网络整体规划和IP分配，使WHMCORS数据中心能够实时的收发各个基准站发来的GPS数据和其他共享信息，同时又不妨碍其他用户能够正常使用本系统，保持原有的基准站和系统GPRS发播的正常进行，保证WHMCORS网络平台具备良好的层次性和扩展性。三是对基准站资源的集中管理，实现咸宁基准站和WHMCORS控制中心不同网络节点之间的系统互访和资源共享。

为满足咸宁基准站网数据通讯的需要，经过城市圈其他城市的试验验证，选择中国电信长途数字电路SDH技术作为连接方案，即在WHMCORS数据中心和咸宁基准站之间租用2 M长途数字电路来实现基准站观测数据的实时传输。长途数字电路SDH的技术特点如下:

(1)稳定性好:SDH基于时分复用，稳定性高，提供了丰富的检、纠错能力，可组成各种形式的环网，具有完善的自愈保护功能，使得传输链路的可用性很高。

(2)高速率性:SDH可提供2 Mbps～10 Gbps的电路速率，可作为链路来支持IP网，其作用是将路由器以点到点的方式连接起来。

(3)高可靠性:SDH网络可提供高质量、高可靠性的传输通道。通过自愈环的结构，可确保通道的切换时间小于50 ms。同时，网络的互联环结构，保证跨环业务的生存性，且光传输网络高度统一，覆盖广。

由于鄂州、仙桃、潜江、天门、咸宁基准站接入后的WHMCORS网络同时具有有线MPLS线路、移动GPRS线路和电信SDH线路，为了避免不同服务之间连接所产生的路由冲突问题，防止路由数据黑洞，必须保证网络具备层次性和规范化。差分数据仍沿用WHCORS系统的GPRS连接发播，不作改动，城市圈用户直接从数据中心接收差分改正信息。建设完成后，整个系统网络拓扑结构如图2所示。

图2 WHMCORS系统网络拓扑图

3.4 信息资源共享中的异构问题研究

“拓展型”CORS建设中遇到的一个关键问题是信息资源共享中的异构问题。CORS是一种基于网络建立的地球空间信息系统，随着网络规模的不断扩大，网络变得越来越复杂，在利用新的开发环境、硬件设备、信息交换和数据传输方式时，可能与原来的系统产生不兼容，这种差异反映了CORS的异构特性[5]。

CORS软硬件的异构主要体现在:采用的GNSS接收机、网络设备、通信协议及方式、数据发播的载体、数据处理中心软件等在结构、功能上存在差异；各类设备及软件类型及版本上存在差异。

CORS信息异构主要体现在:CORS定位技术在数学模型、误差计算方法等方面存在差异；GNSS的空间基准、时间基准等方面存在差异，不同区域采用不同的坐标基准；不同GNSS接收机输出的原始数据格式、内容和观测值类型存在差异，相同格式的差分数据在语义上存在差异，如RTCM、CMR，在格式上虽然相同，但其定位精度、可用性等方面并不同，其语义是异构的。由于信息异构，不同的系统将可能具有不同的精度、可用性等参数。

解决这些问题的关键在于建立统一的技术标准和互操作平台，开发基于中间件数据技术分层模型，通过各层的网关完成数据封装方式以及通信协议的自动适配，并在此基础上建立多级网络管理体系，实现系统内部、系统之间的信息资源共享。解决CORS异构问题如图3所示。

图3 CORS信息资源异构问题的解决方案

WHMCORS联网后，由于信息异构会带来定位精度、可靠性、可用性等服务质量下降的问题。如果两个系统定位服务精度、可用性等方面存在差异，则两个系统进行服务联网(实现服务漫游)形成一个整体后，各区域内定位精度等指标将变得不均匀，相对用户而言，其结果就是全系统定位精度、可靠性和可用性等服务质量下降。该问题必须从GNSS定位算法等方面加以解决。

3.5 用户管理子系统的建设研究

作为CORS系统的重要组成部分，如何确保基准站系统安全、稳定、高效的运转不仅在于基准站的设计和建设，还包括建立一套完善的管理模式。随着城市圈CORS覆盖的范围不断扩大，用户数量不断增加，根据城市圈建设单位的要求，开发了WHMCORS用户管理系统，实现了用户的电子地图显示、区域管理、账目管理、在线查询、实时监控、转换参数保密、RTK实时精化正常高、数据下载等功能，其中最关键的技术是坐标转换参数保密和用户分区域管理[6]。

利用网络RTK差分定位原理以及坐标系统转换模型，实现WGS－84坐标到地方坐标转换参数保密算法，在保证精度前提下，对不同用户采用不同的转换参数，提高了测绘成果安全性，保证了地理信息安全。同时在似大地水准面精化完成的城市，提供RTK实时获得正常高的功能。

综合利用几何拓扑关系和射线法原理(见图4)，开发了分区域服务模块、分级授权管理模块，对用户的有效作业范围和服务内容进行有效管理。系统根据用户权限，对用户作业区域进行实时控制，并设置一定缓冲区，以保证各区域重合的地方能进行正常作业，用户只能在授权区域内作业，超出授权区域则不提供实时定位服务，从而保证了城市圈各用户的利益，防止跨区域作业的现象发生。

图4 射线法分区管理原理

WHMCORS用户管理系统的完善，一方面进一步优化了数据中心管理工作流程，提高了管理人员工作效率，保障了系统运行的可靠性；另一方面，精确计时和实时查询、分区域管理、实时监控等功能的实现改变了某些用户长时间占用系统资源、跨区域作业给其他用户带来利益损害的不良作业习惯，达到了促进系统运营中资源合理分配的目的。图5为用户管理系统中权限设置的界面，包括分区管理、是否提供精化高程、是否进行参数保密等功能。

图5 用户权限管理数据库

3.6 其他关键技术

在咸宁基准站的建设过程中，还有一重要的环节，就是控制网联测，包括基准站网的控制联测、城市GPS控制网的联测、精密水准联测，控制网联测的目的是为了建立和维护咸宁市高精度的三维动态测绘基准，保证地心坐标与城市圈已建的CORS系统地心基准一致，实现城市圈城市空间定位基准一体化，促进城市圈信息服务平台统一，满足国家测绘局推行的国家大地坐标系(CGCS2000)的要求。在此基础上，精确求取咸宁市域的CORS系统转换参数，实现单人单机厘米级网络RTK实时定位测量，满足用户对不同服务领域、不同层次的用户需求。

4 结 语

本文通过武汉城市圈鄂州、仙桃、潜江、天门基准站建设的成功实例，总结了“拓展型”CORS建设中存在的关键技术问题，并结合咸宁基准站建设的构想，在基准站子系统建设、数据通信子系统建设、信息异构、用户管理系统等方面提出了一些有益的参考意见，为咸宁基准站的建设奠定了较好的基础。

[1] 刘经南，刘晖等.建立全国CORS更新国家地心动态参考框架的几点思考[J].武汉大学学报信息科学版，2009，34 (11):1261～1265

[2] 肖建华，李江卫，周剑.武汉城市圈连续运行卫星定位服务系统建设的战略构想[C].2006年中南地区城市勘测改革发展暨学术研讨会论文集，2006:7～11

[3] Herbert Landau，Ulrich Vollath，Xiaoming Chen.Virtual Reference Station Systems[J].Journal of Global Positioning Systems，2002，1(2):137～143

[4] 梅生强等.基于Delaunay三角网的大规模CORS基准站组网技术研究[J].大地测量与地球动力学，2008，28 (1):131～135

[5] 杨浩，李敏.CORS信息资源共享中的异构问题研究[J].测绘信息与工程，2008，33(4):11～12

[6] 辜声峰，胡羽中，唐卫明.大规模基准站组网与分区服务技术探讨[J].大地测量与地球动力学，2010，30(4):147～150

Research of the key Techniques on Construction of Expanding CORS

Huang BingJie1，2，Wang HouZhi1，Zhou Jian1，Wang Xiang1
(1.Wuhan Geotechnical Engineering And Surveying Institute，Wuhan 430022，China；2.Key Laboratory of Precise Engineer and Industry Surveying of SBSM，Wuhan 430079，China)

Based on experience of CORS construction in Wuhan Metropolitan Area，It discusses the construction envisagement about Xianning GPS fiducial station，which is involved with the design，selection of site，monumentation of observation frusta，construction of communication network，the problem of the heterogeneous of CORS information resource share，and the particular solution methods are resented.

CORS；divisional service；secrecy of transformation parameter；data communication；Heterogeneous

1672－8262(2011)02－57－04

P228

A

2010—12—16

黄兵杰(1974—)，男，硕士，工程师，主要研究方向为精密工程测量及GPS数据处理。

精密工程与工业测量国家测绘局重点实验室开放基金资助(PF2009－9)