现有CORS系统的问题分析及解决方案

伍孟琪，郭际明，周长志，张海平，冯彦同

(1.武汉大学测绘学院，湖北武汉430079;2.山东省国土测绘院，山东济南250102)

一、引 言

随着全球导航卫星系统(global navigation satellite system，GNSS)定位技术的发展，连续运行参考站(continuously operating reference station，CORS)网络已逐渐成为城市测绘的基础设施，在广东、江苏、江西、河南、河北、浙江、山西、山东等多地得到应用和推广［1-2］。目前，我国的CORS系统采用的解算软件主要有美国Trimble公司的GPSNet和Pivot、美国TPS公司的TopNet、瑞士 Leica公司的 Spider等，这些软件能够进行CORS基站数据的综合处理，为实时测量用户提供包含虚拟参考站数据的RTCM(radio technical commission for maritime services)电文，实现实时动态(real time kinematic，RTK)测量。然而，这些国外软件普遍存在如下问题:①用户管理效率低下，采用文本文件或底层数据库管理用户，存储的信息较少，存在一定的安全隐患，且对用户增、删、查、改等操作的效率低下;②无法提供地方坐标和正常高实时测量服务，用户需要办理相关手续，通过事后提交测量坐标成果的方式，得到地方坐标和正常高;③异常预警机制不够完善，缺乏高效的系统完好性手段，系统故障信息难以及时通知管理员，从而导致处理滞后［3-6］。

以山东省为例，为了满足辖区范围内的测量定位服务，山东省国土资源厅将地市和行业已建CORS系统纳入，于2011年建设完成山东省卫星定位连续运行综合应用服务系统，实现了覆盖整个山东省辖区的CORS定位服务。作为管理中心使用的数据处理软件，TopNet采用虚拟参考站(virtual reference station，VRS)技术为用户提供定位服务，但在用户管理、成果保密、实时监控等方面仍存在上文提到的问题［7-8］。为了解决现有CORS系统存在的问题，本文提出了一种在实时测量用户和CORS系统之间架设一台三维地方坐标实时测量服务器的解决方案，从而可实现以下目的:①单位管理人员可以直观清晰地了解实时测量用户的相关属性、当前位置、历史轨迹等信息，为提升监督管理效能提供工具;②实时测量用户能够及时获取基于不同坐标系的高精度位置信息及各项数据服务，提升作业效率和产品质量;③系统维护管理人员能够及时获悉系统完好性状况，方便快捷地进行用户管理，提高维护的及时性和准确性。

二、系统总体架构

在传统的RTK高精度测量中，CORS系统接收实时测量用户上传的NMEA数据，采用VRS技术，生成虚拟参考站的观测数据发送给用户［9-10］。用户在移动端进行解算，便能得到CGCS2000三维空间直角坐标。为更好地满足系统维护管理人员、单位管理人员、实时测量用户的实际服务管理需求，本文提出在实时测量用户和CORS系统之间架设一台三维地方坐标实时测量服务器，如图1中虚线框所示。

三维地方坐标实时测量服务器包括数据转发、用户管理及监控、服务管理数据库3个模块。3个模块之间的相互关系与数据流程如图2所示。

图1 CORS系统物理架构

服务管理数据库采用SQL Server 2008搭建，通过科学合理的角色划分体系，记录所有测量过程中的相关信息，从而解决了TopNet基于INI文件进行用户管理的信息匮乏和安全隐患。数据转发模块作为Windows服务，不断接收实时测量用户发送的NMEA数据并转发给TopNet，TopNet根据用户概略位置生成该处的虚拟观测值并发送给数据转发模块。数据转发模块对RTCM电文进行改化后发送给实时测量用户，从而提供安全高效的RTK三维地方坐标和正常高服务。同时，数据转发模块采用虚拟定位算法监测系统的完好性。当系统出现异常时，及时发送短信通知管理员，实现全面的系统完好性预警机制。单位、部门Web用户通过B/S架构的用户管理及监控模块，读取服务管理数据库中的用户测量坐标、上线时间、使用流量等信息，实现用户的在线轨迹监控和历史轨迹查询，并通过对CORS基站数据进行组织管理，实现便捷高效的数据下载申请与基站数据质量分析服务，提供丰富的信息查询统计功能［11-13］。

图2 系统数据流程

三、系统功能特色

通过增设三维地方坐标实时测量服务器，可以有效解决用户管理效率低下、无法提供地方坐标和正常高实时测量服务、异常预警机制不够完善的三大问题，使服务管理工作更加高效。

1.面向用户对象的角色划分体系

根据实际需求，服务管理数据库将用户细分为系统管理员、单位管理员、部门管理员、实时测量用户(见表1)。服务管理数据库是三维地方坐标实时测量服务器的核心，详细记录实时测量用户的所属单位和部门、开通时间、服务到期时间等基本信息，以及在某一测量时间段内点的坐标、数量、在线时长、消耗流量等重要信息。

表1 角色划分体系

系统/单位/部门管理员以浏览器的方式登录服务管理系统的 Web站点，而实时测量用户通过GNSS移动终端接入三维地方坐标实时测量服务器进行测量工作。系统管理员能够管理用户、配置系统，具有最高权限。单位管理员通过Web注册后，能够申请开通部门管理员。单位和部门管理员都能够申请实时测量用户的开通和续费，只需要按照规定步骤，通过Web站点提交申请并上传相关材料的扫描件，待系统管理员审批通过后，将汇款凭证上传即可，使得实时测量用户的开通和续费申请的处理流程实现网络化、本地化，大大提高了服务管理效率。单位/部门管理员通过Web站点，对实时测量用户的管理操作会修改其在服务管理数据库中的相关属性。当实时测量用户进行测量，试图连入CORS系统时，数据转发模块会读取服务管理数据库中所记录的用户信息，通过注册用户的请求，拒绝非法用户的请求。

2.RTK实时地方坐标与正常高测量

在传统RTK测量中，由于椭球转换参数的保密限制和大地水准面模型的缺失，用户只能得到CGCS2000下的坐标和大地高，而无法直接得到能够用于生产实践的地方坐标和正常高。本文提出的三维地方坐标实时测量服务器能够有效解决这一问题。三维地方坐标实时测量服务器接收到CORS系统生成的VRS信息后，解码出RTCM电文里虚拟参考站的坐标，将其转换到辅助坐标系下，同时根据流动站发送的NMEA数据，计算用户所在位置的高程异常，并对虚拟参考站的高程进行改化，将改化后的坐标编码成RTCM电文后播发给流动站用户。如图3所示。

图3 坐标改化与高程异常补偿流程

实时测量用户只需要在接收机中设置CORS管理中心公布的辅助坐标系到地方坐标系的转换参数，便能够实时得到测量点的地方坐标与正常高。

3.系统完好性监测及预警机制

系统完好性监测与预警机制是采用自主提出的虚拟监测站技术实现的。由三维地方坐标实时测量服务器生成多个虚拟监测站点，并向TopNet发送监测站的NMEA数据。TopNet接收到监测站NEMA数据后，以监测站为参考点生成相应的VRS观测值信息。通过对VRS信息解析，可得到TopNet生成的虚拟参考站的坐标和卫星观测值，再对生成的卫星观测值进行单点定位，根据定位结果与虚拟参考站理论坐标之差来确定系统是否正常工作。如果超过设定的相差，则认为生成的虚拟观测值存在问题，需要立即向管理员发出警告信息，并对系统的可用性、CORS基站数据质量、基站的健康状况等进行检查。

采用短信息的报警机制，自动将重要的完好性监测信息提取出来通知管理员，提高了系统的自动化程度，无须专人值守检查CORS系统的完好性，对CORS系统的运行与维护起到了关键作用。

四、结束语

本文提出了在实时测量用户与CORS系统中间增加三维地方坐标实时测量服务器，建立了面向用户对象的角色划分体系、RTK地方坐标和正常高的实时测量技术方法、系统完好性监测与预警机制，实现了符合中国国情的连续运行参考站网服务管理系统，有效解决了国外CORS软件在实际应用中存在的用户管理效率低下、无法提供地方坐标和正常高实时测量服务、异常预警机制不够完善等问题，已在山东省CORS系统得到了实际应用，提高了CORS服务管理效率。

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