利用新技术打造现代化测绘公共服务平台——Trimble VRS解决方案助力甘肃省卫星定位连续运行基准站网建设

牟应录，周 星，张世同

(1.甘肃省测绘地理信息局，甘肃 兰州730099;2.甘肃省测绘工程院，甘肃兰州730050;3.北京天拓斯特科技有限公司，北京100084)

一、引 言

依照甘肃省人民政府提出的“十二五”测绘地理信息科技发展目标，甘肃省测绘地理信息局将建立现代化测绘基准体系作为“十二五”规划重点目标。甘肃省亟待建立以CORS为基础设施的现代测绘基准体系，以满足“一张网、一个库、一个平台”的现代化测绘需求。

此次GSCORS建设项目要求从更高的层次、更广的视野来谋划全省测绘地理信息事业的发展，要用新的思路、新的举措来实践发展目标。按照“构建数字中国、监测地理国情、发展壮大产业、建设测绘强国”的总体战略，加强基础测绘、强化统一监管、推进成果应用、服务经济社会，通过项目实施，全面推动甘肃省的测绘地理信息工作再上新台阶。

GSCORS建设要在国家现代测绘基准体系建设框架上，按照统一规划和标准，在全省范围内统筹建设由120个基准站点组成的卫星定位连续运行基准站网，用以构建高精度、具有动态更新能力的三维空间基准。

GSCORS建成后，可以通过无线数据通信网络实时自动发布卫星定位观测数据，帮助用户随时随地精确测定大地坐标，可为“数字甘肃”提供统一、连续、可靠、高精度的空间地理信息基础框架。

结合目前甘肃省的建设需要，全面建成的GSCORS可应用于以下几方面:

1)加快国土资源调查与管理、基础测绘工作步伐。由于甘肃省整体经济落后，国土面积大，1∶10 000的基础测绘尚未能全省覆盖，GSCORS的建立将推进基础测绘的进程。

2)简化农村集体土地确权登记发证、农村土地承包经营权确权登记等工作。由于该工作点多面广、工作量大，若采用传统的地籍测量调查方法，其原始、低效的缺点将严重影响工作效率。GSCORS的建立不仅能为该工作提供长期、连续、可靠的定位基准服务，而且能提高变更调查与遥感监测的质量和效率。

3)推动找矿突破战略工作。甘肃省目前确定了重点探矿区“三带一盆”(北山、祁连山、西秦岭成矿带和陇东盆地)，使用该系统，解决了之前由于测绘基准体系相对不完善所导致的问题，方便了重点探矿区的基础测绘工作。

4)满足防灾减灾的需要。依靠GSCORS成功地构建了一个长期、连续、可靠的灾害监测系统，从而实现了极端天气的快速预报，为预防紧急降雨造成的地质灾害提供了决策数据依据，同时监测预报构造断裂带活动，以及大型工程和地表构造的变形。

5)满足其他领域应用需求。城市管理:实时、连续、长期的定位导航网络系统是数字城市地理空间框架的重要支撑;气象应用:为气象服务提供各种气象参数，用于气象预报、全省环境监测;交通运输管理:基于位置的导航服务、车辆定位及管理;以及地震、水利、农林等。

GSCORS项目大大改变了甘肃省测绘地理信息工作的服务模式，也大幅提升了测绘地理信息的服务保障能力。

二、关键技术

为保障项目的顺利实施，GSCORS采用了Trimble的NetR9基准站接收机、扼流圈天线、平台管理软件Pivot及一系列先进技术。

1.软件的电离层建模及长基线解算技术

甘肃省面积广阔、形状狭长且不规则，东西长1659 km，南北宽530 km，最窄处仅25 km，为基准站的布设带来了很大的困难。尽管进行了多次的网形优化，在最后的方案中仍然有26.96%的基线超过70 km(如图1所示)，最大边长甚至达到180 km，如此多的长基线边对中心软件的整网解算、电离层建模及长基线解算能力都提出了非常高的要求。

图1 基准站相邻基线长度分布统计

Trimble Pivot采用了Trimble最新研发的电离层模型，该模型不仅能够根据地域、边长、电离层活跃情况等自动调整参数，而且考虑了多项高阶项改正，包括DCB(差分码偏差)改正，使得建模更加精确。此外，Trimble公司还在全球建立了110个跟踪站用于每天解算DCB文件，专门提供给Pivot的用户使用，从而很好地解决了在长边区域电离层误差很难精确建模，以及在距离基站较远的区域流动站可能无法初始化或精度较差的难题。

从后面的系统测试结果也可以看出，即使在长基线众多的区域，系统仍然可以得到优于2 cm的网络RTK定位精度。

2.软件的对流层建模技术

甘肃海拔大多在1000 m以上，高低最大落差超过4000 m，境内地势起伏、山岭连绵、江河奔流，地形相当复杂。

在所有120个基准站中，海拔最高的玛曲站为3562 m，海拔最低的泾川站为997 m，高低落差超过2500 m。如此大的落差，随之而来的就是温度、气压、湿度等气象参数的急剧变化，尤其在甘肃复杂的地形下，某些局部区域的对流层变化有时非常剧烈，这就对软件的对流层建模能力提出了挑战。

但通过使用Trimble Pivot，这些问题都得到了很好的解决。在高海拔落差区域建网方面，Trimble积累了丰富的技术和成功经验，如瑞士国家CORS、四川省CORS，其中瑞士网最高最低站落差甚至超过甘肃省。Trimble最新研发的对流程模型具有动态自适应的特点，即软件能够自动根据地域、海拔、大气环境动态调整模型参数，即使在对流层发生剧烈变化时，仍然能获得精确的对流层建模。

3.高精度的基准站位移监控技术

甘肃省位于强烈隆起的青藏高原东北部及其地壳厚度变异带上，横跨中国大陆东部地台与西部地槽区的交接带，境内地形和地质构造极其复杂，新构造活动强烈。经年累月，这些地质活动必然引起基准站的缓慢位移，尤其甘肃还是我国地震活跃地区之一，一些地震也会导致周边的突然剧烈位移。

为保障甘肃三维空间基准的精度及可靠性，这些基准站位移必须及时修正。根据一些专家建议，半年或1年应重新解算一次基准站坐标，但一般很难做到。倘若某个基准站突然发生了较大位移，即使通过半年或1年解算一次的方式，也不能及时发现问题。

GSCORS使用Pivot的高精度位移监控技术很好地解决了这一难题。该技术不仅解算精度高，可以达到毫米级，而且能够实现实时处理，从而可以在第一时间发现有位移的站点，并进行纠正，避免空间基准的扭曲及外业RTK精度受到影响。

4.虚拟化平台技术

使用单一物理服务器模式进行系统部署，具有硬件、运营和维护成本高，系统可用性低、系统维护、升级或扩容时需要暂停系统，存在可管理性缺乏、兼容性差等问题。为了更好地解决传统单一物理服务器部署应用方式所造成的弊端，GSCORS建设项目使用VMware虚拟架构软件的服务器虚拟架构整合解决方案。

在GSCORS中，配置了1个IBM刀片服务器机箱，在机箱内配置了8台IBM刀片服务器、2台SUN交换机、1台IBM磁盘阵列，每台服务器上都安装配置了VMware—vSphere企业版虚拟化平台软件，用于在单个物理服务器实体上生成多个虚拟服务器。每一个虚拟服务器，从功能、性能和操作方式上等同于传统的单台物理服务器。同时系统采用SAN集中存储方式，可以将每个虚拟机的文件系统创建在共享的SAN集中存储阵列上，VMware VMFS虚拟机文件系统，是一种高性能的群集文件系统，允许多个ESX Server同时访问同一虚拟机存储，从而消除了单点故障。

GSCORS系统中布设7台虚拟服务器和1台独立的物理服务器，并实现Trimble Pivot各功能模块在不同的虚拟机中的冗余备份，独立的服务器位于DMZ区中，用作对外服务的服务器，具体架构如图2所示。

图2 GSCORS中Pivot软件虚拟化服务架构

目前系统部署的虚拟机创建不多，随着后期的应用扩展，需要在该系统中布设更多的扩展应用，从而需要更多的虚拟机，如GAMIT解算服务、TBC解算服务器，以及Pivot的其他扩展应用(如气象应用)，该系统将成为一个综合型的应用系统。

5.智能数据备份技术

为确保GSCORS核心数据的安全存储，系统采用备份系统技术，实现如下功能:

1)实现对GSCORS应用数据、文件及虚拟机系统的全面保护。

2)对所有数据资料建立备份，实现集中多版本管理。

3)当系统中的某一虚拟机发生故障崩溃后能恢复至正常状态。

4)有效防范由于操作人员误操作、硬件损坏、病毒感染、计算机被盗等情况带来的数据损失，当发生数据丢失时能迅速恢复资料，不影响正常工作，提升工作效率。

为实现以上需求，GSCORS采用CofioAIMstor备份软件，该软件安装在一台IBM服务器上，备份数据采用DFT存储设备，存储空间应用RAID5技术作数据冗余，可用数据备份空间大概23 TB。

通过备份系统的搭建，可对系统中的多台服务器的数据进行维护管理，可采用多种方式(数据备份、数据复制、数据迁移等)、多种策略(完全备份、CDP、快照、定时备份、实时备份)的组合进行策略定制，从而实现自动化的备份管理。实现对所有数据的定期备份，保证数据在员工误操作、硬件损坏、病毒感染等情况下不丢失且能够快速恢复;对操作系统和应用进行裸虚拟机备份和恢复，保证各个服务器在故障或宕机情况下，业务在不间断情况下得到接管，保证系统的持续工作。

三、测试及应用

Trimble的技术和产品特性满足了项目施工要求，在构建GSCORS中发挥了不可或缺的作用，也保证了系统建设工作保质保量的完成。一次性安装调试工作共由5个作业小组承担，全部站点安装调试工作于一个月内如期完成。目前已通过系统测试和各阶段的项目验收，全省RTK定位测试了150个点，平面精度1～2 cm，大地高精度2～3 cm。验收结果统计如表1、图3、图4所示。

表1 验收结果统计表 cm

图3 平面精度与最近基准站的距离关系图

测试数据表明，系统整网精度高，且具有一致性，定位精度与基准站距离没有显著关系。

图4 大地高精度与最近基准站的距离关系图

四、应用开发

为了更好地应用GSCORS、更好地管理和服务系统用户，在现有的基础上开发了GSCORS管理服务平台(如图5所示)，该平台具有如下功能:

1)将天地图电子地图数据，境界矢量数据，流动站、基准站位置等数据分图层叠加显示，直观展示系统整体运行状况。

2)实时监控基准站的运行状态，分市(州)统计基准站故障数量，在地图中区别显示故障基准站。同时统计基准站所有的故障信息，以图表的方式显示故障分布，方便分析系统故障的主要原因，为改进硬件系统提供数据支撑。

3)实时监控流动站位置和定位状态、在线用户数量，同时可以分地区、分行业展示实时在线用户分布情况，并对流动站的定位状态进行统计。

4)可以对流动站用户的历史轨迹进行回放，支持流动站作业区域限制。

5)流动站用户分行业、分单位进行录入和显示，便于流动站用户的规范化、精细化管理。

6)每天定时分析系统存储的RINEX数据的完好性、多路径效应等信息，并以图形化方式展示，便于分析基准站周边环境状态。

五、结束语

图5 GSCORS管理服务平台界面

该项目在甘肃省建立了一个与国家空间坐标基准框架相统一、无缝、三维、动态的区域基准框架，先进的技术方案解决了狭长区域布网及高差大对高精度实时定位的影响;项目实施过程真正实现了科学管理、科学建设。同时，结合似大地水准面模型等研究成果，建立了高精度导航定位服务平台，通过多种现代通信手段在全省范围内提供多种精度、多种模式的导航定位服务，还实现了事后精密定位服务功能。该系统不仅可以向用户提供实时动态厘米级定位服务，还可以为气象等部门提供原始观测数据，拓展GNSS气象学应用研究。从技术方面而言，保证了与内蒙古、新疆、青海、四川、宁夏、陕西等系统的联网，为西北大区域联网打下了基础。

从国家现代测绘基准体系建设来看，Trimble帮助甘肃省构建了现代化测绘基准体系，很好地满足了“整合资源、共建共享、全面布网、技术先进、科学管理”的要求，即:首先，整合了中国大陆构造环境监测网络、国家现代测绘基准体系基础设施、部分市州系统的现有资源;其次，联合省国土、气象、地震等多个部门，充分发挥各自优势，通过合作建设实现数据资源共享;最后，除了全省统一布网，各市、县和州还可根据自身需求加密站点，从而建成一个权威的、统一面向社会的空间定位信息综合服务平台。