区域CORS数据自动化处理系统建设

2016-11-07刘智敏窦世标熊卫东李斐郭金运张海平

全球定位系统 2016年4期

刘智敏,窦世标,熊卫东,李斐,郭金运,张海平

(1.山东科技大学测绘学院,青岛 266590;2.海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室,青岛 266590;3.青岛经济技术开发区规划测绘事务所,青岛 266555;4.山东省国土测绘院,济南 250102)

区域CORS数据自动化处理系统建设

刘智敏1,2,窦世标1,熊卫东3,李斐1,郭金运1,张海平4

目前区域CORS已进入全面应用阶段,由于其数据量大,以人工管理方式尚难以实现参考站的实时监测运行状态、有效科学的数据自动化管理和可靠的高精度数据处理结果解算。因此本文提出了基于GAMIT/GLOBK与Bernese软件的区域CORS数据自动化处理系统,设计了系统总体结构和功能设计。基于山东CORS近三年的数据,区域CORS数据自动化处理系统的建设实现了IGS数据的自动下载、CORS站观测数据的数据信息库管理和维护、数据预处理与质量检查、数据自动化解算、成果可视化输出等功能,算例测试表明，所建设的系统满足CORS网自动化数据处理的需求。

区域CORS网;数据处理自动化;Bernese5.0;GAMIT10.5

0　引　言

连续运行参考系统(CORS)是集成全球导航定位技术(GNSS)、测绘技术、现代通讯技术、计算机技术等多种技术的实用性分布式的网络系统,不仅可以为用户提供动态、连续、高精度的三维定位服务[1],应用于导航、工程测绘、交通管理、精细农业等领域,还可以建立统一、连续的空间坐标基准框架[2]。陈俊勇院士曾多次指出,在未来5～10年内,CORS技术将成为影响测绘新技术革命的重要手段之一。

区域CORS系统是在一定区域内建立多个连续运行参考站,对该地区构成网状覆盖,并以这些参考站中的一个或多个为基准,通过计算和播发误差改正信息,对该地区的卫星定位用户进行实时改正[3]。在对区域CORS系统中大量的基准站观测数据的单天解算处理、CORS站及数据的日常管理和维护、区域对流层和电离层改正模型的建立及CORS站长期观测数据质量的提高中,高精度GPS数据处理软件显得尤为重要。而区域CORS系统的观测数据量大,现存的人工管理的方式尚不能满足区域CORS系统的数据处理及管理维护,因此建立基于高精度GPS数据处理软件的CORS站点数据自动化处理系统,对于保证CORS卫星定位运营中心及时分析、检查数据、获取数据结果是十分必要的[4]。

目前,瑞士伯尔尼大学天文研究所研制的Bernese软件和美国麻省理工学院和斯克里普斯海洋研究所联合开发的GAMIT/GLOBK软件是国际上公认的高精度处理软件[5]。GAMIT/GLOBK软件是基于 UNIX和 LINUX 系统开发的核心模块,用户不能在Windows平台下进行软件操作;Bernese5.0软件不仅在UNIX平台下容易操作,而且在客户端采用Perl语言,可适用于Windows平台下。GAMIT/GLOBK软件和购买后的Bernese软件的源代码是开放的,因此,可以通过调用这两种软件中部分模块化的子程序进行源代码移植及二次开发,建设区域CORS数据自动化处理系统,实现区域CORS数据处理及管理维护的自动化。

国内外很多科研机构及院校对GPS高精度数据处理软件进行移植使用或者基于软件进行二次开发。美国著名的斯坦福直线加速器中心(SLAC),利用Shell及ZShell语言,实现了UNIX系统下的基于Bernese4.2软件的数据自动化下载、处理等;俄罗斯彼得堡的天文应用研究院的Voinov,A.V用Python语言编写了一个GPS数据自动处理的工具包[3]。在国内,西南交通大学的陈宪东研发了基于GAMIT10.2和Bernese4.2的Windows操作系统下的交大GPS(JDGPS),实现了中文显示界面、选择性执行任务、较高处理效率及通用GPS数据处理[4];武汉大学GPS工程研究中心基于Internet技术、数据库技术以及Bemese5.0软件,开发出一套基于Internet的GPS数据自动处理系统Auto-Bernese以提供定位服务[5]。

本文提出采用C/S构架建设区域CORS数据自动化处理系统,设计了系统总体结构和功能,并以SDCORS数据为例验证了该系统的可行性和有效性。

1　系统总体结构

区域CORS数据自动化处理系统平台总体架构的设计,需要考虑已有的业务系统、网络平台和服务器等软硬件及基础设施情况[6-8],同时该系统应具有良好的扩展性。整个平台架构自上而下可分为基础设施层、数据层、服务层和业务应用层四个层次,如图1所示。

图1　系统总体架构图

基础设施层是整个系统实现和运行的基础,主要包括网络平台(内网、外网、防火墙等)、硬件平台(服务器、存储设备、交换机等)、系统软件(操作系统、数据库系统、GPS数据处理系统等)等内容。

数据层包括原始观测数据库、过程数据库和成果数据库三个部分。其中,原始观测数据库记录了每个CORS站每天的观测数据文件、下载的精密星历数据及需要下载的其他各类数据等;过程数据库记录了在进行数据解算过程中形成的中间数据,可通过解算过程的数据查看分析数据解算执行情况;成果数据库记录了数据解算处理的最终成果,包括基线解算成果、网平差计算成果、区域对流层模型、区域电离层模型、时间序列分析成果等。

服务层是业务应用层的基础,提供数据库访问接口、数据预处理接口、数据质量检查接口、数据解算接口、成果可视化接口、成果报告输出接口等区域CORS解算系统的应用服务。

业务应用层是基于区域CORS解算系统的需求,在软硬件和各底层所提供的接口支持的基础上开发形成的一套完整的应用系统,实现了CORS站观测数据的自动化解算处理及数据解算成果的可视化输出。

2　系统功能设计

根据系统运行环境、区域CORS解算的业务需求以及用户分布等情况,区域CORS数据处理系统可划分为数据库管理、数据预处理、数据解算处理、星历数据下载、数据可视化输出、数据自动解算服务6个子系统。系统总体功能结构如图2所示。

2.1数据库管理子系统

数据库管理子系统用于对观测数据库、计算过程数据库、成果数据库的管理和维护,主要包括观测数据管理、CORS站点信息管理、计算过程数据管理、成果数据管理、数据查询、统计分析、数据解算配置参数管理、数据导出、用户管理、权限管理等基本功能。

2.2数据预处理子系统

数据预处理子系统是对CORS站每天的观测数据进行质量检查和数据预处理,为后续的数据解算服务提供规格化的数据以确保其正常运行。

数据质量检查主要是检查每天的CORS站点数据的缺失情况,包括某个CORS站全天无观测数据或部分时段无观测数据。该功能是通过teqc.exe软件来实现的,利用teqc.exe确定某个CORS站某天观测数据是否存在质量问题,如果某个CORS站某天原始观测数据存在质量问题,在数据管理平台界面的地图控件中该站点将闪烁,用户可点击查看相应的错误信息。

图2　系统总体功能结构图

数据预处理主要是完成观测数据文件头的修正及数据文件的重采样处理。各CORS站所提交的原始数据的文件头中的GPS接收机天线信息和系统数据库中记录的对应的CORS站使用的天线信息存在不一致的情况,此外各CORS站接收机接收卫星信号的时间间隔不统一,这些问题都会影响后续的GPS数据解算结果,因此在解算前,需要对观测数据文件头进行自动修正,确保观测数据文件头和数据库中记录的相应的CORS站的信息一致,同时按照指定的时间间隔对各CORS站观测数据进行重采样,生成统一采样间隔的观测数据文件,用于后续的数据处理。

2.3数据解算处理子系统

数据解算处理子系统是对CORS站每天的观测数据进行基线解算、网平差、对流层建模、电离层建模等整个过程的处理。

为了对GAMIT/GLOKB和Bernese的高精度解算结果进行对比,本系统拟采用这两种软件分别对区域CORS网的日常观测数据进行基线解算、网平差以及后续的对流层和电离层建模等相关处理。在分析了GAMIT、Bernese的功能模块和GPS观测数据处理具体工作流程的基础上,编制了相应的数据解算脚本[9]。数据解算处理子系统通过调用这两种软件的处理脚本,分别解算每天的CORS站观测数据,并实现解算结果自动入库。用户通过数据管理子系统的相应功能可以对解算结果进行对比分析,对某天解算结果误差较大的CORS站点输出警报信息,用户可以通过警报信息及时了解各CORS站观测数据的质量情况。

2.4星历数据下载子系统

利用GAMIT和Bernese进行数据解算处理时,需要精密星历数据及部分IGS站的观测数据,而这部分数据每天均有更新[10],因此,在进行数据解算前要下载对应日期的相关数据。

数据自动下载服务是用于提供对上述数据的下载服务的程序,该程序运行于下载服务器上,每天定时从指定的数据服务器上下载所需要的数据。为保证数据的正确下载,确保计算数据不缺失,每天下载均生成相应的日志,对下载失败的数据,在后续一定时间会重新下载,如果遇到从外部服务器连续多天无法下载的情况,系统将输出警报信息,要求管理员及时检查无法下载的原因。

2.5数据可视化输出子系统

数据可视化主要实现每天观测数据处理结果的可视化输出,查看每天各CORS站点数据处理的质量情况,主要包括数据质量、电离层和对流层模型、速度场等可视化功能。

2.6数据自动解算服务流程与功能实现

由于区域CORS网中各CORS站点是全天候不间断地接受GPS卫星信号,因此每天都会生成一组观测数据。实现CORS网数据的自动解算服务,能有效提高对CORS网观测数据的处理效率[11-14],自动化处理流程如图3所示。

图3　数据自动解算流程图

管理员将各CORS站每天所提交的观测数据整理好后,按要求拷贝到数据自动解算服务器所指定的目录下,解算服务每天定时扫描相应目录的变化情况,如果扫描到新的文件,则进行数据预检,检查数据是否完整、数据格式是否正确等,预检符合要求的观测数据自动入库;数据入库后,进行数据预处理,生成后续解算处理所用的观测数据;然后进行数据的质量检查,生成质量检查报告;最后进行数据的基线解算、网平差处理、生成电离层模型、对流层模型,并把相关结果输出到成果库中。至此完成了数据的自动解算处理,通过监控平台可以生成数据解算报告及各种成果可视化图件。

考虑到解算过程中所需要的精密星历数据以及所用的IGS站观测数据文件的更新时间问题,自动解算流程中的基线解算节点及后续的流程则是要延迟一定天数后才会自动启动,启动条件是对应日期的精密星历和参与计算的IGS站的观测数据文件已经下载入库[14]。

3　系统实现与算例测试

3.1系统实现

根据系统设计,结合山东省连续运行卫星定位服务系统(SDCORS),研发了SDCORS数据自动化处理系统。该系统的结构是基于Intranet/Internet 技术,采用通用数据库技术MySQL,以客户端/服务器(C/S)的构架方式进行设计开发,实现数据自动解算等服务。当用户提交任务后,调用后台GAMIT和Bernese等GNSS处理软件进行相应的数据处理,实现区域CORS数据的自动化处理。该系统的自动下载和自动解算工具,需在服务器端连续运行[15]。自动下载工具的界面如图4所示,可以实现每天定时下载用户指定天数的数据,并将下载后的数据自动保存到文件夹中,供用户调用;然后通过自动解算工具将数据入库、数据预处理、基线解算、网平差等几个数据处理步骤整合,自动完成解算任务。具有开放性、易操作性、界面友好性、可靠性和安全性等特点。

该系统输入用户名和密码即可登录进入主界面,如图5所示,实现数据管理、数据预处理、基线解算和网平差、可视化结果查看等功能。

3.2自动化处理算例测试

为了验证SDCORS数据自动化处理及分析系统的可行性及有效性,以山东省CORS 2015年1月1日-3日全天的采样间隔为30 s 的CORS数据进行测试分析。利用自动下载工具下载IGS文件和解算准备文件,再利用自动解算工具即可实现SDCORS数据自动化解算,在系统中即可查询解算结果,表1示出了SDCORS部分站点GAMIT/GLOBK和Bernese网平差单天解的结果比对信息。

图4　自动下载窗体

图5　SDCORS数据自动化处理及分析系统登录主界面

图6　2015年1月1日SDCORS部分站点网平差结果对比图

测站ΔX/mΔY/mΔZ/mANQI-0.00790.01320.0082BOSH-0.01040.01470.0105CAOX-0.01080.01440.0103CHLE-0.01040.01510.0111CHQI-0.00930.01110.0082CJRS-0.00860.01090.0085DEZH-0.01240.01690.0126DOMI-0.01330.01840.0129FEIX-0.00970.01220.0088GAOM-0.00990.01710.0088GQML-0.00940.0130.0083GQZD-0.00720.0070.0051GURA-0.00980.01270.0099GUXI-0.01010.01260.0087HDAO-0.0090.01380.0104HEKO-0.0080.01070.0079HEZE-0.01250.01760.0127HSYA-0.0120.0180.0132HUTA-0.00950.01440.0084JDMO-0.00360.00510.0018JINI-0.00990.01190.0075JIUL-0.00920.01190.0094JNAN-0.01030.01430.0113MAX-0.00360.01840.0132MIN-0.01330.00510.0018MEAN-0.00970.01330.0093STD0.0020.00320.0025

该系统分别调用GAMIT/GLOBK和Bernese对2015年1月1日-1月3日SDCORS部分站点数据进行解算,查看如图6所示的1月1日的网平差,明显看出,两者得到的三维方向上的最终坐标结果差值在0.02 m内;三维方向上的结果都存在一定的系统误差,这是由两种软件在数据处理过程中选用的模型及参数的设置造成的。该系统的解算结果满足了省级CORS在ITRF 地心参考框架中小于0.05 m的精度要求[16],从而证明了SDCORS数据自动化处理及分析系统解算结果的可行性和可靠性。

3.3可视化算例测试

SDCORS数据自动化处理系统不仅可以解算SDCORS全部站点的坐标,而且可以实现应用分析的自动化处理。利用小波分析理论,实现周期性分析,可用于因环境、地质等外部因素导致的CORS站点的变化分析;通过对站点的坐标时间序列进行谱分析,实现坐标序列的可视化,从而可以对坐标框架进行维护,建立区域动态参考框架模型;利用解算得到的电离层和对流层改正文件,可以实现区域电离层模型和区域对流层模型的可视化,进一步对山东省空间电离层、对流层的变化做分析,探究其时域特性与空域特性。图7、8分别为该系统生成的电离层和对流层可视化成图。

图7　电离层可视化

图8　对流层可视化

4　结束语

本文采用C/S构架建立基于GAMIT/GLOBK与Bernese软件的原型系统——区域CORS数据自动化处理系统,其建设提高了区域CORS大数据的有效管理和建设服务能力,实现了数据的自动下载、CORS站观测数据的日常管理和维护、数据预处理与质量检查、数据自动化解算、成果可视化输出等功能。通过山东CORS近三年的数据对该系统进行测试,验证了该系统的可行性和可靠性。该系统目前满足CORS中心对CORS站网的管理和维护,下一步研究实现对CORS用户的高精度、实时、在线定位服务,从而实现CORS系统的大规模、长距离、高覆盖率、网络化、多用途的“一站式”应用服务体系。

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Foundation and Realization on Regional CORS Data Auto-processing Management Information System

LIU Zhimin1,2,DOU Shibiao1,XIONG Weidong3, LI Fei1, GUO Jinyun1,ZHANG Haiping4

(1.GeomaticsCollege,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao, 266590,China; 2.KeyLaboratoryofGeomaticsandDigitalTechnology,Qingdao,Qingdao266590,China; 3.Surveymappingandplanningoffice,EconomicandTechnologicalDevelopmentZone,Qingdao266555,China;4.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping, 2301JingshiRoad,Jinan250102,China)

At present, CORS has entered a comprehensive application stage. Because of the large amount of data, the method of manual management can not realize the real-time monitoring of the

tation, effective scientific data automation management, and reliable high precision data processing results. So the data auto-processing system were proposed based on GAMIT/GLOBK and Bernese software, and the overall structure and function of the system were designed. Based on the data of Shandong CORS for nearly three years, the construction of regional CORS data automation processing and analysis system has realized, the main functions includesthe automatic download of IGS data, data warehouse management and maintenance, data preprocessing and quality inspection, data automation, and results visualization. The test shows that designed system can meet the high-precise requirements of auto-processing CORS network.

Regional CORS; data auto-processing; Bernese5.0; GAMIT10.5

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.015

2016-05-10

国家自然科学基金(批准号:41374009)；青岛市博士后研究人员应用研究项目资助(编号：2015186)基金,海岛礁测绘技术国家测绘地理局重点实验室开放基金(编号:2015B01)

228.4

1008-9268(2016)04-0070-07

刘智敏(1975-),女,河北唐山人,副教授,博士,主要从事GNSS定位理论技术及其应用研究。

窦世标(1990-),男,山东定陶人,硕士生,主要从事GNSS数据处理与GPS气象学研究。

熊卫东(1973-),男,四川遂宁人,硕士,总工程师,主要从事地理信息系统研发与应用研究。

李斐(1992-),女,山东烟台人,硕士生,主要从事GNSS数据处理及应用研究。

郭金运(1969-),男,山东巨野人,博士,教授,博士生导师,主要从事空间大地测量、海洋大地测量和物理大地测量等研究。

张海平(1977-),男,山东五莲人,硕士,工程师,主要从事CORS数据处理及应用研究。