国家测绘基准管理服务系统建设

王 凡，张 鹏，孙占义，王孝青，张庆兰，王永尚

（国家基础地理信息中心，北京 100830）

0 引 言

我国现行的大地基准为2008年7月发布的“2000国家大地坐标系”在地学研究、国民经济建设等方面发挥了重要作用[1]，但是连续运行基准站的数量仍然偏少且分布不均，还未达到有效基准维持和全面综合服务的目标[2]。我国现行的高程基准为“1985国家高程基准”是个局部高程系统，与国际高程系统存在米级以上的较大差异，随着全球经济一体化的发展，与全球高程基准统一是今后发展的必然趋势[3]。我国现行的重力基准为“2000国家重力基准”，作为重力基准基础设施建设而言，目前全国仍然处于不足，重力空白区仍然存在[4]。

综上所述，现行大地基准、高程基准、重力基准等传统基准不能满足现代应用的需求。“国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程”利用现代测绘新技术和空间定位技术，建设了地基稳定、分布合理、利于长期保存的基础设施，形成了高精度、三维、动态、陆海统一以及几何基准与物理基准一体的现代测绘基准体系，提升了测绘工作为经济建设、国防建设和科学研究的服务保障能力[5]。为了保证整个工程数据、成果的管理与服务，保障整个系统的运行，工程搭建了国家测绘基准管理系统，具体负责对汇集的属性测定数据进行常规的处理及分析，产出GNSS连续运行基准站的站坐标、站时间序列、位移速度、精密星历等产品，服务于中国大陆地心参考框架的建立与维持。系统为我国首个测绘基准管理服务系统，本文主要介绍国家测绘基准管理服务系统的设计思路、系统结构、技术实现等，并同时对系统产出的成果进行精度分析，以期为未来类似的工程建设提供借鉴参考。

1 数据管理子系统

数据管理子系统实现了国家GNSS连续运行基准站的运行监控，具备了站点实时和事后数据的汇集管理、工程衍生产品的存储管理、系统监控及系统安全数据的备份等功能，开展了国家测绘基准观测数据（国家GNSS大地控制网、国家高程控制网、国家重力基准点建设成果资料与数据）的收集与整合，保证了后续的功能任务模块能快速、可靠地访问数据资源。数据管理子系统架构如图1所示。

图1 数据管理子系统架构图Fig.1 Architecture diagram of data management system

1.1 数据管理子系统软、硬件平台

数据管理子系统软件包括GNSS数据采集格式转换软件、重力数据采集软件、专用精密水准测量电子记薄软件、数据中心监控软件、国家测绘基准数据库管理服务软件、基准站建库与应用服务系统、GNSS完备性检测软件以及全国基准站数据汇集交换系统等软件。硬件包括PC服务器5台，微机8台，UNIX服务器3台，光纤磁盘阵列2台，自动磁带库1台，光纤交换机1台，便携机5台。

1.2 数据管理子系统的功能模块

数据管理子系统实现了数据汇集、数据管理、数据存储备份、数据库管理和系统监控等功能。数据汇集模块:通过工程建立的网络通信基础设施，实现了210个GNSS连续运行基准站站点的管理控制、实时监测、NEMA分发、接收机观测数据粗差探测以及基准站观测数据流的汇集与分发。可实时传输亦可定期推送。数据管理包括本工程所有观测数据的检查、存储和备份，制定了存储策略，对汇集到数据中心的海量数据进行存储，以方便后续的业务功能模块能按需访问；实现了汇集入库数据质量检查功能；实现工程数据的归档管理和数据入库管理。数据存储备份模块：部署大容量磁盘阵列、磁带库和双重热备软件，实现数据双备份，确保数据安全，实现了150 TB数据存储、备份能力。数据库管理模块：搭建了国家测绘基准数据库,实现海量、多类型基准数据和产品的统一组织管理；实现了超过100个并发用户同时访问数据库的能力，数据库操作响应时间小于1s。系统监控实现了国家基准站视频和运行状态实时监控，实现了数据中心的数据流程监控、功能模块状态监控、网络资源监控、安全信息监控、设备完好性监控等功能，如图2所示。

图2 国家基准站数据汇集交换系统Fig.2 GNSS data collection and exchange system

1.3 数据管理子系统性能

1）支持多级别存储方式，存储、备份、管理至少30TB的工程数据量。

2）建成了一个运行稳定的数据库管理系统，支持50个用户以上的并发访问，操作响应时间小于2s，平均无故障运行天数不低于95%。

3）系统文本查询服务等待平均时间小于1s，空间查询服务等待平均时间小于5s，连续的观测数据入库和空间成果数据入库互操作满足实时动态入库要求，服务等待平均时间不超过10s。系统支持大于500用户并行的数据整合入库工作。

4）系统具备稳定性、可扩展性、友好性等。稳定性：系统应能7×24 h连续运行，平均年故障时间少于5 d，平均故障修复时间少于24h。可扩展性：系统充分考虑将来的扩充，最大限度地保护已有的数据资源、保证系统运行的稳定。系统在运行环境的软、硬件平台选择上要符合工业标准，具有良好的兼容性和可扩充性，能够较为容易地实现系统的升级和扩充。友好性：系统的应用和维护方便、灵活、易用。

2 数据处理分析子系统

数据处理分析子系统依托了计算机网络、数据处理技术，基于高性能集群处理服务器、并行计算作业均衡调度系统（LSF）、大容量存储磁盘阵列搭建并行处理平台。实现了GNSS连续运行基准站、卫星大地控制网、高程控制网、重力基准点的数据处理和测绘基准数据分析的功能，可产出GNSS连续运行基准站的站坐标、站时间序列、位移速度、卫星快速预报星历、快速星历与综合精密星历、GNSS卫星完备性以及参考框架稳定性分析等产品。数据处理分析子系统架构示意如图3所示。

图3 数据处理分析子系统架构Fig.3 Architecture diagram of data process and analysis system

2.1 数据处理分析子系统功能模块

数据处理与分析功能具体由GNSS连续运行基准站数据处理、卫星大地控制网数据处理、高程控制网数据处理、重力基准点数据处理和测绘基准分析等功能模块组成，形成了我国地心坐标参考框架（CGCS 2000）的维持和精化能力，可得到我国动态地心坐标框架稳定性评估、变化趋势、GNSS卫星完备性监测以及我国大范围地形垂直变化的监测结果等，从而提高国家动态地心坐标框架精度和可靠性。

2.2 数据处理分析子系统软、硬件平台

数据处理子系统的软件包括重力数据处理软件、水准网平差软件、多模数据解算软件、精密单点定位软件、北斗高精度数据解算软件、GNSS大地控制网平差软件以及坐标框架稳定性分析软件。硬件包括集群服务器1套、PC服务器4台、以及工作站6台。其中集群服务器为192核的高性能，可满足高速、实时大容量大规模矩阵计算需要，是数据中心的核心计算设备。PC服务器主要负责重力、水准数据处理、卫星大地控制网数据处理。高性能工作站主要用于数据预处理、轨道预处理、电离层计算等。

2.3 数据处理分析子系统性能

系统具备每日处理2000个连续运行基准站的能力；形成处理超过10 000点以上卫星大地控制网数据处理分析能力。系统主要产品技术指标如下：国家GNSS连续运行基准站地心坐标各分量精度优于±1cm；精密定轨精度优于±0.05 m等；基准站坐标属性年变率水平精度优于±1mm，高程优于±2 mm。卫星大地控制点坐标水平分量的精度优于±2 cm，垂直分量的精度优于±5 cm。

3 共享服务子系统

共享服务子系统依托网络基础平台，采用Web和FTP技术手段提供共享目录和本工程产出的数据成果信息等服务。共享服务主要面向国家各部委、测绘专业用户、科研单位等相关用户，通过网络化服务等渠道使服务更加直接，并且在将来可以满足个人用户对于导航定位基准的需求。共享服务子系统架构示意如图4所示。

图4 共享服务子系统架构图Fig.4 Architecture diagram of service system

3.1 共享服务子系统功能模块

共享服务子系统实现了检索查询功能、产品服务、信息发布等功能，具体包括提供数据目录、数据产品、成果产品及站点信息等查询检索功能，数据服务内容包括观测数据、成果和信息等产品服务，可通过Web、FTP等方式获取，具有动态信息发布功能，及时发布数据服务更新、标准规范、站点建设情况、工程进展等信息，如图5所示。

图5 国家现代测绘基准信息发布系统Fig.5 The information release system of national modern surveying and mapping reference

3.2 共享服务子系统软、硬件平台

针对共享服务子系统定制开发的软件有网络信息发布软件。硬件包括PC服务器、微机、便携计算机等。

3.3 共享服务子系统性能

服务系统支持50个并发用户访问；系统支持超过1000个静态用户；系统支持超过200个动态用户；系统登录时间少于5s；检索查询时间少于5s；页面之间跳转少于3s；系统具备安全防范能力。

4 全国卫星导航定位服务系统

全国卫星导航定位服务系统通过资源统筹、技术融合，构建了服务高效的全国广域差分服务，初步实现全国陆域范围内能够提供实时米级和分米级卫星导航定位服务。系统架构如图6所示。

图6 全国卫星导航定位服务系统架构Fig.6 Architecture diagram of the national GNSS position and navigation service system

4.1 全国卫星导航定位服务子系统功能模块

全国卫星导航定位服务系统可分为数据管理、实时产品计算、实时产品播发、产品精度分析4个模块。

4.2 全国卫星导航定位服务子系统软、硬件平台

定制开发了卫星导航定位服务软件。硬件配置包括6台服务器，6个工作站，1台磁盘阵列。服务系统用于精密卫星轨道、钟差和电离层等产品计算，工作站用于系统维护与调试、终端用户管理等功能。

4.3 全国卫星导航定位服务子系统性能

全国卫星导航定位服务系统具备GPS、BDS等多系统实时数据处理能力，能够生成多系统实时轨道、钟差、电离层产品；系统实时产品播发频率达到1s，钟差更新频率1s，轨道更新频率达到3 h，电离层更新频率达到15 min。实时产品播发范围覆盖全国，在3～4个典型区域开展广域实时精密定位推广应用。系统发布的北斗卫星系统GEO卫星高精度轨道数据精度优于300 cm，钟差优于0.8 ns；IGSO/MEO卫星轨道精度优于25 cm，钟差精度优于0.5 ns。GPS卫星系统高精度轨道数据精度优于5 cm，高精度钟差数据精度优于0.2 ns。系统可支持BDS/GPS单频终端定位精度可达1 m，双频终端定位精度可达分米级。

5 国家测绘基准管理服务系统功能实现

5.1 超大规模GNSS基准站整体解算及平差

具不完全统计，我国有超过3 000个GNSS连续运行基准站[6]，这些基准站是建立和维持国家和区域高精度、动态、地心、三维坐标参考框架的现代基础设施，是测绘基准体系和地理空间基础框架的核心。然而大多数GNSS高精度数据处理软件只能同时处理少于100个测站的数据[7]，或者同时处理200及以上的测站时需消耗大量的计算机硬件资源和时间，从而严重影响数据解算的效率，并导致解算结果的滞后[8]。本系统制定了子网划分策略，不同子网在集群服务器不同节点并行解算，解算结果利用公共站合并到一起，解决了超大规模基准站数据无法快速解算的难题。本文基于国家测绘基准管理系统搭建的并行计算平台，利用2014年8月1～30日的观测数据，计算了2 000个国家连续运行基准站坐标成果。全国GNSS连续运行基准站南北分量的中误差平均值为±0.7 mm，最大值为±1.4 mm；东西分量的中误差平均值为±0.7 mm，最大值为±2.4 mm；垂直分量的中误差平均值为±2.4 mm，最大值为±4.8 mm。优于设计指标水平方向3 mm，垂直方向5 mm，如图7所示。

图7 基准站坐标成果NEU各坐标分量误差统计Fig.7 Coordinate component error statistics of the reference station coordinate result NEU

5.2 GNSS连续运行基准站时间序列

本文解算了“国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程”及“中国大陆构造环境监测网络”建设的410个连续运行基准站2011～2017年的观测数据，获取了410基准站的时间序列（如图8所示）及坐标年变率成果（如图9所示），经统计NEU三方向NRMS（均方根）平均值（nrms的评定方法详见参考文献[9]）分别为1.13 mm、1.09 mm和1.24 mm，时间序列重复性结果较好。GNSS连续运行基准站坐标年变率成果东西分量中误差平均值±0.13 mm；南北分量中误差平均值±0.15 mm。结果精度与几大IGS分中心的精度相当。

图8 基准站坐标时间序列。左图BJSH站，右图SCYX站Fig.8 time series of GNSS station, left BJSH station, right SCYX station

图9 基准站坐标年变率（ITRF08框架下，误差椭圆75%置信区间）Fig.9 Annual variation rate change of GNSS station coordinate( relative to ITRF08 )

5.3 实时产品服务

全国卫星导航定位服务系统实时结算GPS、BDS卫星钟差及轨道产品。选取2015年第100d的精度统计如下：GPS实时钟差精度优于0.05ns，实时轨道精度优于0.6 m。BDS实时钟差精度优于3ns，实时轨道精度优于3 m，如图10～图13所示。

图10 GPS实时钟差精度Fig.10 Precision of GPS real time clock difference

图11 BDS实时钟差精度Fig.11 Precision of BDS real time clock difference

图12 GPS实时轨道精度(单位m)Fig.12 Precision of GPS real time orbit (unit m)

图13 BDS实时轨道精度(单位m)Fig.13 Precision of BDS real time orbit(unit m)

6 结束语

国家测绘基准管理服务系统建设了一个测绘基准数据中心，具备了先进的测绘基准数据管理与处理功能，提升了现代测绘基准成果服务的能力。通过系统建设形成了业务化的国家测绘基准管理和服务功能。包括增强的网络通信性能、扩大的存储能力以及提升的安全能力；具备超大规模GNSS数据处理、分析能力，具备地心坐标框架稳定分析功能；系统扩展了服务功能，包括内容丰富、性能优异的数据库服务、动态高精度统一的框架服务以及全国范围实时、精密定位服务。国家测绘基准管理服务系统的成果精度与国际上几大IGS分中心相当。