天津CORS实时地方基准服务平台探讨

黄 勇，闫 伟，张 奇，阿布都那比·麦麦提

(1.天津市测绘院，天津 300381；2.新疆维吾尔自治区第二测绘院，乌鲁木齐 830000)

0 引言

十一五期间，中国数十个城市先后建立了全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)连续运行参考站(continuously operating reference stations，CORS)系统[1-4]。天津CORS(简称TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式投入运营，目前共有基准站21个，平均边长30 km，数据中心解算软件为Trimble公司的Pivot平台，为天津城市建设发展提供基于2000国家大地坐标(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)的实时、高精度空间基准服务，在测绘、勘察、电力、水利、海洋等领域得到了广泛的应用。天津在城市规划、建设、运营、管理中，普遍使用1990年天津市任意直角坐标系成果，但由于CGCS2000坐标与1990年天津市任意直角坐标转换参数敏感，按相关保密政策无法直接提供给用户使用[5，7]，造成用户获取CGCS2000坐标后，需要通过邮件服务器或网络服务的方式将测量的CGCS2000坐标成果转换为1990年天津市任意直角坐标系成果。这种滞后的地方基准服务方式不但限制了TJCORS在实时城市测量领域的应用，而且坐标转换的繁琐给用户带来诸多不便，严重影响作业效率，浪费人力、财力，甚至在一定程度上导致用户放弃使用TJCORS而建设自己的单基站实时动态差分法(real-time kinematic，RTK)系统；与此同时，坐标转换服务也给TJCORS数据中心的运营维护带来一定负担。

针对城市CORS系统地方基准服务滞后的问题，各个城市都在积极探索适合本地区的地方基准服务模式[5-8]。如广州规划勘测设计研究院与华测公司联合开发了一套软件为用户提供实时地方坐标和高程服务，但该软件仅适用于华测设备，无法兼容其它品牌RTK终端；北京测绘设计研究院委托武汉大学研制了一套“NtripCasterProxy”软件，能够兼容天宝、南方、中海达、华测等主流RTK终端设备进行实时地方坐标的测量，重庆市地理信息中心建立了CQGISS实时地方坐标测量平台，为其用户提供实时地方坐标成果获取服务。

本文设计并实现一种基于中间服务器的实时地方基准服务模式，即采用中间服务器对Trimble Pivot软件的差分改正数进行技术处理和转发，实现在地方坐标转换参数保密的前提下，提供实时的1990年天津市任意直角坐标服务和1972年天津市大沽高程服务。结合天津市GNSS大地控制网C级控制点成果，验证1990年天津市任意直角坐标服务性能。由于天津市地表沉降比较严重，现有的2006年似大地水准面成果现势性不佳，本文未对1972年天津市大沽高程服务性能进行实验分析。

1 系统原理

城市CORS系统实质是网络RTK技术的具体应用，定位模式属于相对定位[4，9]。TJCORS系统采用虚拟参考站技术，运行机制为：用户通过用户名、密码、服务地址、端口、挂载点等信息通过NTRIP(networked transport of RTCM via internet protocol)协议连接Pivot平台，通过身份验证后，以NMEA-0183协议(national marine electronics association 0183 protocol)上传概略位置信息，Pivot平台根据概略位置生成差分改正信息，包括虚拟站位置、虚拟站测码伪距和载波相位观测数据等，并编码为国际海运事业无线电技术委员会标准协议(radio technical commission for martine services，RTCM)格式发送给用户，用户实时接收此差分信息并与自身观测数据进行RTK定位解算，获取实时高精度用户位置[10]。可见，用户的位置是由虚拟参考站的位置间接确定的，只要改变差分信息中虚拟参考站的位置，就可以改变用户使用此差分信息的定位结果。虚拟参考站位置距离用户位置一般只有几米，对参考站位置移动一个小量，用户的位置也移动一个小量，用户的位置移动量与虚拟参考站的位置移量近似相同。

CGCS2000坐标与1990年天津市任意直角坐标可通过平移、旋转和缩放来实现相互转换，根据《关于规范卫星导航定位基准站数据密级划分和管理的通知》规定及相关保密政策，地方基准转换参数和似大地水准面成果无法直接提供给用户使用，用户也就无法通过RTK手簿中的转换程序实现CGCS2000大地坐标向1990年天津市任意直角坐标和1972年天津市大沽高程的自动转换。为了解决这一问题，本文对虚拟参考站坐标做如下技术处理：1)基于2006年天津市似大地水准面成果对虚拟参考站高程进行修正；2)将修正后的虚拟参考站位置用一组预定的转换参数转换到用户临时坐标，并发给用户进行RTK测量，获取用户临时坐标系的定位结果；3)计算用户临时坐标至1990年天津市任意直角坐标的转换参数，并提供给用户设置到RTK手簿中，自动实现用户临时坐标系至1990年天津市任意直角坐标和1972年天津市大沽高程的转换。用户临时坐标至1990年天津市任意直角坐标转换参数计算方法为

(1)

式中：T2、R2、s2分别为用户临时坐标至1990年天津市任意直角坐标的平移向量、旋转矩阵和缩放因子；T1、R1、s1分别为CGCS2000坐标至用户临时坐标的平移向量、旋转矩阵和缩放因子；T、R、s分别为CGCS2000坐标至1990年天津市任意直角坐标的平移向量、旋转矩阵和缩放因子。

2 软件实现

本文研制开发了TJCORS实时地方基准服务平台软件“VRSRelay”。软件开发过程中综合考虑系统性能和开发效率，专业算法采用标准C/C++封装成动态链接库，通过SWIG工具封装成.NET调用接口，软件界面采用微软.NET框架(C#)实现，通过C/C++和C#的混合调用，能够保证平台计算效率和并发性能，同时避免核心代码被反编译，大幅提升软件平台安全性。软件运行效果如图1所示。

VRSRelay实现的TCP服务器采用高性能异步通信框架，支持RTCM V3.x、NTRIP V1.x、NMEA-0183等标准卫星导航通信协议，全面兼容天宝、南方、中海达、华测等主流RTK终端设备和手簿。软件提供简洁易用的用户界面，可为每个用户独立设置用户临时坐标系转换参数，能够实时监控用户状态，记录在线时间和访问差分数据流量等信息。VRSRelay软件2014年正式开始工程应用，长期运行稳定、可靠。

3 实验分析

天津CORS实时地方基准服务平台具备1990年天津市任意直角坐标和1972年天津市大沽高程的服务能力，但由于天津市地表沉降比较严重，现有的2006年似大地水准面成果现势性不佳，本文未对该平台地方高程服务性能进行实验分析。为了验证TJCORS实时地方基准服务平台技术路线和软件实现的正确性，笔者从天津市GNSS大地控制网C级控制点中，在全市范围内均匀选取了11个作为测试点，分布情况如图2所示。2014年8月，采用天宝、 华测RTK终端设备，测试VRSRelay平台实时1990年天津市任意直角坐标性能。从CGCS2000坐标至用户临时坐标系转换参数为：X轴平移3.0 m，旋转0.001 rad；Y轴平移4.0 m，旋转0.001 rad；Z轴平移5.0 m，旋转0.001 rad，缩放因子为1.0，通过VRSRelay平台对测试点进行常规RTK测量，获取1990年天津市任意直角坐标系坐标测量结果，并将其与天津市GNSS大地控制网成果比较，通过计算X方向、Y方向和水平方向的偏差，并统计最大值和均方根误差，进而分析评价TJCORS实时地方基准服务平台定位精度和性能，实验结果如表1所示。

天津GNSS大地控制网C级控制点1990年天津市任意直角坐标ΔX1990年天津市任意直角坐标ΔY1990年天津市任意直角坐标ΔPC007-0.0020.0030.003C028-0.011-0.0010.011C0580.003-0.0120.013C066-0.0030.0010.003C077-0.004-0.0030.005C0930.0070.0150.017C1140.0090.0000.009C1200.0010.0050.005C175-0.0120.0150.019C185-0.0140.0040.015C197-0.0180.0230.029

实验表明，通过实时地方基准服务平台获取的1990年天津任意直角坐标结果与控制测量成果相比，X方向偏差最大值为0.018 m，均方根误差为0.009 m，Y方向偏差最大值为0.023 m，均方根误差为0.010 m，水平方向最大偏差0.029 m，均方根误差0.008 m，实时地方基准服务平台能够满足实时厘米级1990年天津市任意直角坐标基准服务需求。

4 结束语

本文针对TJCORS滞后的地方基准服务方式存在的问题，设计并实现了一种中间服务器模式的实时地方基准服务模式，在地方坐标转换参数保密的前提下，帮助用户获取实时1990年天津市任意直角坐标成果，为用户减少作业流程，提高作业效率，为1990年天津市任意直角坐标成果实时获取和应用提供了一种切实可行的解决方案，可供其他城市CORS管理部门借鉴。基于VRSRelay平台，笔者通过集成华测i80 RTK主机和iPad平板，研制开发了针对1990年天津市任意直角坐标成果的实时数据采集系统，取得了良好的经济效益和社会效益。