区域CORS系统及高精度大地水准面的研建

蔡建德 米思莹 钟国 梁莉 张新雨，4

（1.河南省测绘发展研究中心，河南 郑州 450003；2.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310005；3.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003；4.河南省基础地理信息中心，河南 郑州 450003)

1 引言

连续运行参考站（CORS）系统及水准面研建过程中，采用聚合多种卫星应用，融合多种系统技术，整合类型众多的数据资源，构建天地一体、无缝覆盖、功能强大的时空信息服务网络，建立安全、高效、可控的北斗时空服务体系与平台，对提高信息资源掌控治理能力，推动智能信息服务产业的发展至关重要。

区域CORS 系统建设及高精度大地水准面的建立，契合了北斗与其他导航系统的融合、导航与通信的融会、无线电通信与惯性导航的结合，全面提高市县空间框架基础设施的建设水平，促进跨行业信息资源整合利用效率，推进北斗云服务的社会化、产业化、区域化，提升导航与位置服务在智慧城市、经济建设、防灾减灾、市政管理、资源保护、电子消费等多领域的社会经济效益。

2 北斗连续运行参考站系统（BD-CORS）的特点

2.1 BD-CORS 及市县CORS 简介

北斗卫星导航系统具有以下特点：（1）北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，低纬度地区性能特点更为明显。（2）提供多个频点的导航信号，能通过多频信号组合使用等方式提高精度。（3）创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。

常规地理空间数据获取主要利用电台模式或单基站模式实时动态定位RTK（Real Time Kinematic）技术，作用范围小、精度差、可靠性低。近年来，通过CORS技术实现网络RTK 已成为实时动态定位的主要发展方向，通过建立市县区域性CORS系统，依靠网络RTK技术，可在市县区域向大量用户同时提供高精度、高可靠性、实时的定位信息。

市县CORS 系统是在一定区域均匀布设若干永久性连续运行的北斗卫星导航系统定位基准站，建立安全可靠、运行稳定的卫星数据处理中心，通过专用数据通信网络，为社会大众提供导航、定位、授时等服务，亦可为满足不同行业、不同用户的需求提供定制服务[1]。

2.2 CORS 系统的组成结构

CORS 系统以北斗卫星导航与位置服务中心为依托，建立统一的基准站、系统控制中心、用户数据中心、用户应用、数据通信系统，各子系统由数字通信子系统互联，形成一个均匀分布于整个市县的局域网(城域网)。CORS 系统结构如图1 所示。

图1 CORS系统结构

2.2.1 定位系统基准站

北斗卫星导航系统跟踪基准站是CORS 系统的卫星数据源，用于实现对北斗卫星导航信号捕获、跟踪、记录和传输，主要包括卫星接收机、接收机天线、计算机、数据处理软件、通信网络、不间断电源、防电涌等设备。

2.2.2 系统控制中心

北斗卫星导航系统控制中心是CORS 的核心单元，由中心网络和数据管理、数据处理软件等子系统组成，负责各基准卫星数据的接收、存储、管理、解算、用户管理、实时发布等。通过控制中心局域网进行数据分流、分发、存储、分析，按照国际通用标准格式或自定义专用格式，面向不同用户不同需求发送数据，提供多种信息服务和监控服务。其中，数据处理系统对数据质量进行分析和评价，实施数据综合、数据分流和数据存储，利用网络RTK 技术形成差分数据并提交用户数据中心[2]。监控系统用于监测设备运行状态，进行远程管理、故障分析与故障警视。信息服务系统通过网络向用户提供事后精密处理的数据服务、坐标系高程系转换服务、工程测量软件服务和计算服务。网络管理系统用于监控并管理系统网络，通过硬软件隔离技术实现网络安全防护，保障信息安全；管理网站通过Internet 向用户提供http、ftp 等访问服务。用户管理系统用于用户登记、注册、撤销、查询、权限等管理，提供访问授权和用户使用记录。

2.2.3 数据通信子系统

CORS 网络采用分布式资源网络系统，包括两方面：一是选择合理的网络通信方式，实现基准站与控制中心的互联互通互操作。二是集中管理基准站资源，为用户提供覆盖本地区所有基准站资源的管理方案，实现各基准站、控制中心不同网络节点间的系统互访和资源共享。在控制中心，通过统一维护系统节点，实现基准站无人现场管理。控制中心主干网络采用千兆以太网络，基准站采用SDH 数据专线连接控制中心。

2.2.4 用户数据中心

CORS 对外的数据服务通过用户数据中心多种数据传输手段向用户发送、发播定位、导航、授时等多种数据，提供数据服务。用户数据中心可分为静态数据服务单元和动态数据服务单元两部分。通过网站http和ftp 等方式向用户提供数据交换及在线计算，实现静态数据、动态数据服务功能。数据中心到用户的实时通信可采用GSM、GPRS、CDMA 及5G 通信方式实现。

2.2.5 用户应用子系统

用户应用子系统涉及庞大的用户群落，按照应用领域，卫星导航与位置公共服务基准站网可面向政府、企业、公众等不同类型用户，针对地理信息数据采集和变形监测等领域，提供毫米级、厘米级、亚米级等高精度的导航、定位、时间信息等服务，为交通、无人机快递、物流等行业提供亚米级定位服务。CORS 用户应用子系统应充分考虑北斗卫星导航系统卫星接收机的兼容性。

2.3 市县CORS 建设存在的问题

为满足市县经济建设信息化的需要，一大批城市( 如杭州、南京、成都、武汉、郑州等)已建或筹建卫星连续运行网络系统，对我国市县建设和经济发展起到重要作用。但也存在一定的问题：一是不同市县建设的系统行业特性明显，目标单一化带来系统技术服务性能的单一化，不利于系统的技术集成和潜力发挥；二是部分市县建设的系统独立运行，尚未建立统一协调机制，数据资源共享问题未解决，阻碍了系统功能的最大利用；三是建设运行的技术标准化是一个急需统一认识和解决的问题，未来技术标准应既满足行业需求、区域和国家需求，又能与国际标准接轨和兼容。

3 市县似大地水准面的建立

似大地水准面是获取地理空间信息的高程基准面。卫星导航系统结合高精度、高分辨率似大地水准面模型，可以取代传统的三等水准测量方法测定正高或正常高，真正实现北斗卫星导航系统在几何和物理意义上的三维定位功能，使得平面控制网和高程控制网分离的传统大地测量模式成为历史，可为构建智慧城市、数字县域提供高效的数据采集技术，是获取市县地理空间数据国家统一高程基准的主要手段。

3.1 技术方案与途径

市县级大地水准面的精度和分辨率要求高，因此对数据（如导航卫星定位位置、水准、重力及数字地形模型等）的分辨率、分布、密度和精度等提出严格要求，建立市县似大地水准面主要采用以下方式[3]。

结合已完成的1∶1 万DEM 数据库及本地区现势性较强的数字地形图，建立用于精化区域大地水准面的高分辨率高精度DEM ；收集已有高精度控制点数据、水准数据、重力资料（陆地重力数据、北斗卫星导航测高数据等）；建立C、D 级区域水准网，与国家A、B 级网点和一、二等水准点联测。获得高精度北斗卫星导航测高水准数据，在国家重力基本网基础上建立区域性重力基本网，实施陆地加密重力测量，获取高精度的陆地重力数据。

3.2 市县似大地水准面计算

目前，市县级似大地水准面精化基于移去恢复原理，主要采用FFT 技术（1D/2DFFT），辅以多项式拟合法或其他拟合法。在实际计算中通常采用分步计算方法，即首先应用移去恢复原理和1DFFT 技术计算重力似大地水准面，然后以高精度北斗卫星导航测高水准数据作为控制，采用多项式拟合法或其他拟合法将重力似大地水准面拟合到由北斗卫星导航测高水准确定的几何大地水准面上，旨在消除这两类大地水准面之间的系统偏差。

一般来说，消除系统误差后的重力大地水准面与北斗卫星导航测高数据水准之间仍存在残差，这些残差包含了部分有用信息，再利用Shepard 曲线拟合法、加权平均法及最小二乘配置等，对这些剩余残差进行格网拟合，并将拟合结果与消除系统误差之后的重力大地水准面叠加，得到大地水准面的最终数值结果。计算流程如图2 所示。

图2 市县似大地水准面精化计算流程

3.3 市县似大地水准面精化的有关问题

对高程测量数据而言，实测数据与已有数据是不同时期观测的，观测精度和依据的基准不同，给实际计算和处理带来一定困难；对于不同类数据，如大地椭球高与精密水准测量的时间跨度较大，由此求得的大地水准面高或高程异常存在系统偏差，数据处理时应予以重视。市县似大地水准面精化对加密重力测量、北斗卫星导航测高数据水准布测、地壳密度异常和DEM的要求认识不够，目前还没有较完善的规范可遵循。

4 结束语

利用北斗卫星导航系统的高新技术手段，在市县原有坐标资料和水准、重力资料的基础上，建立集平面、高程、重力场信息于一体的综合性高精度市县三维基础控制网，结合市县连续运行北斗卫星导航系统（CORS），成为数字市县地理空间基础设施的重要部分。随着其应用的普及，作为地理空间数据基础设施，似大地水准面精化和北斗卫星导航系统将为城市规划、自然资源、交通、绿化等领域提供广泛的基础服务，已逐渐成为数字市县和信息化建设的重要内容。