一种CORS数据自动处理平台建设方法

祝敕捷,叶险峰,曾翔强

(1.湘潭大学土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411100;2.湖南省测绘科技研究所，长沙 410007)

0 前 言

连续运行参考站(Continuously Operating Reference Stations，CORS)系统是建立于现代GNSS技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物，是现代测绘基准的重要组成部分。自2001年深圳建立中国第一个CORS系统起，各个省市纷纷建立了自己的CORS系统，到目前为止，全国各个省份均已建立了自己的CORS系统。目前CORS系统的建设接近尾声，重心已逐步由系统建设转向系统应用和维护[1]。随着CORS系统的运行，所产生的观测数据越来越多，而目前大部分CORS数据中心均采用定期人工处理观测数据的模式对CORS数据进行处理，这种方法不仅费时费力，而且无法及时的发现基准框架的变化，不利于动态参考框架的维持。

GAMIT/GLOBK是由美国麻省理工学院(MIT)和SCRIPPS海洋研究所(SIO)共同研制的用于定位和定轨的GPS数据分析软件，是目前应用最广泛的高精度数据处理软件之一。GAMIT/GLOBK是基于Linux系统开发和运行，且没有图形页面，采用命令行驱动的模式。因此，利用GAMIT/GLOBK进行高精度数据处理具有一定的门槛，部分CORS系统数据中心甚至不具备使用GAMIT/GLOBK进行数据处理的能力[2]。此外，在利用GAMIT/GLOBK对CORS系统数据进行处理时，大部分工作是进行数据准备、数据预处理、表文件制作等重复性工作，费时费力，完全能够用程序来代替。因此，需要建设一个低门槛、高效率的CORS系统自动处理系统，用于减少重复的数据处理工作，提升CORS系统的运维效率。本文基于GAMIT/GLOBK和JAVA，采用面向对象的程序设计建立CORS数据自动处理系统,旨在解决CORS站数据无法及时处理的问题，同时也为后续以CORS站为基准的网络RTK测量提供基础保障。

1 系统设计

1.1 系统架构设计

系统分为支持层、服务层和应用层，其架构如图1所示。

图1 CORS数据自动处理系统架构图

(1) 支持层

支持层主要是CORS数据自动处理系统的数据、软件、模型文件的支撑，包括CORS基准站的观测数据，高精度数据处理所需要的GAMIT软件、精密星历数据、表模型文件数据，为CORS数据的处理提供软化、数据和模型的支撑，是整个系统的基础[3]。

(2) 服务层

服务层是CORS数据自动处理系统是对数据处理相关服务的集成和实现。包括基准站数据分析与预处理服务、解算控制文件生成、协议解析、数据通讯和解算结果存储与调用服务，并形成API接口，供应用层调用。

(3) 应用层

应用层服务对CORS数据进行处理，形成高精度数据处理结果，并进行展示，将解算结果推送回服务层，存储解算结果。此外应用层将GAMIT解算所生成的气象数据通过API接口，推送给气象服务系统。

1.2 系统功能模块设计

通过我们对CORS数据自动处理系统的功能梳理，解算系统总共包含以下5个模块:数据整理模块、FTP下载模块、解算预处理模块、解算模块、结果输出模块。自动处理系统如图2所示。

图2 CORS数据自动处理系统功能模块图

数据整理模块：针对现有CORS中心的数据进行预处理，包括数据整理、数据转换、数据重采样、数据质检4个功能。首先我们对基准站推送的数据进行整理，将数据转换为标准的RINEX格式，并且对数据进行重采样，采用间隔为30 s，利用TEQC对数据进行质检，将质检结果写入数据库，对于不符合质量要求的数据不进行数据处理[4]。

FTP下载模块：该模块的功能是自动下载GAMIT/GLOBK解算所需要的IGS站数据、表更新、星历数据。

解算预处理模块：该模块主要是解算数据进行预处理，并形成解算所需要的表文件，包括文件整理、测站文件制作、控制文件制作、表文件制作。

解算模块：解算模块负责对完成预处理的数据进行基线解算，并输出基线解算结果，对解算结果初步进行分析，对不符合要求的解算结果进行预警。

结果输出模块：利用GLOBK进行网平差，并将初步平差结果输出到数据库，形成各个站点的时间序列，为以后的时间序列分析奠定基础，并对外输出GAMIT解算所生产的气象数据。

1.3 数据处理流程

CORS基准站数自动处理的流程如图3所示。

图3 CORS数据自动处理系统处理流程图

启动系统后，系统读取用户所配置的解算参数文件，然后启动表文件更新模块、星历下载模块和基准站数据整理模块，自动进行GAMIT表文件下载、星历下载和基准站数据整理和下载。启动完毕后，通过轮询的模式，对所需要解算的CORS数据进行轮询，按照年积日的方式，开始进行高精度基准站数据处理。轮询是首先获取解算所需要的基准站数据，从星历下载模块获取解算所需要的广播星历和精密星历，其中精密星历优先选择IGS提供的事后精密星历，事后精密星历不存在时选择预报精密星历。完成数准备后，生成解算所需要的相关控制文件，包括测站文件、近似坐标文件、解算控制文件等。完成解算控制文件生成后，开始进行基线解算和网平差，并将解算结果输出到数据库。

2 系统功能实现

2.1 系统功能实现

CORS数据自动解算系统功能采用JAVA语言进行开发，采用面向对象的程序设计。用户配置系统参数、FTP参数、基准站参数和解算参数后，点击启动系统，系统会根据所配置的参数，自动进行数据解算。点击启动系统后，系统会自动启动星历下载、表文件更新、格网文件更新IGS数据下载、基准站数据下载、文件整理等功能。根据系统配置的参数，自动处理，实现高精度CORS数据处理自动化。其主页面如图4所示。

图4 CORS数据自动处理系统主界面图

2.2 自动解算

为验证自动处理系统的有效性及可靠性，本文选取了湖南卫星定位连续运行参考站数据中心(以下简称HNCORS)2020年10月26日(年积日为第300天)至2020年11月9日(年积日为第314天)连续15 d共111个连续运行基准站的观测数据来使用该系统进行数据解算。

2.2.1参数配置

通过解算参数配置模块，配置好CORS数据自动处理的解算参数，如图5所示。

图5 解算参数配置页面图

使用数据自动处理系统进行基线解算的主要策略有：ITRF框架为ITRF2014,基线解算处理模式设置为BASELINE模式，使用的IGS提供的时候精密星历，设置为IGSF和IGSU表示优先使用IGSF轨道，没有IGSF轨道时选择IGSU轨道，观测值采用了LC_AUTCLN的消除电离层影响的观测值组合方式；设置卫星的截止高度角为10°，采样间隔为30 s，处理的历元总数为2880个，基线解算时引入大气模型对解算时的误差进行估计，大气模型采用的是Saastamoinen模型，干、湿映射函数模型采用维也纳映射函数(VMF1)；基线解算每2 h估计一个天顶对流层延迟参数，每天估计两对水平梯度参数。基线解算时潮汐、大气潮、固体潮等对基线解算的影响，模型采用GAMIT提供的模型，天线相位中心改正采用GAMIT提供的antmod.dat文件中的值，天线改正模型采用ELEV模型[5]。

目前绝大部分CORS中心的基准站往往多余100个，而目前GAMIT 软件只能同时处理少于100个测站的数据[6]。因此CORS数据自动处理系统能够分子网进行结算，在设置基准站时设置不同的子网即可。HNCORS基准站数据自动处理时分为2个子网进行数据处理，公共站的选择为ZJSZ(张家界桑植站)、YYPJ(岳阳平江站)、LDXH(娄底新化站)、SYSD(邵阳邵东站)、SYSN(邵阳遂宁站)、HHZJ(怀化芷江站)、YZDX(永州道县站)、CZZX(郴州资兴站)，子网划分如下图6所示(其中浅色的点表示子网1(HNS1网)中的基准站，深色的点表示子网2(HNS2网)中的基准站)。

图6 子网划分示意图

2.2.2结果分析

设置好解算参数和参与解算的基准站后，点击自动处理，软件就能够自动从服务器下载所需要的数据和文件，获取解算结果。本文获得了2020年10月26日(年积日为第300天)至2020年11月9日(年积日为第314天)连续15 d共111个连续运行基准站并联合周边共6个IGS站(分别为BJFS站、JFNG站、CHAN站、SHAO站、LHAZ站、HKSL站)的基线解算结果。为充分的验证该系统的可靠性及实用性，将从以下3个角度来分析该数据自动处理系统的解算结果质量[7]：

(1) 从该数据自动处理系统中得到的基线解算文件中提取出单日解NRMS(标准化均方根误差)值来对该系统的基线解算结果的质量做出分析与评价，并由此对该系统的数据处理结果质量做出判断；

(2) 利用基线解算文件通过调用GLOBK网平差中的glred模块对各时段解向量重复性进行统计分析；

(3) 对基线解算结果的X、Y、Z3个方向的中误差进行统计分析。

对15 d的基线解算结果文件中提取的单日解NRMS值进行统计与分析，其结果见表1。

表1 单日解的NRMS值统计表

由于GAMIT软件采用全组合网解的方式解算基线向量，其同步闭合差在基线处理完时已进行了分配，因此可将基线精度指标NRMS值作为同步环质量检验的一个指标，可以直观的反映基线解算质量[8]。根据国内利用GAMIT处理GPS数据的经验，一般认为NRMS值在0.12～0.5之间是合理的，最优值是在0.2左右[9]。从表3的基线解算结果的NRMS值统计表可以看出，所有时段的NRMS值都分布在0.18～0.21之间，均小于0.21。这说明利用该数据自动处理系统的基线解算结果质量较好，同时反映了利用CORS数据自动处理系统进行数据自动处理其基线解算结果的可靠性。

各个时段解向量的重复性反映了基线解的内部精度，是用来衡量基线解质量的一个重要指标[10]，我们对本次解算进行了重复性检验，整网各方向分量的重复性精度可以用式(1)表示：

δ=a+bd

(1)

式中：δ为各分量重复性精度指标；a为固定误差，mm；b为比例误差系数；d为基线长度是一个标量，m。表2统计了子网HNS1和子网HNS2中各分量中重复性精度指标的固定误差a和比例误差系数b。

从表2可以看出，本次解算的基线分量重复性较高，HNS1的基线长度重复性统计结果为1.5 mm+0.25×10-8d，HNS2的基线长度重复重复性统计结果为0.9 mm+0.27×10-8d，完全能够满足CORS高精度数据处理的要求。表3统计了采用CORS数据自动处理系统解算的基线结果在X、Y、Z3个方向上最大、最小和平均中误差。

表2 基线重复性统计表

表3 解算精度结果统计表

从上表可以看出自动解算在X方向的平均中误差为0.7 mm,Y方向的平均中误差为1.4 mm,Z方向的平均中误差为0.8 mm,其解算精度完全能够满足CORS参考框架的维持，自动解算系统能够在实际工作中替代人工数据处理，实现数据处理自动化、智能化。

3 结 语

本文基于现有CORS系统运维工作强度大、基准站数据无法及时处理的问题，设计和实现了基于GAMIT/GLOBK软件的CORS数据自动处理系统，通过对HNCORS 2020年10月26日(年积日为第300天)至2020年11月9日(年积日为第314天)连续15 d共111个连续运行参考站并联合周边共6个IGS站的GNSS数据进行实例验证，得到该系统能够达到人工解算的精度和可靠性，能够在实际工作中替代人工解算，对降低CORS高精度数据处理的门槛和运维成本具有重要意义。