長江宜昌航道CORS系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

李新書

（長江宜昌航道局，湖北 宜昌 443002）

0 引言

連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)[1]（CORS 系統(tǒng)）是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)，建立永久性的連續(xù)運(yùn)行參考站、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理中心，利用計算機(jī)、數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將各參考站與系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理中心組成網(wǎng)絡(luò)，共享參考站數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動向各類用戶發(fā)布不同類型的 GNSS 原始數(shù)據(jù)、RTK 差分改正數(shù)據(jù)等，是現(xiàn)代 GNSS 的發(fā)展熱點(diǎn)之一。

當(dāng)前長江等內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展已上升為國家戰(zhàn)略。長江航道的建設(shè)和維護(hù)是長江航運(yùn)發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，而高效的測繪是長江航道建設(shè)和維護(hù)的前提。航道 CORS 系統(tǒng)的建立不僅為長江航道測繪帶來深刻的變革，而且也是促進(jìn)數(shù)字航道、智能航運(yùn)建設(shè)的基礎(chǔ)工程。

2008 年底，長江宜昌航道測繪處建成航道全線第 1 套單基站 CORS 系統(tǒng)，已連續(xù)無故障運(yùn)行了 2 年多，在葛洲壩近壩航道測量中發(fā)揮了重要作用。但由于單基準(zhǔn)站和移動站之間，隨著作用距離的增大精度卻大幅下降，不能滿足大范圍高精度測量的需求。隨著宜昌段數(shù)字航道建設(shè)的推進(jìn)，有必要實(shí)施多基站 CORS 系統(tǒng)試驗(yàn)建設(shè)及應(yīng)用，為航道的日常維護(hù)管理及其他用戶提供高精度、連續(xù)的時間和空間基準(zhǔn)服務(wù)，滿足基礎(chǔ)測繪、航標(biāo)監(jiān)控、船舶導(dǎo)航、航運(yùn)管理等不同層次的應(yīng)用需求，同時為今后 CORS 系統(tǒng)在航道全線的推廣應(yīng)用探索技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)。

1 CORS系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

CORS 系統(tǒng)是建立于現(xiàn)代 GNSS、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時定位服務(wù)、現(xiàn)代移動通信等技術(shù)基礎(chǔ)之上的大區(qū)域定位與導(dǎo)航綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò) RTK的 1 種形式。長江宜昌航道 CORS 系統(tǒng)是在轄區(qū)航道范圍內(nèi)建立永久性參考站，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)構(gòu)成新一代的網(wǎng)絡(luò)化的衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)參照國家的有關(guān)技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，遵循先進(jìn)性、可靠性、可拓展性、高性價比、易用性等原則[2]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

1）以 GNSS 參考站為 1 級控制點(diǎn)，完成區(qū)域內(nèi)GNSS 控制網(wǎng)的布設(shè)。為轄區(qū)航道各測量、施工部門提供 1 套統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并且進(jìn)行規(guī)范管理，同時也為數(shù)字航道前端數(shù)據(jù)采集提供依據(jù)。

2）CORS 系統(tǒng)控制區(qū)域內(nèi)動態(tài)雙頻 RTK 測量的內(nèi)符合平面精度 3.0 cm、高程精度 5.0 cm 以內(nèi)；事后平面精度 3.0 mm、高程 5.0 mm 以內(nèi)的精度；同時也為單頻、手持 GNSS，航標(biāo)遙測監(jiān)控提供差分服務(wù)，使之精度得到提高，平面精度優(yōu)于 0.5 m。

3）控制區(qū)內(nèi)的測量作業(yè)依靠移動終端，無需額外架設(shè)參考站，從而減少由于架設(shè)參考站而導(dǎo)致的重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率。

4）實(shí)現(xiàn) GNSS 數(shù)據(jù)的空間數(shù)據(jù)和數(shù)字航道系統(tǒng)的無縫對接，實(shí)現(xiàn)共享，為數(shù)字航道提供可靠的空間數(shù)據(jù)。

5）通過 CORS 系統(tǒng)為水位、航標(biāo)監(jiān)控及船舶監(jiān)控功能提供服務(wù)。通過 Internet 向航道范圍內(nèi)提供事后精密定位服務(wù)功能。

1.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)要求達(dá)到表1 所示的各項(xiàng)性能指標(biāo)[3]。

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)

1.4 系統(tǒng)原理和流程 [4]

1.4.1 系統(tǒng)原理

CORS 系統(tǒng)主要由 GNSS 基站、網(wǎng)絡(luò)和用戶系統(tǒng)組成，系統(tǒng)原理如圖 1 所示。

1.4.2 系統(tǒng)作業(yè)與數(shù)據(jù)流程

1）系統(tǒng)工作流程

基準(zhǔn)站連續(xù)不間斷地觀測 GNSS 的衛(wèi)星信號，獲取該地區(qū)和時間段的“局域精密星歷”及其他改正參數(shù)，按照用戶要求把靜態(tài)數(shù)據(jù)打包存儲，并把基準(zhǔn)站的衛(wèi)星信息送往服務(wù)器上 NRS 軟件的指定位置。

圖1 CORS 系統(tǒng)原理圖

用戶單元接收定位衛(wèi)星傳來的信號，并解算出地理位置坐標(biāo)。

用戶單元的數(shù)據(jù)通訊模塊通過因特網(wǎng)，從服務(wù)器的指定位置獲取基準(zhǔn)站提供的差分信息后，輸入用戶單元的 OEM 板進(jìn)行差分解算。

用戶單元在野外完成后差分測量后，可以從指定位置下載同步時間的基站靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線聯(lián)合解算。

2）GNSS 硬件系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程

GNSS 系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程圖如圖 2 所示。

2 基準(zhǔn)站建設(shè)

2.1 基準(zhǔn)站選址原則

CORS 基準(zhǔn)站選址是 CORS 系統(tǒng)整體技術(shù)設(shè)計的重要內(nèi)容，關(guān)系到整個 CORS 系統(tǒng)能否良好運(yùn)行。CORS 基準(zhǔn)站選址原則如下[5]：

1）遠(yuǎn)離周邊的高大建筑、樹、水體、海灘和易積水地帶，距離應(yīng)不小于 200 m；

2）應(yīng)有 10° 以上的地平高度角衛(wèi)星通視條件；

3）遠(yuǎn)離電磁干擾和雷擊區(qū)，距離應(yīng)不小于 200 m；

4）避開鐵路、公路等易產(chǎn)生振動的地點(diǎn)；

5）應(yīng)避開地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū)域，如斷層破碎帶,易發(fā)生滑坡、沉陷等局部變形，以及易受水淹或地下水位變化較大的地點(diǎn)；

6）應(yīng)便于接入公共通信網(wǎng)絡(luò)；

7）具有穩(wěn)定、安全可靠的交流電電源。

圖2 GNSS 系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)流程圖

2.2 基準(zhǔn)站布局

基于系統(tǒng)需求，結(jié)合宜昌航道轄區(qū)分布，擬在轄區(qū)內(nèi)布建 4 個 CORS 參考站，其中 1 個是已經(jīng)在宜昌航道測繪處樓頂?shù)膯位?，另?3 個選址在枝江、枝城、秭歸。最短邊 35 km，最長邊 65 km，網(wǎng)內(nèi)覆蓋面積超過 3000 km2?？紤]到宜昌測繪處地處雷擊頻發(fā)區(qū)，故將宜昌測繪處基站移至宜昌航道局辦公樓樓頂。

2.3 基準(zhǔn)站測試

為了考察各個擬選基準(zhǔn)站的站址環(huán)境、基準(zhǔn)站網(wǎng)軟件的解算能力，以及流動站 RTK 作業(yè)的效果，對以上 4 處進(jìn)行了實(shí)地數(shù)據(jù)采集，外業(yè)觀測的標(biāo)準(zhǔn)為采樣率 15 s，觀測 24 h。分析測試位置的衛(wèi)星覆蓋情況、采樣數(shù)據(jù)歷元、周跳、接收機(jī)時鐘、多路徑影響、所獲取衛(wèi)星信號的信噪比。

以宜昌基準(zhǔn)站為例，測試結(jié)果如下：

1）宜昌站具有良好的衛(wèi)星跟蹤條件，測站視場開闊，無阻礙物，10° 以上成功跟蹤接收 100 % 的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)完整性測試，有少部分時段只有 9 顆衛(wèi)星，位置精度強(qiáng)弱度 PDOP 值基本小于 2，滿足了系統(tǒng)建設(shè)最低要求，宜昌站衛(wèi)星數(shù)如圖 3 所示，24 h PDOP 值如圖 4 所示。

圖3 宜昌站衛(wèi)星數(shù)

圖4 宜昌站 24 h PDOP 值

2）無數(shù)據(jù)缺失；

3）通過“周跳測試”，24 h 內(nèi)僅有 30 個周跳；

4）通過“歷元數(shù)據(jù)測試”，記錄的所有歷元100 % 數(shù)據(jù)完整；

5）通過“接收機(jī)時鐘測試”，沒有接收機(jī)時鐘復(fù)位和時鐘漂移；

6）通過“多路徑測試”，該站多路徑影響非常小，MP1 RMS 值為 0.04 m，MP2 RMS 值為 0.05 m。

其余枝江、枝城、秭歸 3 個基準(zhǔn)站，0° 以上至少成功跟蹤接收 99.6 % 的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)完整性測試，有少部分時段只有 8 顆衛(wèi)星，均無數(shù)據(jù)缺失，24 h 內(nèi)最多有 12 個周跳，記錄的所有歷元 99 % 數(shù)據(jù)完整，沒有接收機(jī)時鐘復(fù)位和時鐘漂移，TEQC 檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量 MP1 RMS 值最高 0.26 m，MP2 RMS 值最高 0.25 m。

通過分析，各測站接收衛(wèi)星數(shù)目滿足建立基準(zhǔn)站的最低要求，數(shù)據(jù)有用率高，多路徑效應(yīng)影響很小，歷元數(shù)據(jù)獲取率高，適合建立連續(xù)運(yùn)行的基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)。4 個基站相鄰站最大間距約為 65 km（秭歸—枝城），最短基線距離為 37 km（枝城—枝江），平均基站距是 48.7 km，網(wǎng)內(nèi)覆蓋面積超過 3000 km2，覆蓋范圍適中；充分利用原有的單基站資源，投入資金少，能夠滿足宜昌航道基礎(chǔ)測繪、船舶導(dǎo)航、航標(biāo)監(jiān)控等需求。

2.4 基準(zhǔn)站功能

4 個永久性的基準(zhǔn)站，均設(shè)計為無人值守型，設(shè)備應(yīng)盡可能少，連接要可靠。4 個基準(zhǔn)站采用 NET-S8 主機(jī)?；鶞?zhǔn)站為分體式，主機(jī)天線置于屋頂，主機(jī)置于室內(nèi)，采集的數(shù)據(jù)直接顯示在服務(wù)器上?；鶞?zhǔn)站保存工作機(jī)（和監(jiān)測機(jī)）采集的 GNSS 數(shù)據(jù)，目前主要在計算機(jī)硬盤上保留至少 60 d 的數(shù)據(jù)。基準(zhǔn)站按設(shè)定的時間間隔自動將 GNSS 觀測數(shù)據(jù)通過 SDH 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)控制中心。在斷電情況下，基準(zhǔn)站能靠自身的 UPS 支持 2 h 以上。系統(tǒng)控制中心通過遠(yuǎn)程方式，設(shè)定、控制、檢測基準(zhǔn)站的運(yùn)行。

2.5 基準(zhǔn)站結(jié)構(gòu)與設(shè)備

基準(zhǔn)站由儀器室和觀測墩 2 部分組成。

觀測墩用于支撐 GNSS 觀測天線。觀測墩柱體內(nèi)預(yù)埋 PVC 管道，用于鋪設(shè)天線電纜。儀器墩外部進(jìn)行保溫和防風(fēng)處理，頂部安裝強(qiáng)制對中裝置。對強(qiáng)制對中器頂部中心點(diǎn)施測水準(zhǔn)。觀測墩需做隔熱、隔震等處理。室外天線防雷接地使用觀測墩所在大樓的防雷地網(wǎng)，防雷地網(wǎng)對地地阻必須小于 5 Ω，采用提前放電式避雷針，避雷針的引線采用雙接點(diǎn)與防雷帶或建筑物的主筋焊接，焊接點(diǎn)做好防銹措施。天線采用扼流圈天線，支持精確度為 0.1 mm，能夠有效抑制多路徑效應(yīng)的影響，結(jié)合不妥協(xié)的穩(wěn)定的相位中心（小于0.8 mm）可以抑制射頻干擾。采用鋁材質(zhì)的扼流圈和 1 個 Dome#Margolin 偶極元件，低噪音，低功耗，還擁有同步頻率選擇功能。

儀器室用于安置基準(zhǔn)站設(shè)備。離觀測墩距離不超過天線電纜的許可長度，并提供可靠的電力供應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)接入，此外安裝防盜設(shè)施并保證良好的通風(fēng)散熱。市電做好防浪涌保護(hù)措施，并聯(lián)裝在給 UPS供電的市電前。機(jī)房內(nèi)所有設(shè)備均做接地處理?；局鳈C(jī)采用 SOUTH-NET-S8，是針對 CORS 系統(tǒng)應(yīng)用的高性能 GNSS 接收機(jī)。NET-S8 采用堅固耐用的鋁合金封裝，提供了 2 個串口和以太網(wǎng)接口，并配備液晶顯示屏，便于對接收機(jī)進(jìn)行參數(shù)更改設(shè)置及遠(yuǎn)程控制。

3 控制中心建設(shè)

系統(tǒng)控制中心是整個 CORS 系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，主要由內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等組成，通過 SDH（同步數(shù)字體系）專線實(shí)現(xiàn)與基準(zhǔn)站間的有線連接，通過路由器實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)控制中心的功能有數(shù)據(jù)處理、信息服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和用戶管理等。

3.1 數(shù)據(jù)處理

主要對各基準(zhǔn)站采集并傳輸過來的數(shù)據(jù)的質(zhì)量進(jìn)行分析和評價，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多站數(shù)據(jù)綜合和分流，建立系統(tǒng)綜合誤差模型，進(jìn)行 RTK 實(shí)時計算和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，該功能主要是由 NRS Net 軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)控制中心可輸出的數(shù)據(jù)如下：

1）RTCM V2.3 偽距差分修正信息，服務(wù)于亞米級差分和米級定位導(dǎo)航的用戶；

2）RTCM V2.3/RTCM V3.0/CMR 相位差分修正信息，服務(wù)于厘米級、分米級定位的用戶；

3）RINEX V2.0/2.1 原始觀測數(shù)據(jù)，服務(wù)于測繪、規(guī)劃建設(shè)的高精度控制測量和重要設(shè)施的變形監(jiān)測等事后差分定位。

3.2 信息服務(wù)

用于實(shí)現(xiàn)向各類用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)，系統(tǒng)控制中心由 NRS Server 軟件通過外網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行播發(fā)，支持 TCP/IP 和 NTRIP 協(xié)議。登錄方式支持 Internet/GPRS/CDMA 登錄播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)給用戶。

3.3 網(wǎng)絡(luò)管理

系統(tǒng)控制中心系統(tǒng)由城域網(wǎng)（LAN）連接和廣域網(wǎng)形成，作為網(wǎng)絡(luò)中心，內(nèi)部與外部網(wǎng)絡(luò)物理隔離，以提高整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性。網(wǎng)絡(luò)管理采用專用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、運(yùn)行及管理。

3.4 用戶管理

系統(tǒng)控制中心對所服務(wù)的各類用戶進(jìn)行管理，包括以下內(nèi)容：用戶測量數(shù)據(jù)管理，用戶登記、注冊、撤消、查詢和權(quán)限管理。

4 系統(tǒng)測試與運(yùn)行

全部 CORS 系統(tǒng)集成工作結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入最終調(diào)試、測試階段，分別進(jìn)行了 GNSS 信號線測試（存儲 GNSS 數(shù)據(jù)，分析 2 根線纜信噪比）、基準(zhǔn)站坐標(biāo)解算確認(rèn)（對基準(zhǔn)站進(jìn)行高精度 ITRF 框架坐標(biāo)解算）、RTK 可用性（測試網(wǎng)絡(luò) RTK 在 24 h 內(nèi)的工作狀況，對系統(tǒng)進(jìn)行完備性檢核）和精度測試（通過流動站觀測對全市范圍內(nèi)一定分布的多個靜態(tài)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)觀測，進(jìn)行內(nèi)、外精度符合測試）。

系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，內(nèi)外符合精度達(dá)到設(shè)計要求，網(wǎng)內(nèi)精度分布均勻，初始化時間普遍小于 40 s。網(wǎng)絡(luò) RTK 在整個覆蓋區(qū)域內(nèi)精度穩(wěn)定。系統(tǒng) RTK 測試的外延性較好，網(wǎng)外 28 km 處流動站設(shè)備仍能完成初始化，且內(nèi)外符合精度平面小于 3.0 cm，高程小于 4.5 cm。各種通訊方式（GPRS，CDMA）都滿足用戶終端對通訊能力的要求。系統(tǒng)對第三方設(shè)備兼容性好，能夠兼容國內(nèi)外主流所有品牌的 GNSS 接收機(jī)。

2010年8 月中旬完成了系統(tǒng)測試后，正式開始試運(yùn)行，到目前為止系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，衛(wèi)星及差分改正信號穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何故障，達(dá)到或優(yōu)于技術(shù)要求。

5 結(jié)語

長江宜昌航道 CORS 系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，經(jīng)過長江中游和庫區(qū)航道維護(hù)、對外工程、葛洲壩樞紐航道等測量的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，初步顯現(xiàn)一定優(yōu)勢和效果，在長江航道全線具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

具體優(yōu)勢和效果如下：

1）測量周期明顯縮短，測量效率顯著提高。在實(shí)際觀測過程中，整個作業(yè)周期縮短 30 % 左右，尤其是在外業(yè)作業(yè)準(zhǔn)備時間上，減少 70 % 左右的時間，在作業(yè)周轉(zhuǎn)、調(diào)度準(zhǔn)備的時間上，也大大節(jié)約。

2）傳輸信號的穩(wěn)定性大大提高。在測量過程中，沒有出現(xiàn)任何信號中斷的情況，衛(wèi)星及差分改正信號穩(wěn)定，在測量區(qū)域任何地點(diǎn)，應(yīng)用效果良好?；鶞?zhǔn)站系統(tǒng)運(yùn)行正常，流動站獲得固定解時間也大大縮短。

3）定位精度可靠，系統(tǒng)維護(hù)成本低。由于系統(tǒng)工作穩(wěn)定，始終能夠在測量區(qū)域接收到穩(wěn)定的差分信號，平面精度達(dá)到 3.0 cm，高程精度達(dá)到 5.0 cm，同時不需要多余的人工干預(yù)，設(shè)備維護(hù)成本大大降低。尤其在航道維護(hù)應(yīng)急測量方面，其優(yōu)勢更加明顯，其測量成果對航道維護(hù)工作指導(dǎo)作用將更強(qiáng)。

4）通過 GPS 移動設(shè)備在測量中的運(yùn)行，為今后測量設(shè)備的購置提供穩(wěn)定的設(shè)備選型基礎(chǔ)，節(jié)約設(shè)備選型前期投資費(fèi)用。

[1]劉經(jīng)南，劉暉. 連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)——城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報 (信息科學(xué)版)，2003 (6): 259-264.

[2]張志文，王文旭，黃立人，等. 天津市 GPS 連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)系統(tǒng)[J]. 城市勘測，2007 (6): 51-55.

[3]郭萬里，張永，王小剛，等. 城市 GPS 連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng) (CORS) 應(yīng)用綜述[J]. 人民珠江，2008 (1): 65-67.

[4]肖建華，王澤民，周劍，等. WHCORS 的建設(shè)與應(yīng)用研究[J]. 地理空間信息，2006 (4): 1-3.

[5]唐文剛，王建輝，金元德. 虛擬參考站系統(tǒng)的設(shè)計與建立[J]. 現(xiàn)代測繪，2004 (2): 13-15.