省級(jí)CORS組網(wǎng)技術(shù)研究與服務(wù)模式探討

袁 鵬

(武漢大學(xué) 衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430079)

一、 引 言

CORS是一種重要的地理空間信息基礎(chǔ)設(shè)施。2006年以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)地理空間信息的需求不斷擴(kuò)大，且國(guó)內(nèi)已積累城市級(jí)CORS的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，多個(gè)省份先后開(kāi)展了省級(jí)CORS建設(shè)。截至2012年6月，對(duì)已完成覆蓋全省范圍CORS建設(shè)的省份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1(注：/后表示二期完成后基站數(shù)量)。另有廣西、福建、四川、安徽等省區(qū)的CORS正處于建設(shè)或擴(kuò)建之中，黑龍江等省正在積極籌建。

表1 已建省級(jí)CORS情況統(tǒng)計(jì)

由此可見(jiàn)，我國(guó)正迎來(lái)省級(jí)CORS建設(shè)發(fā)展的高潮。然而由于尚未建立國(guó)家層面的統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、管理協(xié)調(diào)機(jī)制和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃，已建CORS系統(tǒng)間不同程度地存在著超長(zhǎng)邊、服務(wù)縫隙與服務(wù)重疊等問(wèn)題[1-2]，影響了系統(tǒng)的定位精度與可用性，難以支持高速鐵路、高速公路、輸油管、輸電線等大規(guī)模、長(zhǎng)距離的重大工程建設(shè)所需的跨網(wǎng)服務(wù)。

省級(jí)CORS組網(wǎng)是指通過(guò)某種方式將現(xiàn)有CORS系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)，組成一個(gè)覆蓋區(qū)域更大的網(wǎng)絡(luò)，從而有效解決上述問(wèn)題，向用戶提供精度更高、可用性更廣、可靠性更強(qiáng)的服務(wù)。CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通共享服務(wù)主要包括消除系統(tǒng)差異、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通技術(shù)與服務(wù)共享模式等問(wèn)題，已有文獻(xiàn)對(duì)此展開(kāi)研究。劉暉(2005)實(shí)現(xiàn)了深圳CORS與東莞CORS的互操作[3]；李昌貴等(2008)提出了CORS網(wǎng)絡(luò)互連的具體目標(biāo)及虛擬CORS的概念[4]；辜聲峰等(2010)探討了CORS互連共享的分區(qū)服務(wù)問(wèn)題[5]；陽(yáng)力等(2010)對(duì)廣東CORS兼并城市級(jí)CORS、氣象專業(yè)CORS進(jìn)行了研究[6]。但以上文獻(xiàn)未對(duì)我國(guó)正在大力發(fā)展的省級(jí)CORS的組網(wǎng)問(wèn)題開(kāi)展研究。

省級(jí)CORS無(wú)論是在分布還是在服務(wù)模式上都具有鮮明特點(diǎn)，且具有組網(wǎng)互聯(lián)互通共享服務(wù)的可能性與必要性。因此,本文對(duì)省級(jí)CORS組網(wǎng)過(guò)程中的若干關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)研究與探討。

二、省級(jí)CORS系統(tǒng)差異

1. 標(biāo)準(zhǔn)及參考站差異

省級(jí)CORS大多由測(cè)繪部門(mén)牽頭建設(shè)，也有由地震等部門(mén)建設(shè)的，如陜西省等。不同部門(mén)建立的CORS均采用其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)家測(cè)繪地理信息局制定的《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)建設(shè)規(guī)范》、中國(guó)地震局制定的《地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)程》，以及中國(guó)氣象局制定的《全球衛(wèi)星導(dǎo)航氣象探測(cè)基準(zhǔn)站建設(shè)指南》。

由于用途不同，以上標(biāo)準(zhǔn)在參考站的站址選擇、建設(shè)規(guī)范、觀測(cè)精度和運(yùn)行維護(hù)等方面的要求也不盡相同[7]。如依據(jù)參考站建站地質(zhì)環(huán)境，觀測(cè)墩可分為基巖墩、土層墩和屋頂墩三類，它們的建設(shè)成本、穩(wěn)定度及安全維護(hù)都有差異。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)成本最高、穩(wěn)定度最好的基巖墩個(gè)數(shù)及比例的要求不同。這給系統(tǒng)融合提供一致精度的服務(wù)帶來(lái)困難。

因此建議對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)求同存異，形成統(tǒng)一的參考站建設(shè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心編制完成了《國(guó)家全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站建設(shè)技術(shù)規(guī)程》。該規(guī)程詳細(xì)規(guī)定了基準(zhǔn)站網(wǎng)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、選埋、觀測(cè)和資料整理等建設(shè)內(nèi)容和技術(shù)要求，能夠?yàn)榻窈蟮膮^(qū)域CORS組網(wǎng)提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

2. 網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)差異

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)算法的差異導(dǎo)致系統(tǒng)中心向用戶播發(fā)的改正參數(shù)、數(shù)據(jù)通信方式、對(duì)用戶的軟硬件要求都不相同。如VRS技術(shù)需要用戶雙向通信，F(xiàn)KP技術(shù)需要用戶裝備專用客戶端軟、硬件設(shè)備才能進(jìn)行參數(shù)解碼和誤差改正，并且還需用戶承擔(dān)部分誤差建模的計(jì)算量。只有解決了網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)算法的差異，才能使組網(wǎng)后的系統(tǒng)能夠向用戶提供同等精度的跨網(wǎng)連續(xù)服務(wù)。

目前我國(guó)CORS系統(tǒng)大多采用國(guó)外軟件，不僅價(jià)格昂貴、存在安全保密隱患[8]，而且可擴(kuò)展性差、RTK作業(yè)方式與設(shè)備不同，導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫組網(wǎng)開(kāi)展跨網(wǎng)服務(wù)。因此，需要開(kāi)發(fā)擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CORS管理及數(shù)據(jù)處理軟件，并統(tǒng)一推廣應(yīng)用才能解決該問(wèn)題。

3. 數(shù)據(jù)格式差異

在CORS組網(wǎng)過(guò)程中，由于接收機(jī)、天線等設(shè)備差異、網(wǎng)絡(luò)RTK模式差異等原因，參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)格式、流動(dòng)站位置信息格式及差分?jǐn)?shù)據(jù)格式也會(huì)存在差異。系統(tǒng)間需要統(tǒng)一或兼容各種數(shù)據(jù)格式才能為用戶實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)服務(wù)。

建議使用如圖1所示的數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)中心間通過(guò)各接收機(jī)的專有格式RAW而非通用格式RINEX進(jìn)行傳輸,因?yàn)樵摳袷秸加每臻g較小, 各中心只需配置能轉(zhuǎn)換不同類型RAW格式的軟件即可。

圖1 CORS組網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一

在VRS等網(wǎng)絡(luò)RTK模式中，流動(dòng)站用戶需要向系統(tǒng)中心發(fā)送位置等信息。國(guó)際海洋電子協(xié)會(huì)NMEA制定的NMEA-0183協(xié)議規(guī)定了上述信息的格式，且為國(guó)際通用格式。

系統(tǒng)中心向流動(dòng)站用戶播發(fā)差分?jǐn)?shù)據(jù)的常用格式為國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)RTCM的SC-104專門(mén)委員會(huì)制訂的RTCM格式及Trimble公司制定的CMR格式等。各系統(tǒng)中心兼容這些格式即可。

三、省級(jí)CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通技術(shù)

1. CORS組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)

快速、可靠的通信是CORS組網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的基礎(chǔ)。組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇，主要考慮傳輸速率、可靠性、安全性及成本等因素。同步數(shù)字體系SDH、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DDN和異步傳輸模式ATM等專線網(wǎng)絡(luò)安全可靠、傳輸速率快，但只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸且成本很高。非對(duì)稱數(shù)字用戶環(huán)路ADSL的傳輸速度、可靠性等都能基本達(dá)到CORS通信數(shù)據(jù)的傳輸要求，且費(fèi)用低廉，是目前CORS建設(shè)的最普遍選擇[9]?，F(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用最廣泛的是CDMA、GPRS及3G技術(shù)，可根據(jù)當(dāng)?shù)匦盘?hào)覆蓋情況進(jìn)行選擇。

2. CORS組網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式

CORS組網(wǎng)后，不同系統(tǒng)中心間需要共享特定部分參考站的數(shù)據(jù)，這需要一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)才能實(shí)現(xiàn)，大致有以下3種方法[9]。

1) 多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專線傳輸線路。對(duì)于需要共享的參考站，每個(gè)系統(tǒng)中心都分別與其建立專線，各線路互不干擾、可靠性很高，但成本過(guò)高，且由于基準(zhǔn)站設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，難以實(shí)現(xiàn)向不同CORS系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，一般不建議采用。

2) TCP/IP多路徑傳輸。參考站使用固定IP地址的通信線路，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)向各個(gè)系統(tǒng)中心傳輸參考站數(shù)據(jù)。該方式成本低，但安全性較差，需增設(shè)網(wǎng)絡(luò)防火墻，并設(shè)置IP訪問(wèn)資格，確保數(shù)據(jù)安全。

3) 虛擬專用網(wǎng)VPN多通道。參考站端VPN路由器建立多個(gè)通道向各個(gè)數(shù)據(jù)中心發(fā)送加密數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中心端VPN路由器接收到加密數(shù)據(jù)后進(jìn)行通道解密，將數(shù)據(jù)送入局域網(wǎng)。這種方式性價(jià)比最高。

以上3種方式需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，此外還可以充分利用已有的各種專線，如氣象專網(wǎng)、地震行業(yè)網(wǎng)、陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)等。

3. CORS組網(wǎng)的通信協(xié)議

目前，實(shí)現(xiàn)CORS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的主要協(xié)議是NTRIP協(xié)議。該協(xié)議被RTCM納為分發(fā)RTCM-104格式差分?jǐn)?shù)據(jù)或GNSS數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)稱為RTCM10410.0。

NTRIP主要由客戶端NTRIPClient、源服務(wù)器NTRIPServer和集中交換服務(wù)器NTRIPCaster 3個(gè)部分組成。NTRIPClient即RTK流動(dòng)站用戶，NTRIP客戶可以使用NTRIP數(shù)據(jù)中心的IP地址通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到NTRIP數(shù)據(jù)中心。NTRIPServer用于從CORS參考站向NTRIPCaster傳輸數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用。NTRIPServer與NTRIPClient一樣，使用NTRIP數(shù)據(jù)中心合適的IP地址通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到NTRIP數(shù)據(jù)中心。NTRIPCaster是一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，作為管理接口，將進(jìn)出NTRIP服務(wù)器和客戶的不同數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。

如圖2所示，假設(shè)組網(wǎng)后用戶需要由CORS-A的參考站A1和A2及CORS-B的參考站B1進(jìn)行定位，則B1參考站的數(shù)據(jù)可經(jīng)由NTRIPServerB1傳至NTRIPCaster，并由CORS-A系統(tǒng)解算后，將RTK數(shù)據(jù)經(jīng)由NTRIPCaster傳給用戶NTRIPClientA。

圖2 CORS組網(wǎng)的NTRIP協(xié)議

四、CORS組網(wǎng)的服務(wù)模式

1. CORS組網(wǎng)的共享模式

CORS系統(tǒng)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)建立在通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，主要由數(shù)據(jù)、協(xié)議、軟件等組成，反映了系統(tǒng)內(nèi)外部的共享關(guān)系[10]。由于建設(shè)時(shí)期、目的、手段等都不相同，各CORS系統(tǒng)內(nèi)部和各系統(tǒng)之間覆蓋網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不同，需要制訂相應(yīng)的規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

現(xiàn)有省級(jí)CORS建設(shè)過(guò)程中，已經(jīng)建立了分中心模式、多中心模式等組網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模式[5]。分中心模式中，分中心從屬于系統(tǒng)中心，系統(tǒng)中心共享分中心所屬CORS系統(tǒng)的所有參考站資源，各分中心共享其周邊的參考站。這種模式規(guī)定了不同級(jí)別中心的數(shù)據(jù)分享權(quán)限，具有較好的數(shù)據(jù)保密性，適用于省市CORS間跨級(jí)別數(shù)據(jù)共享。多中心模式中，各中心之間關(guān)系對(duì)等，任一中心可以共享其他中心的所有基準(zhǔn)站資源，擁有同樣的覆蓋區(qū)域，但服務(wù)模式及內(nèi)容可以不同，適用于測(cè)繪、氣象及地震等跨部門(mén)數(shù)據(jù)共享。

為了建立省級(jí)CORS間的互聯(lián)共享，本文提出有限共享模式。該模式中，各系統(tǒng)中心之間關(guān)系對(duì)等，但任一中心只能共享其他中心特定的部分基準(zhǔn)站資源。這種模式規(guī)定了不同系統(tǒng)中心的數(shù)據(jù)分享權(quán)限，相互而言都是有限共享，既有較好的數(shù)據(jù)保密性又能實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)中心間的數(shù)據(jù)平等共享，適用于相鄰省級(jí)CORS之間的跨省數(shù)據(jù)共享。

以上3種模式并存則稱為混合模式，如圖3所示。這種方式適用于區(qū)域CORS組網(wǎng)及其服務(wù)拓展。如可以將城市分中心子網(wǎng)按分中心模式將數(shù)據(jù)共享到省測(cè)繪局系統(tǒng)中心，地方氣象局子網(wǎng)也按分中心模式將數(shù)據(jù)共享到省氣象局中心，而省測(cè)繪局系統(tǒng)中心又與省氣象局系統(tǒng)中心構(gòu)成多中心模式，按照各自需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與服務(wù)。省級(jí)CORS系統(tǒng)之間構(gòu)成有限共享模式，可以共享屬于對(duì)方的鄰近參考站的數(shù)據(jù)，從而減少超長(zhǎng)邊，消除服務(wù)縫隙，避免服務(wù)重疊，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)服務(wù)。

圖3 CORS共享模式示意圖

2. CORS組網(wǎng)的服務(wù)方式

確定了互相共享的參考站之后，還需要確定是采取臨時(shí)共享、長(zhǎng)期共享或其他方式。臨時(shí)共享的原理是：CORS-A首先監(jiān)測(cè)用戶的概略位置，當(dāng)其位于服務(wù)縫隙時(shí)，判斷所需相鄰網(wǎng)CORS-B的參考站節(jié)點(diǎn)；然后向CORS-B的系統(tǒng)中心發(fā)送請(qǐng)求所需參考站節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)消息，與CORS-B建立臨時(shí)通信鏈路，接收CORS-B轉(zhuǎn)發(fā)的相應(yīng)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)；最后更新三角網(wǎng)，初始化基線，生成RTK誤差改正數(shù)及用戶所需產(chǎn)品。另一種是長(zhǎng)期共享方式，即長(zhǎng)期地共享相鄰CORS網(wǎng)特定部分參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)服務(wù)縫隙區(qū)域進(jìn)行劃分，在某分區(qū)內(nèi)，僅某一CORS提供CORS服務(wù)[5]。

省級(jí)CORS服務(wù)縫隙常出現(xiàn)在交界地區(qū)，由于我國(guó)省級(jí)行政區(qū)域多依山河湖泊等自然地理?xiàng)l件分界，許多邊界地區(qū)人口較少，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，對(duì)CORS應(yīng)用需求相對(duì)較低，當(dāng)然，也有些交界地區(qū)是區(qū)域交流的重要樞紐，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，對(duì)CORS應(yīng)用需求較高。

交界地區(qū)CORS組網(wǎng)服務(wù)方式的選擇應(yīng)以其地理空間信息需求為導(dǎo)向。如果該區(qū)域測(cè)繪活動(dòng)較少，則可以提供臨時(shí)共享方式，雖然時(shí)延較長(zhǎng)，但僅在用戶有需求的時(shí)候才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這種應(yīng)答式的服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸量較小、成本較低。如果是需要為高速鐵路、公路，輸油、輸電線路等跨區(qū)域大型工程建設(shè)提供服務(wù)，則可采取在工程建設(shè)階段內(nèi)實(shí)現(xiàn)共享。如果該區(qū)域CORS應(yīng)用需求量較高，則可長(zhǎng)期共享，提供精度穩(wěn)定、延遲較小且可靠性好的服務(wù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)省級(jí)CORS建設(shè)的大規(guī)模展開(kāi)，組網(wǎng)互聯(lián)互通共享服務(wù)成為其進(jìn)一步深化發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文分析了我國(guó)省級(jí)CORS的建設(shè)情況及存在的問(wèn)題，指出了省級(jí)CORS組網(wǎng)的趨勢(shì)，研究了省級(jí)CORS組網(wǎng)中的系統(tǒng)差異、組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式、通信協(xié)議等關(guān)鍵問(wèn)題，探討了組網(wǎng)的服務(wù)共享模式，并就上述問(wèn)題提出了一些有益的建議，以作為省級(jí)CORS組網(wǎng)的參考。

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