陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)CORS站站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何江 張英麗 田亮

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陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)CORS站站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何江 張英麗 田亮

（西安測(cè)繪總站 陜西西安 710054）

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)網(wǎng)于2011年建成并投入使用，總共由260個(gè)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站（以下簡(jiǎn)稱CORS站）組成，這些基準(zhǔn)站每天連續(xù)觀測(cè)的海量數(shù)據(jù)為CGCS2000坐標(biāo)系的建立和維持起到關(guān)鍵作用，同時(shí)每天的海量數(shù)據(jù)處理也因此成為一項(xiàng)重要工作。根據(jù)長(zhǎng)期從事CORS站數(shù)據(jù)處理工作的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)建立了一套CORS站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有CORS站的自動(dòng)數(shù)據(jù)檢核評(píng)估與預(yù)報(bào)功能。

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò) CORS 數(shù)據(jù)檢核 站點(diǎn)監(jiān)測(cè)

1 引言

連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（ 英文全稱 Continuous Operational Reference System）簡(jiǎn)稱 CORS 網(wǎng)絡(luò),是近幾年迅速發(fā)展的一種新興測(cè)量服務(wù)手段。它是在一定范圍內(nèi)建立大量連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化的GPS綜合服務(wù)系統(tǒng)。陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)網(wǎng)[1]就是由260個(gè)CORS站組建而成，它不僅可以向各級(jí)測(cè)繪部門(mén)提供高精度連續(xù)的時(shí)空基準(zhǔn)，還可以向?qū)Ш健?zāi)害防治等部門(mén)提供各種數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)為城市建設(shè)、交通管理、氣象、環(huán)境監(jiān)測(cè)等提供迅速可靠的信息服務(wù)，滿足基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土資源調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、交通管理等信息需求。但隨著基準(zhǔn)網(wǎng)的投入使用，每天海量的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理已成為一項(xiàng)重要且十分繁重的工作。目前還沒(méi)有成熟的管理系統(tǒng)對(duì)這些站點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)高效的數(shù)據(jù)檢核以及監(jiān)測(cè)，日常工作只是零散地進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，存儲(chǔ)混亂，不能重復(fù)利用檢核結(jié)果，造成了大量人力物力的浪費(fèi)。因此為了更好地提高數(shù)據(jù)處理效率，節(jié)約資源，迫切需要研發(fā)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)CORS網(wǎng)絡(luò)所有基準(zhǔn)站進(jìn)行自動(dòng)化管理。

2 站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能概述

CORS站站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能主要是解放日常重復(fù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，讓數(shù)據(jù)檢測(cè)評(píng)估以及站點(diǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[2]。具體功能包括以下四個(gè)方面：

（1）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)能夠接收基準(zhǔn)網(wǎng)所有CORS站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為目前標(biāo)準(zhǔn)的格式文件RINEX格式。

（2）數(shù)據(jù)編輯功能。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)RINEX文件頭信息部分編輯，文件分割與合并，衛(wèi)星系統(tǒng)的選擇以及特定衛(wèi)星禁用。

（3）數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核功能。主要包括觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核，質(zhì)量評(píng)估與數(shù)據(jù)剔除。

（4）站點(diǎn)監(jiān)測(cè)功能。對(duì)CORS站每天觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖1展示了站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括七個(gè)模塊：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量檢核、質(zhì)量評(píng)估、質(zhì)量報(bào)告、站點(diǎn)監(jiān)測(cè)、信息查詢和批處理。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能分為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和年度統(tǒng)計(jì)兩部分。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)計(jì)每天260個(gè)CORS站的數(shù)據(jù)接收情況，包括文件數(shù)量、大小等信息，并將統(tǒng)計(jì)信息放入預(yù)先建立的數(shù)據(jù)庫(kù)。年度統(tǒng)計(jì)模塊主要實(shí)現(xiàn)年末統(tǒng)計(jì)整個(gè)年度的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)大小以及每個(gè)基準(zhǔn)站的年度數(shù)據(jù)入庫(kù)情況。

質(zhì)量檢核模塊通過(guò)每天調(diào)用TEQC軟件[3,4]檢查當(dāng)天接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量，然后將結(jié)果信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。質(zhì)量結(jié)果包括年積日、接收機(jī)信息、天線信息、觀測(cè)者信息、觀測(cè)時(shí)段、歷元、天線高、觀測(cè)類型、概略坐標(biāo)、衛(wèi)星狀況、鐘漂、有效率、多路徑效應(yīng)等信息。

質(zhì)量評(píng)估模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每一個(gè)經(jīng)過(guò)質(zhì)量檢核的觀測(cè)文件進(jìn)行評(píng)分入庫(kù)。評(píng)估分?jǐn)?shù)可以用來(lái)比較數(shù)據(jù)的觀測(cè)質(zhì)量，為起算數(shù)據(jù)的選擇提供參考。

質(zhì)量報(bào)告模塊首先能夠?qū)Ξ?dāng)天的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)入庫(kù)，然后生成詳細(xì)的質(zhì)量報(bào)告，使操作者能夠?qū)Ξ?dāng)天數(shù)據(jù)質(zhì)量有全面了解。

站點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊主要包括：（1）將數(shù)據(jù)解算結(jié)果入庫(kù)；（2）更新解算中誤差；（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除粗差并內(nèi)插缺失坐標(biāo)；（4）坐標(biāo)預(yù)測(cè)，包括線性預(yù)測(cè)和非線性預(yù)測(cè)。（5）判斷漂移，根據(jù)預(yù)測(cè)坐標(biāo)和計(jì)算坐標(biāo)結(jié)果判斷點(diǎn)位是否漂移。

信息查詢和批處理模塊包括查詢每天基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)質(zhì)量信息，將上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量檢核、質(zhì)量評(píng)估、質(zhì)量報(bào)告進(jìn)行批處理，方便每天操作。

4 系統(tǒng)初步成果展示

根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，作者利用VC編程語(yǔ)言和Microsoft SQL Server 2005實(shí)現(xiàn)了CORS站數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核與評(píng)估七項(xiàng)功能：數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量檢核，質(zhì)量評(píng)估，質(zhì)量報(bào)告，站點(diǎn)監(jiān)測(cè)，信息查詢和批處理。主界面如圖2所示。

4.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核處理流程

系統(tǒng)對(duì)陸態(tài)網(wǎng)每天接收的CORS站觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核，目的是將質(zhì)量較差的觀測(cè)文件剔除，以保證GPS數(shù)據(jù)處理的精度[5,6]。

實(shí)際接收到的文件格式為aaaaddd0.13d.Z,aaaa為站點(diǎn)代碼，ddd為年積日，13d以13年的數(shù)據(jù)為例。每天接收的觀測(cè)文件都放在以年積日命名的文件夾中。首先新建臨時(shí)文件夾temp，用來(lái)存放臨時(shí)文件。將導(dǎo)航文件n文件及工具軟件TEQC和crx2rnx.exe復(fù)制到臨時(shí)文件夾。然后遍歷存放觀測(cè)數(shù)據(jù)的以年積日命名的文件夾，對(duì)每一個(gè)觀測(cè)文件執(zhí)行后續(xù)步驟，直到將所有觀測(cè)文件檢測(cè)一遍。

對(duì)于每一個(gè)觀測(cè)文件，檢查文件后綴名，是否為Z,如果是，則調(diào)用WinRAR軟件對(duì)觀測(cè)文件進(jìn)行解壓縮。經(jīng)過(guò)解壓縮之后的文件，檢查后綴名是否為13d，如果是，則調(diào)用crx2rnx.exe軟件將d文件轉(zhuǎn)換為o文件。轉(zhuǎn)換之后，如果后綴名不是13o，則說(shuō)明出現(xiàn)了異常情況，程序給出提示，請(qǐng)操作者檢查更正之后，再一次運(yùn)行程序進(jìn)行質(zhì)量檢查。對(duì)于后綴名為13o的文件，調(diào)用TEQC軟件進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查之后生成9個(gè)文件：分別為L(zhǎng)1載波多路徑效應(yīng)指標(biāo)文件（.mp1）、L2載波多路徑效應(yīng)指標(biāo)文件（.mp2）、L1載波信噪比文件（.sn1）、L2載波信噪比文件（.sn2）、衛(wèi)星高度角文件（.ele）、衛(wèi)星方位角文件（.azi）、電離層誤差及其變化率文件（.ion、.iod）以及一個(gè)匯總文件（.13s）。這九個(gè)文件中，匯總文件13s最為重要。需要從13o文件和13s文件中提取各項(xiàng)觀測(cè)質(zhì)量信息，并放入數(shù)據(jù)庫(kù)中。完成了信息入庫(kù)之后，將生成的9個(gè)文件移動(dòng)到指定存儲(chǔ)位置，這些信息對(duì)于研究GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站的穩(wěn)定性具有重要作用。至此單個(gè)o文件的處理已經(jīng)完成。下一步將所有單個(gè)o文件相關(guān)的.Z文件，.13d文件和.13o文件刪除。開(kāi)始處理下一個(gè)觀測(cè)文件aaaaddd0.13d.Z，直到將當(dāng)天年積日文件夾中的觀測(cè)文件遍歷一遍。

遍歷結(jié)束之后，刪除臨時(shí)文件夾temp及其內(nèi)部的各個(gè)文件。當(dāng)天觀測(cè)文件的質(zhì)量檢查全部結(jié)束。

4.2 站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

站點(diǎn)監(jiān)測(cè)[7]，通過(guò)比較預(yù)測(cè)坐標(biāo)和計(jì)算出的坐標(biāo)，找出有發(fā)生漂移可能的站點(diǎn)，以供進(jìn)一步核實(shí)分析。首先，解算陸態(tài)網(wǎng)每天的GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，將解算出的坐標(biāo)結(jié)果提交到系統(tǒng)，系統(tǒng)將坐標(biāo)結(jié)果放入數(shù)據(jù)庫(kù)中。第二步，中誤差用來(lái)確定閾值，以及在剔除粗差過(guò)程中來(lái)確定粗差的閾值。根據(jù)現(xiàn)有的計(jì)算坐標(biāo)計(jì)算出當(dāng)天的中誤差值。第三步，要為預(yù)測(cè)坐標(biāo)做好預(yù)處理工作。預(yù)處理工作包括兩部分：剔除粗差和內(nèi)插缺失數(shù)據(jù)。明顯的粗差必須要剔除，否則會(huì)影計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性。有的年積日某些站沒(méi)有產(chǎn)出觀測(cè)數(shù)據(jù)，或者觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，計(jì)算出的坐標(biāo)明顯屬于粗差，已經(jīng)在上一步剔除。這樣就會(huì)產(chǎn)生站點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的中斷，可能很長(zhǎng)一段時(shí)間都沒(méi)有坐標(biāo)結(jié)果，這樣就無(wú)法進(jìn)行下一步的坐標(biāo)預(yù)測(cè)，所以必須通過(guò)線性內(nèi)插的方法補(bǔ)齊缺失的數(shù)據(jù)。但是如果連續(xù)一周或更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)都缺失，則不進(jìn)行線性內(nèi)插，采用過(guò)多的線性內(nèi)插數(shù)據(jù)計(jì)算出的預(yù)測(cè)坐標(biāo)不夠準(zhǔn)確，此時(shí)利用移動(dòng)回歸模型來(lái)進(jìn)行內(nèi)插。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)，已經(jīng)做好了預(yù)測(cè)坐標(biāo)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。第四步，預(yù)測(cè)坐標(biāo)，采用一元線性回歸的方法來(lái)進(jìn)行坐標(biāo)的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)等級(jí)的意思是預(yù)測(cè)的日期和預(yù)測(cè)所采用的數(shù)據(jù)中最新的計(jì)算坐標(biāo)的年積日之差，比如要預(yù)測(cè)某站056天的坐標(biāo)，如果采用的數(shù)據(jù)中最新的計(jì)算坐標(biāo)為053天的，則預(yù)測(cè)等級(jí)為3，如果最新的計(jì)算坐標(biāo)為055天的，則預(yù)測(cè)等級(jí)為1，一般預(yù)測(cè)等級(jí)最高的預(yù)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)覆蓋等級(jí)低的預(yù)測(cè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。預(yù)測(cè)等級(jí)最高為1，最低為7。等級(jí)越高，預(yù)測(cè)精度越高。最后一步，判斷點(diǎn)位漂移，通過(guò)比較預(yù)測(cè)坐標(biāo)和實(shí)際計(jì)算出的坐標(biāo)，得到兩者的差值，如果差值超過(guò)閾值，則初步判定為漂移。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)成果展示

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中形成了多個(gè)重要的數(shù)據(jù)庫(kù)，為今后的信息查詢打下了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。主要成果包括：data_statistics數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為數(shù)據(jù)接收情況統(tǒng)計(jì)；sum_day數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為數(shù)據(jù)接收情況每天匯總；sum_year數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為數(shù)據(jù)接收情況每年匯總；sum_station數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為數(shù)據(jù)接收情況年終每站匯總；QC_file數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量情況；qualityreport_day數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為每天觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)情況；RMSE數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為每年每站xyz坐標(biāo)的中誤差；XYZ數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為高精度GPS數(shù)據(jù)解算成果；XYZ_forecast數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為預(yù)測(cè)坐標(biāo)及點(diǎn)位漂移判斷結(jié)果；stationinfo數(shù)據(jù)庫(kù)，內(nèi)容為陸態(tài)網(wǎng)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站簡(jiǎn)要信息及分區(qū)。以XYZ_forecast數(shù)據(jù)庫(kù)和stationinfo數(shù)據(jù)庫(kù)為例，其數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)網(wǎng)CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)十分繁重且細(xì)致的工作[8]，與日常GPS數(shù)據(jù)處理不同的是，CORS系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)出周期固定且數(shù)據(jù)量巨大，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高效穩(wěn)定的CORS網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)意義重大。本文根據(jù)長(zhǎng)期管理維護(hù)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)測(cè)站的管理經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)并初步實(shí)現(xiàn)了這樣的系統(tǒng)架構(gòu)，從而解放了大量前期人力重復(fù)性勞動(dòng)，并為所有的測(cè)站使用人員提供完整的質(zhì)量評(píng)估報(bào)告和參考。

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國(guó)家863項(xiàng)目（編號(hào)2013AA122501）