區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)

姜英明，郭金運(yùn)，高士民，杜珺，劉智敏

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590；2.山東省國土測繪院，濟(jì)南 250102)

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區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)

姜英明1，郭金運(yùn)1，高士民2，杜珺1，劉智敏1

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，青島 266590；2.山東省國土測繪院，濟(jì)南 250102)

采用GAMIT/GLOBK軟件結(jié)合MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，使用C/S架構(gòu)模式開發(fā)一套區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域CORS數(shù)據(jù)的自動化數(shù)據(jù)管理和自動基線解算、自動網(wǎng)平差處理。通過對山東CORS的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測試結(jié)果顯示，其基線解算的NRMS值優(yōu)于0.188，基線重復(fù)性優(yōu)于0.012 m，坐標(biāo)解算結(jié)果與Bernese解算結(jié)果互差在0.013 m內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)處理的精度及可靠性。

CORS自動解算；GAMIT/GLOBK；數(shù)據(jù)庫應(yīng)用；CORS數(shù)據(jù)管理;GPS數(shù)據(jù)處理

0 引 言

連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)使用差分的方法為用戶提供服務(wù)，可以在提供厘米級的定位精度的同時將測量的時間大大縮短，因此在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用[1-3]。

隨著全國范圍內(nèi)CORS系統(tǒng)的廣泛建立，如何快速及時地對參考站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理已成為亟需解決的實(shí)際問題。目前的CORS數(shù)據(jù)處理大多采用GAMIT/GLOBK軟件或Bernese軟件由人工操作進(jìn)行，技術(shù)難度大，無法實(shí)現(xiàn)對CORS數(shù)據(jù)的及時解算。

對區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)的研究，目前國內(nèi)還較少且主要采用Bernese軟件進(jìn)行研制。武漢大學(xué)GNSS中心曾基于Bernese軟件研發(fā)了GPS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)Auto-Bernese[4]。西南交通大學(xué)曾研發(fā)了基于Bernese 4.2的全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件并成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、基線解算及網(wǎng)平差處理和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等功能[5]。而針對GAMIT/GLOBK的GPS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)的研發(fā)還較少，國內(nèi)僅郭際明等利用Shell腳本語言實(shí)現(xiàn)了一個較簡陋的CORS數(shù)據(jù)自動解算系統(tǒng)[6-7]。但該系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了GAMIT/GLOBK程序的定時解算，對數(shù)據(jù)及解算結(jié)果等的管理功能需要人工進(jìn)行。

由于GAMIT/GLOBK軟件運(yùn)行在UNIX/類UNIX系統(tǒng)上且采用在終端輸入操作命令的方式，對使用者的UNIX/類UNIX系統(tǒng)的熟悉程度提出了較高的要求。而且CORS系統(tǒng)的參考站具有全天候觀測、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多等特點(diǎn)，比如一個站點(diǎn)的采樣間隔為1 s的接收機(jī)觀測一天數(shù)據(jù)就可達(dá)到170 MB以上。結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對區(qū)域CORS數(shù)據(jù)的有效管理[8]。因此建立一個基于GAMIT/GLOBK軟件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，可以有效地提高數(shù)據(jù)的解算速度并能及時發(fā)現(xiàn)參考站的坐標(biāo)異常，降低CORS數(shù)據(jù)處理技術(shù)難度，大大方便CORS系統(tǒng)的運(yùn)維與應(yīng)用。

本文提出一個基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫MySQL和高精度GNSS解算軟件GAMIT/GLOBK的區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對參考站的接收機(jī)/天線類型、站點(diǎn)位置、所屬單位和先驗(yàn)坐標(biāo)等屬性的管理，實(shí)現(xiàn)對參考站觀測數(shù)據(jù)的自動處理及對參考站觀測數(shù)據(jù)和解算結(jié)果的管理。

1 功能及實(shí)現(xiàn)

1.1 功能需求

為滿足區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動化處理系統(tǒng)的使用需求，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

1) 站點(diǎn)信息管理。實(shí)現(xiàn)CORS參考站站點(diǎn)信息的添加、編輯、刪除等功能，相應(yīng)的以站點(diǎn)為單位實(shí)現(xiàn)對參考站的接收機(jī)/天線類型、站點(diǎn)位置、站點(diǎn)照片和點(diǎn)之記、站點(diǎn)所屬單位、站點(diǎn)類型等的管理功能。

2) 數(shù)據(jù)管理。以觀測日期為單位實(shí)現(xiàn)對CORS站觀測數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除功能，以統(tǒng)計(jì)表格的形式實(shí)現(xiàn)對站點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)完整性的查看功能。實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)解算所需的準(zhǔn)備文件(廣播星歷、精密星歷等)的導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除等功能。

3) 準(zhǔn)備文件自動下載。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在無人值守環(huán)境下的自動數(shù)據(jù)處理，需實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)解算過程中所需的準(zhǔn)備文件的自動數(shù)據(jù)下載。

4) 用戶管理。為保證CORS數(shù)據(jù)安全性與保密性，需要對各用戶數(shù)據(jù)實(shí)行隔離存儲。因此需實(shí)現(xiàn)用戶管理功能，并為用戶分配一定的角色權(quán)限，不同角色可使用不同的功能模塊，且對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

5) 數(shù)據(jù)處理。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解算任務(wù)的自動和手動提交，系統(tǒng)在收到數(shù)據(jù)解算的任務(wù)后，調(diào)用GAMIT/GLOBK程序?qū)ο鄳?yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差，并在數(shù)據(jù)解算完成后將解算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中供用戶使用。

6) 輔助應(yīng)用分析。對CORS參考站觀測數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行后期分析，如數(shù)據(jù)觀測質(zhì)量的檢核評定、站點(diǎn)穩(wěn)定性分析、動態(tài)參考框架、可降水汽含量和總電子含量的分析利用等。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)功能需求中所提出的各項(xiàng)功能，對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式(C/S)開發(fā)，系統(tǒng)由客戶端程序、準(zhǔn)備文件自動下載程序、數(shù)據(jù)解算任務(wù)自動提交程序、數(shù)據(jù)解算服務(wù)器端程序和MySQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理過程中所依賴的數(shù)據(jù)處理程序運(yùn)行。系統(tǒng)使用C#語言和C Shell語言開發(fā)，在Windows操作系統(tǒng)，C#程序運(yùn)行在微軟 .NET運(yùn)行環(huán)境之上，在Linux系統(tǒng)則運(yùn)行在Mono“運(yùn)行環(huán)境”之上。C#語言用于實(shí)現(xiàn)客戶端、數(shù)據(jù)解算服務(wù)器端程序以及對數(shù)據(jù)庫接口的調(diào)用，C Shell用于對GAMIT/GLOBK等數(shù)據(jù)處理程序的底層調(diào)用。整個系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所提出的要求，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能需求如下：

1) 系統(tǒng)初始化時創(chuàng)建一個管理員賬戶。

2) 管理員賬戶可以創(chuàng)建不同的角色，并對角色賦予不同的功能；管理員賬戶亦可以創(chuàng)建不同的用戶，并為用戶分配所屬的角色。

3) 用戶可以對參考站站點(diǎn)進(jìn)行管理，如添加、刪除、修改站點(diǎn)接收機(jī)和天線類型等，也可以查看數(shù)據(jù)庫中保存的數(shù)據(jù)解算結(jié)果并對結(jié)果做適當(dāng)后處理分析。

5) 用戶可以對某一時段(以天為單位)的觀測數(shù)據(jù)提交數(shù)據(jù)解算任務(wù)，也可以設(shè)置由自動解算程序在某一時刻定時向數(shù)據(jù)庫提交某時段觀測數(shù)據(jù)的解算任務(wù)，提交的任務(wù)保存在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理任務(wù)表中。

6) 數(shù)據(jù)解算服務(wù)器程序在檢測到數(shù)據(jù)庫中存在未解算過的任務(wù)時，將從數(shù)據(jù)庫中獲取該任務(wù)所需的觀測數(shù)據(jù)和準(zhǔn)備文件，然后調(diào)用GAMIT/GLOBK程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解算。若解算成功，則將解算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。

7) 為了使用戶可以了解任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)(如開始執(zhí)行、解算完成，執(zhí)行出錯等)，數(shù)據(jù)解算服務(wù)器程序?qū)⒃趫?zhí)行的關(guān)鍵步驟處向用戶發(fā)送消息。消息保存在消息表中，客戶端可以在用戶登錄客戶端時向用戶顯示這些消息。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能需求分析，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，得到的實(shí)體-聯(lián)系圖(E-R圖)，如圖2所示。其中站點(diǎn)具有所屬單位、所在位置、接收機(jī)類型、天線類型、啟用時間等屬性，解算任務(wù)具有任

圖2 數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計(jì)

務(wù)類型(基線解算、網(wǎng)平差等)、數(shù)據(jù)日期，任務(wù)提交時間、任務(wù)開始執(zhí)行時間、任務(wù)完成時間和任務(wù)參數(shù)配置等屬性。依據(jù)數(shù)據(jù)庫的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計(jì)，按照數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中創(chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)表[9]。

整個系統(tǒng)的頂層數(shù)據(jù)流如圖3所示。系統(tǒng)中，觀測數(shù)據(jù)既可以由客戶端上傳，也可通過系統(tǒng)掃描各測站推送數(shù)據(jù)的文件夾上傳。數(shù)據(jù)解算過程中用到的準(zhǔn)備文件，由準(zhǔn)備文件自動下載程序每天定時下載后上傳到數(shù)據(jù)庫中。用戶可以通過客戶端程序向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)管理請求，系統(tǒng)執(zhí)行對應(yīng)的數(shù)據(jù)管理操作后將數(shù)據(jù)管理結(jié)果返回給客戶端。客戶端或解算任務(wù)自動提交程序都可以向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)處理任務(wù)，數(shù)據(jù)解算服務(wù)器端程序在空閑時頻繁地檢查數(shù)據(jù)庫中的待處理任務(wù)表，檢測到待處理的任務(wù)后，從數(shù)據(jù)庫中獲取對應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)及解算所需的準(zhǔn)備文件后調(diào)用GAMIT/GLOBK程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行解算，并在解算完成后將數(shù)據(jù)處理結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中。用戶可以通過客戶端對解算結(jié)果進(jìn)行查看和分析。

圖3 系統(tǒng)頂層數(shù)據(jù)流

2 程序?qū)崿F(xiàn)

按照軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用C#和C Shell編程對系統(tǒng)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，得到的客戶端程序，準(zhǔn)備

首先從戰(zhàn)略全局化的角度出發(fā)，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)政府多部門與社會各界力量，形成全域化的社會管理合作機(jī)制體制；其次依法治理旅游糾紛，解決旅游監(jiān)管交叉與缺位并存的尷尬處境，創(chuàng)建旅游綜合執(zhí)法隊(duì)伍，強(qiáng)化相關(guān)法律法規(guī)的執(zhí)行力度；最后圍繞“屈賈之鄉(xiāng)”、“山水洲城”的人文底蘊(yùn)、弘揚(yáng)“敢為人先”的湖湘精神，全面體現(xiàn)“現(xiàn)代湖湘文化融合之都、山水田園休閑勝地、中部臨空會展名城”的整體形象。

文件自動下載程序，數(shù)據(jù)處理任務(wù)自動提交程序和數(shù)據(jù)解算服務(wù)器端程序。其中客戶端程序主界面分別如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)客戶端程序主界面

3 解算實(shí)例及精度驗(yàn)證

為驗(yàn)證該程序的可行性以及解算精度，利用山東省國土測繪院SDCORS運(yùn)行中心所提供的山東CORS于2015年1月1日和2012年每月15日共13天，每天約90個CORS站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。解算時的參數(shù)配置如表1所示。

表1 GAMIT/GLOBK解算參數(shù)配置表

3.1 NRMS值

標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(NRMS)可以作為衡量GAMIT基線解算結(jié)果精度的重要指標(biāo)。根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，一般要求該值小于0.3，如果NRMS大于0.5，則說明解算中可能有周跳沒有被清除，此時需進(jìn)行人工處理進(jìn)行周跳修復(fù)[10]。

考慮到山東CORS參考站點(diǎn)數(shù)量較多，為節(jié)約解算時間，依據(jù)山東CORS參考站網(wǎng)的網(wǎng)形分布，在基線解算時將山東CORS參考站網(wǎng)劃分為東西兩個子網(wǎng)分別進(jìn)行解算[11]。基線解算完成后再合并進(jìn)行網(wǎng)平差處理。在進(jìn)行子網(wǎng)劃分時，兩個子網(wǎng)間保留4個公共參考站點(diǎn)，并加入同時段的BJFS、CHAN、DAEJ、SHAO、SUWN和WUHN等6個IGS跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)測。本次所得到的處理結(jié)果的驗(yàn)后NRMS如表2所示。

由統(tǒng)計(jì)可見，本次所測試的13天的觀測數(shù)據(jù)的基線解算結(jié)果，其驗(yàn)后NRMS值均在0.175～

0.194之間，其中子網(wǎng)一的驗(yàn)后NRMS平均值為0.188，子網(wǎng)二的驗(yàn)后NRMS平均值為0.187,符合精度要求。

表2 GAMIT/GLOBK所得基線

3.2 基線重復(fù)性

基線重復(fù)性是評價(jià)基線解算質(zhì)量的重要指標(biāo)，本次驗(yàn)證所得到解算結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖5 基線各分量重復(fù)性值分布

圖6 基線長度的重復(fù)性值分布

本次解算中，各基線在各方向的基線重復(fù)性值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 基線重復(fù)性值統(tǒng)計(jì)

基線重復(fù)性值較小，說明解算結(jié)果中各基線的相互符合度較高，滿足基線解算的精度要求。

3.3 坐標(biāo)精度

因?yàn)镃ORS站點(diǎn)的坐標(biāo)真值不可知，因此采用Bernese軟件對同一時段數(shù)據(jù)的解算結(jié)果與GAMIT/GLOBK自動解算結(jié)果進(jìn)行對比[12]。

取SDCORS在2015年1月1日的88個參考站的觀測數(shù)據(jù)，分別用Bernese軟件和本系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中GAMIT/GLOBK的主要配置項(xiàng)如表1所示，Bernese的配置項(xiàng)如表4所示。

表4 Bernese軟件的解算參數(shù)配置表

對解算出的站點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比，其坐標(biāo)在X、Y、Z三方向的差值分布圖如圖7所示。差值統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。

圖7 兩程序解算坐標(biāo)差值分布圖

方向X方向/mY方向/mZ方向/m最大值-0．00040．00910．0011最小值-0．0083-0．0045-0．0127平均值-0．00420．0036-0．0030標(biāo)準(zhǔn)差0．00150．00250．0021

對比結(jié)果顯示，Bernese軟件解算結(jié)果與使用本系統(tǒng)的解算結(jié)果，其坐標(biāo)互差在13 mm以內(nèi)。三個方向差值的符號基本相同，這表明兩程序的差值有一個系統(tǒng)性的偏差，這可能是由于解算過程中使用了不同的模型導(dǎo)致的。若以Bernese軟件的坐標(biāo)解算結(jié)果作為參考值，則本系統(tǒng)的坐標(biāo)解算結(jié)果符合省級CORS在ITRF地心參考框架中互差小于0.05 m的精度要求。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)開發(fā)，集合數(shù)據(jù)庫管理軟件MySQL和高精度GPS數(shù)據(jù)處理程序GAMIT/GLOBK的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)無人值守情況下的區(qū)域CORS數(shù)據(jù)的全自動處理。使用圖形界面編程的方式改進(jìn)了GAMIT/GLOBK程序的操作友好性，降低了技術(shù)難度，可以使對此程序不甚熟悉的用戶也可以實(shí)現(xiàn)快速上手使用，提高了生產(chǎn)效率。由于數(shù)據(jù)解算更及時，便于監(jiān)控參考站的運(yùn)行狀況，有助于提高CORS系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與可靠性。

本系統(tǒng)還驗(yàn)證了使用GAMIT/GLOBK程序進(jìn)行區(qū)域CORS數(shù)據(jù)自動解算的可行性。SDCORS實(shí)際應(yīng)用表明，GAMIT/GLOBK程序在自動解算時的精度也不亞于人工手動處理，能夠滿足區(qū)域CORS網(wǎng)坐標(biāo)在5 cm內(nèi)的精度要求[13]。

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Automatic Data Processing System of Regional CORS

JIANG Yingming1,GUO Jinyun1,GAO Shimin2,DU Jun1,LIU Zhimin1

(1.CollegeofGeomatics,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China；2.ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

Based on the GAMIT/GLOBK software and MySQL database management system, the client/server architecture is used to develop a regional CORS data automatic processing system for regional CORS data management and automatic data process. By processing Shandong CORS data , test results show that the baseline solution of NRMS values is superior to 0.188, baseline repeatability is better than 0.012 m.Compared with the results calculated by Bernese,the difference of coordinate solutions is 0.013 m, which verifies the accuracy and reliability of this data processing system .

Automatic data processing of CORS; GAMIT/GLOBK; database utilization； CORS data management; GPS data processing

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.024

2016-03-31

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：41374009); 山東省自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：ZR2013DM009)

TP274.2

A

1008-9268(2016)05-0117-06

姜英明 (1991-)，男，碩士生，主要從事GNSS數(shù)據(jù)處理等研究。

郭金運(yùn) (1969-)，男，博士、教授、博導(dǎo)，主要從事空間大地測量、海洋大地測量和物理大地測量等研究。

高士民 (1984-)，男，工程師，主要從事衛(wèi)星大地測量工作。

杜珺 (1991-)，女，碩士生，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)的應(yīng)用與開發(fā)。

劉智敏 (1975-)，女，博士，副教授，主要從事GNSS定位理論技術(shù)及其應(yīng)用。

聯(lián)系人： 姜英明 E-mail: jiangyingming@live.com