區(qū)域CORS在線定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李延旭，劉智敏，李 斐，周茂盛，徐 陽

(1．山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東省國土測繪院，山東 濟南 250102)

衛(wèi)星定位連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(Continuously Operating Reference System, CORS)是一種以提供衛(wèi)星導航定位服務為主的多功能服務系統(tǒng)，它將衛(wèi)星定位技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)過系統(tǒng)中心的處理向社會提供定位、坐標框架維護等空間位置信息服務，已經(jīng)成為地區(qū)和國家的空間信息基礎(chǔ)設施和測繪地理信息數(shù)據(jù)的重要來源[1]。由于涉及數(shù)據(jù)保密問題，目前CORS系統(tǒng)的服務對象多是政府部門，這不符合CORS系統(tǒng)的建設目的。GNSS在線定位系統(tǒng)為用戶提供了一個方便、精確的定位方式，用戶不需要在本地安裝數(shù)據(jù)處理軟件，只需使用瀏覽器上傳觀測數(shù)據(jù)即可完成定位。目前世界上有許多國家和科研機構(gòu)對在線定位服務進行研究，如澳大利亞的AUSPOS(Australian Online GPS Processing System)系統(tǒng)[2]、美國永久陣列中心的SCOUT(Scripps Coordinate Up Date Tool)系統(tǒng)[3]和美國NGS(National Geodetic Survey)的OPUS(On-line Positioning user service)系統(tǒng)[4]等。結(jié)合GNSS在線定位系統(tǒng)的優(yōu)勢，充分發(fā)揮CORS系統(tǒng)的作用，使CORS成果服務大眾更為高效、便捷。國內(nèi)外一些學者和科研機構(gòu)曾對此進行研究[1，5-12]，李健[1]提出基于CORS的衛(wèi)星定位在線服務系統(tǒng)軟件架構(gòu)，從軟件設計的角度提出CORS在線定位服務系統(tǒng)的研發(fā)思路；武漢大學GPS工程研究中心基于Internet技術(shù)和Bernese軟件，研發(fā)GPS數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)Auto-Bernese[5]；金蕾[6]、Reza G[7]對AUSPOS，SCOUT，CSRS-PPP 3個在線數(shù)據(jù)處理軟件的精度進行測試，得到當數(shù)據(jù)量達到10h時定位精度能夠達到厘米級的結(jié)論；Stone W[8]提出將美國CORS觀測成果應用至OPUS系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)定位精度及其使用范圍；劉智敏[9-10]、杜珺[11]、陳豪[12]對區(qū)域CORS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行設計，探討區(qū)域CORS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的可行性。

已有的研究工作取得了許多重要的研究成果，仍存在一些不足，如在線定位服務系統(tǒng)框架中沒有涉及用戶交互和結(jié)果分析；如從系統(tǒng)實現(xiàn)角度探討CORS數(shù)據(jù)處理的可行性，未對使用CORS站定位與使用IGS站定位結(jié)果的精度進行比較。本文在現(xiàn)有在線服務系統(tǒng)軟件架構(gòu)中加入用戶交互及結(jié)果分析環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)更加友好；并且利用在線系統(tǒng)對使用IGS和區(qū)域CORS站為基準站的解算成果進行對比，分析其原因。

1 系統(tǒng)設計

區(qū)域CORS在線定位服務系統(tǒng)是基于Internet技術(shù)、以瀏覽器/服務器(Browser/Server, B/S)的架構(gòu)進行設計的，其核心功能是利用CORS站長期觀測的基準站數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡向用戶提供事后GNSS在線定位服務。用戶通過瀏覽器將位于區(qū)域CORS內(nèi)的測站觀測數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理中心，系統(tǒng)選取距待定點最近的CORS站作為基準站進行數(shù)據(jù)處理計算待定點坐標，最后將解算結(jié)果通過email發(fā)送給用戶。另外,從用戶服務的角度出發(fā)，對系統(tǒng)進行完善，添加坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)下載等輔助功能。

1.1 基本功能設計

1)用戶登錄模塊。用戶登錄模塊包括用戶注冊、登錄、編輯、注銷、查詢等功能，這是在線定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有注冊用戶才能夠獲取權(quán)限進行任務申請。

2)用戶數(shù)據(jù)上傳模塊。注冊用戶可以登錄系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)上傳，用戶上傳原始觀測數(shù)據(jù)時需要填寫接收機類型等必要的解算參數(shù)以及接收解算結(jié)果時的email地址，系統(tǒng)根據(jù)用戶概略坐標選擇距待定點最近的CORS站作為網(wǎng)平差基準站，確認信息無誤后提交數(shù)據(jù)處理任務。

3)在線數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)以相對定位的方式對用戶上傳的數(shù)據(jù)進行處理，包括數(shù)據(jù)預處理、基線解算和網(wǎng)平差功能，此模塊是基于TEQC和GAMIT/GLOBK軟件運行的。

1.2 輔助功能設計

1)坐標轉(zhuǎn)換模塊。由于系統(tǒng)解算結(jié)果的參考坐標系統(tǒng)是WGS84坐標系統(tǒng)，多數(shù)CORS提供的是CGCS2000坐標系統(tǒng)成果，而用戶更加關(guān)注在本地坐標系統(tǒng)中的位置，因此系統(tǒng)提供坐標轉(zhuǎn)換功能[12]。用戶提供待轉(zhuǎn)換點的坐標信息和坐標系統(tǒng)信息，選擇需要轉(zhuǎn)換的坐標系統(tǒng)完成坐標轉(zhuǎn)換。

2)文件格式轉(zhuǎn)換模塊。該模塊功能主要包括數(shù)據(jù)合并、O文件轉(zhuǎn)換等，方便用戶將觀測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為合乎要求的格式進行上傳。

3)數(shù)據(jù)下載模塊。該模塊是考慮用戶進行線下數(shù)據(jù)解算而添加的，用戶可以根據(jù)需要下載廣播星歷數(shù)據(jù)(N文件)、精密星歷數(shù)據(jù)(SP3文件)、氣象數(shù)據(jù)(M文件)等數(shù)據(jù)[10]。

4)高程轉(zhuǎn)換模塊。該模塊和坐標轉(zhuǎn)換模塊的設計初衷相同，是方便用戶將解算結(jié)果轉(zhuǎn)換為地方高程系統(tǒng)添加的。系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的高程和高程系統(tǒng)信息，選擇需要轉(zhuǎn)換的高程系統(tǒng)完成高程轉(zhuǎn)換[13]。

1.3 技術(shù)設計

在線數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)提供的服務主要面向事后處理用戶，實時性要求不高，選擇Windows Server 2008操作系統(tǒng)作為在線定位服務系統(tǒng)的運行平臺，負責數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)解算服務器布置在Linux系統(tǒng)下，二者通過數(shù)據(jù)服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。為了提高系統(tǒng)的運作效率，將數(shù)據(jù)服務器和業(yè)務服務器相分離。由于數(shù)據(jù)服務器和業(yè)務服務器分離，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)在能夠保證兩者數(shù)據(jù)同步的情況下可靈活選擇，使用MySql數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為服務數(shù)據(jù)庫。

在系統(tǒng)架構(gòu)框架方面，采用B/S體系結(jié)構(gòu)，邏輯上分為3個層次：表現(xiàn)層(Presentation)、邏輯層(Business Logic)和數(shù)據(jù)層(Data Service)。用戶使用瀏覽器通過表現(xiàn)層向邏輯層提交請求，邏輯層根據(jù)請求查詢數(shù)據(jù)層，經(jīng)過處理后將結(jié)果通過表現(xiàn)層提交給用戶[14]。服務器端集成了邏輯層和數(shù)據(jù)層，用戶端只需要網(wǎng)絡瀏覽器即可，這大大降低數(shù)據(jù)分發(fā)軟件的維護成本和難度，提高服務的靈活性。系統(tǒng)技術(shù)設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)設計圖

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)設計，結(jié)合山東省連續(xù)運行參考站系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)，筆者基于.NET平臺、使用ASP.NET和JAVA語言混合編程，研發(fā)出RCOPS系統(tǒng)，系統(tǒng)主界面如圖2所示。用戶任務申請可以分為數(shù)據(jù)上傳、解算參數(shù)配置和數(shù)據(jù)處理3部分，具體內(nèi)容如下。

圖2 系統(tǒng)主界面

2.1 數(shù)據(jù)上傳

用戶要新建一個在線解算服務申請，首先需要上傳觀測數(shù)據(jù)文件(限定為RINEX格式文件)，之后系統(tǒng)讀取待上傳數(shù)據(jù)并讓用戶進行信息確認，包括接收機類型、天線類型、點位先驗坐標等信息，信息確認后完成數(shù)據(jù)上傳。

為節(jié)約服務器資源以及參照現(xiàn)有在線定位服務系統(tǒng)經(jīng)驗，限定每個數(shù)據(jù)服務申請所接受的觀測數(shù)據(jù)文件不超過20個。對于一個觀測點不同時段的觀測文件，用戶在上傳時應首先進行數(shù)據(jù)合并，系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理時不能進行數(shù)據(jù)合并。

2.2 解算參數(shù)配置

用戶完成數(shù)據(jù)上傳后進入解算參數(shù)配置界面，需要填寫的信息包括：參與聯(lián)測的參考站、使用的星歷類型、衛(wèi)星截止高度角、接收解算成果的email地址。系統(tǒng)為每個參數(shù)都分配默認值，用戶可以根據(jù)需要對默認值進行更改。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)是在線定位服務的核心，由數(shù)據(jù)解算服務器完成，處理過程的效率和結(jié)果精度直接影響系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預處理、基線解算、網(wǎng)平差和結(jié)果返回4個步驟。數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

1)數(shù)據(jù)預處理。調(diào)用TEQC軟件進行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢核，檢查的指標包括多路徑延遲、信噪比和電離層延遲，如果各項指標沒有超限，則開始數(shù)據(jù)格式標準化，保證數(shù)據(jù)格式滿足基線解算數(shù)據(jù)格式要求。

2)基線解算。解算服務器根據(jù)GAMIT程序的要求創(chuàng)建數(shù)據(jù)處理所需的各級文件夾，系統(tǒng)根據(jù)待處理數(shù)據(jù)的日期從數(shù)據(jù)庫中提取需要的數(shù)據(jù)放入對應的文件夾中，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)以“文件類型/年/月/年積日/文件名”的目錄結(jié)構(gòu)存放，系統(tǒng)根據(jù)文件類型和日期進行數(shù)據(jù)存取。根據(jù)用戶的解算參數(shù)配置信息，生成解算配置文件和GAMIT命令，調(diào)用GAMIT軟件對數(shù)據(jù)進行處理。

3)網(wǎng)平差。解算服務器調(diào)用GLOBK程序?qū)⒒€解算步驟的輸出文件作為輸入文件，采用卡爾曼濾波算法估計測站坐標、站速度、衛(wèi)星軌道等參數(shù)，然后提取網(wǎng)平差結(jié)果文件中的坐標信息，形成最終需要反饋給用戶的處理結(jié)果。

4)結(jié)果返回。解算服務器根據(jù)用戶填寫的電子郵件地址將數(shù)據(jù)處理結(jié)果采取加密措施后通過電子郵件發(fā)送給用戶。用戶也可以重新登錄系統(tǒng)，在用戶服務記錄中查看解算結(jié)果和結(jié)果分析(多路徑效應延遲、信噪比、可降水汽等信息)。

3 數(shù)據(jù)測試與分析

為了保證系統(tǒng)處理的精度滿足設計精度要求，筆者對RCOPS系統(tǒng)進行精度測試，測試數(shù)據(jù)為山東省內(nèi)連續(xù)運行參考站觀測數(shù)據(jù)。

圖4 SC01點與聯(lián)測基準站位置

選取山東省區(qū)域內(nèi)連續(xù)運行參考站SC01，將SC01站2012年001-030 d 24 h采樣間隔為30 s的觀測數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)并提交解算任務(SC01站距基準站平均距離為51 km，如圖4所示)，取得站點坐標結(jié)果，作為第一種解算方式。采用的基線解算和網(wǎng)平差策略如下：基線處理模式BASELINE，批處理迭代方案1-ITER，觀測值組合類型LC_AUTCLN，精密星歷類型為最終星歷，投影函數(shù)類型GMF，網(wǎng)平差固定站為基準站(下文解算策略均與此相同)。同時以SC01站附近3個IGS站(BJFS、WUHN、SHAO，SC01點距IGS站平均距離為556 km)作為基準站進行數(shù)據(jù)處理，取得SC01站坐標結(jié)果，作為第二種解算方式。選取SDCORS站與IGS站聯(lián)合解算結(jié)果的周解(2012001-2012007，固定站為BJFS、WUHN和SHAO)作為坐標真值，與上述兩種解算方式獲得的結(jié)果進行對比。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別為X，Y，Z方向兩種解算方式坐標結(jié)果與坐標真值之差絕對值的時間序列圖，表1為兩種解算方式結(jié)果的殘差統(tǒng)計分析。

圖5 SC01點兩種解算方式坐標結(jié)果與真值差值絕對值對比

表1 兩種解算方式結(jié)果殘差統(tǒng)計分析 mm

從圖5可以看出，當參與解算的基準站為CORS站時，SC01點的坐標結(jié)果與真值差值絕對值很小，在XYZ方向上均保持在2 mm以內(nèi)；當參與解算的基準站為IGS站時，SC01點的坐標結(jié)果與真值差值較大。從表1的殘差統(tǒng)計分析可以看出，當參與解算的基準站為CORS站時，站點點位誤差在XYZ方向上均小于2 mm，殘差平均值趨于0，波動幅度較?。划攨⑴c解算的基準站為IGS站時，坐標殘差在XYZ方向上均大于使用CORS站作為基準站的結(jié)果殘差，殘差平均值均不在0附近，并且波動幅度較大。結(jié)合圖5與表1的信息，得到：

1)使用CORS站作為基準站參與解算的點位精度明顯高于使用IGS站作為基準站的點位精度，且差值波動幅度小，這與未知點與基準站的距離越遠誤差越大的原理吻合；

2)由于GAMIT基線解算采用雙差處理模式且解算策略中觀測值組合類型是LC無電離層組合，因此數(shù)據(jù)處理時大部分系統(tǒng)誤差如接收機鐘差、衛(wèi)星鐘差、電離層誤差均已被消除，只有對流層誤差沒有被消除。當參與解算的基準站為CORS站時，由于未知點與基準站的距離較近，測站間對流層誤差具有較強相關(guān)性，通過站間求差及模型改正對流層誤差得到消除，坐標誤差以隨機誤差形式出現(xiàn)；當參與解算的基準站為IGS站時，由于未知點與基準站的距離過大，測站間對流層誤差相關(guān)性差，站間求差和模型改正不能有效消除對流層誤差，坐標誤差以系統(tǒng)誤差的形式出現(xiàn)，具有一定的規(guī)律性；

3)基于區(qū)域CORS的在線定位服務系統(tǒng)解算結(jié)果內(nèi)符合精度達到毫米級，能夠滿足用戶各種精度的定位要求。

4 結(jié)束語

針對目前國內(nèi)大多數(shù)區(qū)域CORS系統(tǒng)觀測成果利用率低的問題，作者研發(fā)基于GAMIT/GLOBK軟件的RCOPS系統(tǒng)，為用戶提供在線定位服務，提高CORS成果的利用率。通過數(shù)據(jù)測試可知，使用CORS站作為基準站進行基線解算的定位精度高于使用IGS站作為基準站進行基線解算的定位精度，點位內(nèi)符合精度在1 cm以內(nèi)，驗證了區(qū)域CORS在線定位系統(tǒng)自動化、高精度的優(yōu)勢。

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