一種基于CORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺建設(shè)方法

董明旭，楚 彬，劉紫平，郝建明，匡翠林

(1. 湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙 410007； 2. 中國測繪科學(xué)研究院湖南分院，湖南 長沙 410007； 3. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083)

在高精度位置服務(wù)領(lǐng)域，主要依托全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)技術(shù)來實現(xiàn)[1]，通過建立衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站系統(tǒng)(continuously operating reference stations，CORS)實時不間斷觀測GNSS衛(wèi)星信息，可以快速有效地削弱軌道、鐘差和大氣等主要的誤差影響，從而實現(xiàn)實時厘米級和事后毫米級精度定位[2-3]。作為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，湖南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)(HNCORS)于2008年開始投資建設(shè)，于2011年完成一期建設(shè)并投入試運行。2014年，平臺全面展開二期暨北斗兼容升級建設(shè)，成為全國首家提供兼容北斗差分改正信息的省級CORS平臺[4]。HNCORS在構(gòu)建全省統(tǒng)一的地理空間框架、維系覆蓋全省的三維地心測繪基準(zhǔn)體系、推進地理國情和不動產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的過程中發(fā)揮了不可替代的作用。

然而，湖南地區(qū)地形以丘陵為主，存在部分無線通信信號盲區(qū)，實時高精度位置服務(wù)無法全范圍覆蓋，尤其在實時載波相位差分定位(real time kinematic，RTK)服務(wù)方面，問題尤為突出[5]。此外，湖南是一個地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的省份，基于CORS的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用和變形監(jiān)測，均需更高精度級別(毫米級)的定位需求。一般的單位并不具備服務(wù)條件，其原因如下：①高精度遠距離GNSS解算須采用國際知名的軟件，如GAMIT/GLOBK、Bernese、GIPSY等，此類軟件一般價格昂貴且操作十分復(fù)雜，應(yīng)用門檻較高[6]；②基于CORS高精度GNSS解算需要基準(zhǔn)站的高精度坐標(biāo)和位移速率數(shù)據(jù)，從測繪成果保密的角度，不允許將這些數(shù)據(jù)播發(fā)給普通用戶；③基于CORS的高精度解算須依賴于基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)，這些保密數(shù)據(jù)的獲取需要經(jīng)過行政審批，周期較長，無法滿足應(yīng)急測繪的需求；④目前提供高精度事后差分解算服務(wù)均是采用人工方式進行，需要投入大量的人力物力，且時間嚴重滯后，遠遠不能滿足廣大用戶的高精度解算需求。針對以上問題，本文研究基于CORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺建設(shè)方法，采用Perl編程語言對Bernese二次開發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動解算，并基于Internet的數(shù)據(jù)加密推送，面向用戶推出在線自助解算服務(wù)，用于解決無移動通信信號覆蓋時的高精度定位問題，同時滿足用戶高效率、低門檻的事后高精度(厘米級至毫米級)位置服務(wù)需求。

1 平臺架構(gòu)

平臺采用低耦合架構(gòu)設(shè)計，將數(shù)據(jù)解算與業(yè)務(wù)處理相分離。由于基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)涉密，數(shù)據(jù)解算采用純內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的本地服務(wù)器與CORS數(shù)據(jù)中心進行連接，根據(jù)待解算觀測數(shù)據(jù)匹配最優(yōu)3個基準(zhǔn)站點同步觀測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合解算；業(yè)務(wù)處理采用公網(wǎng)環(huán)境下云服務(wù)器，實現(xiàn)高并發(fā)訪問情況下實時擴容，滿足海量級用戶業(yè)務(wù)請求處理；在數(shù)據(jù)解算服務(wù)器和業(yè)務(wù)處理服務(wù)器之間，通過建立反向代理服務(wù)器，對外(業(yè)務(wù)服務(wù)器)建立任務(wù)隊列獲取待解算觀測數(shù)據(jù)，并供解算服務(wù)器調(diào)用，對內(nèi)(解算服務(wù)器)將解算結(jié)果進行加密處理，并推送至業(yè)務(wù)服務(wù)器。平臺架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺架構(gòu)

平臺數(shù)據(jù)流程如下：

(1) 用戶通過Web系統(tǒng)提交待解算的觀測數(shù)據(jù)。

(2) 業(yè)務(wù)服務(wù)器一方面受理用戶請求，另一方面下載對應(yīng)的IGS產(chǎn)品，然后將數(shù)據(jù)進行打包。

(3) 反向代理服務(wù)器建立任務(wù)隊列，將打包完成的待解算數(shù)據(jù)進行排隊并等待解算。

(4) 解算服務(wù)器主動向代理服務(wù)器獲取待解算任務(wù)，同時向CORS數(shù)據(jù)中心請求對應(yīng)基準(zhǔn)站同步觀測數(shù)據(jù)，并按任務(wù)隊列情況進行排隊解算。

(5) 解算服務(wù)器解算完成的任務(wù)推動至反向代理服務(wù)器。

(6) 反向代理服務(wù)器更新任務(wù)隊列，并將解算結(jié)果推送至業(yè)務(wù)云服務(wù)器。

(7) 業(yè)務(wù)云服務(wù)器響應(yīng)用戶請求，并通過Web系統(tǒng)供用戶下載解算結(jié)果。

由上可知，本地解算服務(wù)器處于純內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，采用主動獲取解算任務(wù)的形式，只需根據(jù)任務(wù)隊列排隊處理待解算的數(shù)據(jù)即可，與具體業(yè)務(wù)請求無關(guān)，解算壓力恒定。業(yè)務(wù)云服務(wù)器負責(zé)處理公網(wǎng)環(huán)境下與用戶相關(guān)的業(yè)務(wù)請求，可根據(jù)請求量進行實時彈性擴容，滿足海量級用戶高并發(fā)業(yè)務(wù)請求處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于Internet的數(shù)據(jù)雙重動態(tài)加密傳輸方法

數(shù)據(jù)安全處理包括解算服務(wù)器的坐標(biāo)數(shù)據(jù)偏移，代理服務(wù)器的結(jié)果文件加密、參數(shù)加密、業(yè)務(wù)服務(wù)器的參數(shù)解密、用戶端結(jié)果文件解密，以及坐標(biāo)數(shù)據(jù)糾偏3部分。其主要步驟如下：

(1) 平臺初始化時采用RSA算法[7]生成一組常量密鑰Keyc和Screatc，分別存放于代理服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器中，用于加密和解密動態(tài)參數(shù)文件。

(2) 當(dāng)數(shù)據(jù)解算完成時，解算服務(wù)器將坐標(biāo)結(jié)果結(jié)合當(dāng)前時刻時間戳進行偏移，并輸出坐標(biāo)結(jié)果(CSV)和解算報告(PDF)兩個文件，同時將時間戳參數(shù)傳輸至代理服務(wù)器。

(3) 代理服務(wù)器采用隨機密鑰KeyR對結(jié)果文件采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(advanced encryption standard，AES)[8-9]進行加密，并生成自定義*.sobds格式加密數(shù)據(jù)文件；然后采用常量密鑰Keyc將隨機密鑰和偏移時間戳進行加密，生成自定義*.code格式加密參數(shù)文件。

(4) 代理服務(wù)器將*.sobds格式加密數(shù)據(jù)文件和*.code格式加密參數(shù)文件推送至業(yè)務(wù)服務(wù)器。

(5) 業(yè)務(wù)服務(wù)器提醒用戶登錄Web前端下載解算結(jié)果，當(dāng)用戶成功下載*.sobds文件后，業(yè)務(wù)服務(wù)器采用常量密鑰Screatc對*.code文件進行解密，并將隨機密鑰KayR和偏移時間戳轉(zhuǎn)換成手機驗證碼，以短信的形式發(fā)送至用戶。

(6) 用戶將下載好的*.sobds文件放到未連接外網(wǎng)的電腦上，并通過解密軟件輸入手機驗證碼將*.sobds文件進行解密并糾偏，輸出真實的解算結(jié)果(CSV和PDF文件)。

綜上，數(shù)據(jù)安全處理及加密傳輸流程如圖2所示。

2.2 基于Bernese的GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)自動解算方法

獲取待解算文件后，解算模塊通過匹配測站附近最近的3個CORS基準(zhǔn)站，同步解算得到3條基線向量和法方程，再綜合3條基線結(jié)果得到最終的用戶站坐標(biāo)。整個解算過程采用Perl編程語言調(diào)用Bernese批處理引擎實現(xiàn)，主要包括以下步驟：

(1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。包括觀測文件、星歷文件及更新數(shù)據(jù)處理所需的表文件，并RINEX格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Bernese二進制格式文件，以加速數(shù)據(jù)讀取速率。

(2) 衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化。采用PRETAB程序?qū)⒕苄菤v從地心地固坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)換為慣性坐標(biāo)框架，并提取衛(wèi)星的鐘差，采用ORBGEN程序由軌道表文件產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)軌道文件，通常每一天產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)軌道文件。

(3) 接收機時鐘改正量計算。采用CODSPP程序計算時鐘改正量，并儲存在相位和偽距觀測文件中。

(4) 形成基線文件。采用SNGDIF程序根據(jù)最大觀測值準(zhǔn)則(OBSMAX)在整個處理網(wǎng)中選取兩測站間共同觀測量為最多者組成基線，形成獨立的基線單差文件。

圖2 數(shù)據(jù)安全處理及加密傳輸流程

(5) 相位觀測值預(yù)處理。采用MAUPRP程序進行相位觀測值預(yù)處理，獲取干凈的相位觀測值。

(6) 參數(shù)估計。采用GPSEST把預(yù)處理的相位觀測量組成二次差觀測值以求解坐標(biāo)參數(shù)。在具體求解時采用QIF方式[10]求解模糊度，并且忽略基線的相關(guān)性，用逐條基線求解，歷元參數(shù)一般先預(yù)消除，然后在法方程層次上回代求解。

(7) 多時段綜合解。采用ADDNEQ2程序?qū)⒉襟E(6)所得各時段的全部基線解作為偽觀測值再進行平差，以求的更精確的參數(shù)解。

綜上，Bernese軟件雙差數(shù)據(jù)處理的流程如圖3所示。

3 應(yīng)用測試

3.1 功能測試

為了掌握平臺的服務(wù)性能，通過對平臺可用性、兼容性和系統(tǒng)容量等內(nèi)容進行了詳細測試，得出結(jié)論，見表1—表3。

表1 可用性測試內(nèi)容及結(jié)果

表2 兼容性測試內(nèi)容及結(jié)果

表3 容量測試內(nèi)容及結(jié)果

圖3 Bernese處理引擎高精度數(shù)據(jù)處理流程

3.2 精度測試

定位精度是本平臺服務(wù)的最重要指標(biāo)，包括內(nèi)部精度指標(biāo)和外部精度指標(biāo)。內(nèi)部精度指標(biāo)用來衡量系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性和可靠性，外部精度指標(biāo)則反映定位結(jié)果與參考值的附和程度。

測試數(shù)據(jù)來源于實際工程項目觀測數(shù)據(jù)，包括天寶、徠卡、華測、南方和中海達等5個品牌接收機共計50個站點數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)做了短時長和長時長兩個方面的測試。

3.2.1 短時長測試(觀測時間小于1 h)

分別將實測數(shù)據(jù)采用GFZRNX軟件切分成觀測時長為5、10、20、30、40、50、60 min時段共計350個觀測文件，并提交至平臺進行解算。其中5 min 時段數(shù)據(jù)未能解算成功，其他時間能正常解算，內(nèi)符合精度、外符合精度結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

分析圖4可知，觀測時長小于30 min時，內(nèi)符合精度在分米級，整體穩(wěn)定性較差；觀測時長30和40 min時，平面內(nèi)符合約為3 cm，豎直方向在5 cm；50和60 min時，內(nèi)符合精度約為2 cm。總體來看，當(dāng)觀測時長在大于30 min的情況下，解算結(jié)果的穩(wěn)定性較高。

圖4 實測數(shù)據(jù)短時長內(nèi)符合精度統(tǒng)計

由本平臺自動解算得到的坐標(biāo)與通過靜態(tài)解算軟件全時長手動解算得到的坐標(biāo)進行比較分析，得到外符合精度統(tǒng)計結(jié)果，因此外符合精度僅反映自動解算與人工解算結(jié)果之間的偏差。如圖5所示，觀測時長小于40 min時，外符合精度約為分米級；≥50 min時，平面外符合精度約為3 cm，豎直方向約為5 cm?？傮w來看，隨著觀測時間的增加，實測數(shù)據(jù)外符合趨于收斂，與手動解算結(jié)果偏差較小。

3.2.2 長時長測試(觀測時間為2～6 h)

由于實測數(shù)據(jù)只測量了6 h，因此將實測數(shù)據(jù)按2、4和6 h進行切分并提交至平臺計算，統(tǒng)計得內(nèi)符合精度、外符合精度結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 實測數(shù)據(jù)短時長外符合精度統(tǒng)計

由圖6和圖7可知，當(dāng)觀測時長大于2 h時，實測數(shù)據(jù)通過平臺自動解算得到的結(jié)果在平面方向、豎直方向內(nèi)符合均在毫米級，說明本系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常高。實測數(shù)據(jù)外符合精度在平面方向達到毫米級，豎直方向為厘米級，與人工解算結(jié)果偏差較小。

3.3 測試結(jié)論

經(jīng)過以上對平臺功能及定位精度測試分析，可得出以下測試結(jié)論：

(1) 平臺各功能模塊性能完備，完整性好、兼容性高，能實現(xiàn)GNSS靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)全自動處理單個文件解算耗時5 min以內(nèi)，數(shù)據(jù)處理效率較高。

圖6 實測數(shù)據(jù)長時長內(nèi)符合精度統(tǒng)計

圖7 實測數(shù)據(jù)長時長外符合精度統(tǒng)計

(2) 基于Internet在線數(shù)據(jù)加密傳輸方法穩(wěn)定性較好，可為敏感數(shù)據(jù)在線傳輸提供新的解決方案。

(3) 平臺支持十萬級用戶高并發(fā)業(yè)務(wù)請求，可同時處理10組觀測時長不小于10 min的數(shù)據(jù)，且能處理天線類型未知的數(shù)據(jù)。

(4) 平臺數(shù)據(jù)解算精度較高，可為用戶提供厘米至毫米級事后高精度定位服務(wù)，具體數(shù)值見表4。

表4 精度測試結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié) 語

針對事后高精度定位服務(wù)需求，本文提出了一種基于CORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺建設(shè)方法，并詳細介紹了平臺架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。依托本文研究成果，湖南省已成功建設(shè)了基于HNCORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺——問北位置(www.sobds.com)，有效解決了省內(nèi)無移動通信信號覆蓋時的高精度定位問題，同時滿足用戶高效率、低門檻的事后高精度(厘米級至毫米級)位置服務(wù)需求。本文研究成果可廣泛應(yīng)用于高精度工程控制網(wǎng)布設(shè)和工程變形監(jiān)測，為高邊坡、深基坑、高大橋梁堤壩、高層建筑等工程變形監(jiān)測提供新的監(jiān)測技術(shù)方案，有效拓展CORS高精度定位技術(shù)的深度應(yīng)用服務(wù)，推進空間定位技術(shù)應(yīng)用的大眾化、產(chǎn)業(yè)化進程。