區(qū)域CORS系統(tǒng)及高精度大地水準面的研建

蔡建德 米思瑩 鐘國 梁莉 張新雨，4

（1.河南省測繪發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003；2.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310005；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003；4.河南省基礎地理信息中心，河南 鄭州 450003)

1 引言

連續(xù)運行參考站（CORS）系統(tǒng)及水準面研建過程中，采用聚合多種衛(wèi)星應用，融合多種系統(tǒng)技術，整合類型眾多的數(shù)據(jù)資源，構建天地一體、無縫覆蓋、功能強大的時空信息服務網(wǎng)絡，建立安全、高效、可控的北斗時空服務體系與平臺，對提高信息資源掌控治理能力，推動智能信息服務產業(yè)的發(fā)展至關重要。

區(qū)域CORS 系統(tǒng)建設及高精度大地水準面的建立，契合了北斗與其他導航系統(tǒng)的融合、導航與通信的融會、無線電通信與慣性導航的結合，全面提高市縣空間框架基礎設施的建設水平，促進跨行業(yè)信息資源整合利用效率，推進北斗云服務的社會化、產業(yè)化、區(qū)域化，提升導航與位置服務在智慧城市、經(jīng)濟建設、防災減災、市政管理、資源保護、電子消費等多領域的社會經(jīng)濟效益。

2 北斗連續(xù)運行參考站系統(tǒng)（BD-CORS）的特點

2.1 BD-CORS 及市縣CORS 簡介

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有以下特點：（1）北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成混合星座，與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，低緯度地區(qū)性能特點更為明顯。（2）提供多個頻點的導航信號，能通過多頻信號組合使用等方式提高精度。（3）創(chuàng)新融合了導航與通信能力，具有實時導航、快速定位、精確授時、位置報告和短報文通信服務五大功能。

常規(guī)地理空間數(shù)據(jù)獲取主要利用電臺模式或單基站模式實時動態(tài)定位RTK（Real Time Kinematic）技術，作用范圍小、精度差、可靠性低。近年來，通過CORS技術實現(xiàn)網(wǎng)絡RTK 已成為實時動態(tài)定位的主要發(fā)展方向，通過建立市縣區(qū)域性CORS系統(tǒng)，依靠網(wǎng)絡RTK技術，可在市縣區(qū)域向大量用戶同時提供高精度、高可靠性、實時的定位信息。

市縣CORS 系統(tǒng)是在一定區(qū)域均勻布設若干永久性連續(xù)運行的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位基準站，建立安全可靠、運行穩(wěn)定的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心，通過專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，為社會大眾提供導航、定位、授時等服務，亦可為滿足不同行業(yè)、不同用戶的需求提供定制服務[1]。

2.2 CORS 系統(tǒng)的組成結構

CORS 系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星導航與位置服務中心為依托，建立統(tǒng)一的基準站、系統(tǒng)控制中心、用戶數(shù)據(jù)中心、用戶應用、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，各子系統(tǒng)由數(shù)字通信子系統(tǒng)互聯(lián)，形成一個均勻分布于整個市縣的局域網(wǎng)(城域網(wǎng))。CORS 系統(tǒng)結構如圖1 所示。

圖1 CORS系統(tǒng)結構

2.2.1 定位系統(tǒng)基準站

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)跟蹤基準站是CORS 系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，用于實現(xiàn)對北斗衛(wèi)星導航信號捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，主要包括衛(wèi)星接收機、接收機天線、計算機、數(shù)據(jù)處理軟件、通信網(wǎng)絡、不間斷電源、防電涌等設備。

2.2.2 系統(tǒng)控制中心

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)控制中心是CORS 的核心單元，由中心網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理軟件等子系統(tǒng)組成，負責各基準衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、存儲、管理、解算、用戶管理、實時發(fā)布等。通過控制中心局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)分流、分發(fā)、存儲、分析，按照國際通用標準格式或自定義專用格式，面向不同用戶不同需求發(fā)送數(shù)據(jù)，提供多種信息服務和監(jiān)控服務。其中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)質量進行分析和評價，實施數(shù)據(jù)綜合、數(shù)據(jù)分流和數(shù)據(jù)存儲，利用網(wǎng)絡RTK 技術形成差分數(shù)據(jù)并提交用戶數(shù)據(jù)中心[2]。監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測設備運行狀態(tài)，進行遠程管理、故障分析與故障警視。信息服務系統(tǒng)通過網(wǎng)絡向用戶提供事后精密處理的數(shù)據(jù)服務、坐標系高程系轉換服務、工程測量軟件服務和計算服務。網(wǎng)絡管理系統(tǒng)用于監(jiān)控并管理系統(tǒng)網(wǎng)絡，通過硬軟件隔離技術實現(xiàn)網(wǎng)絡安全防護，保障信息安全；管理網(wǎng)站通過Internet 向用戶提供http、ftp 等訪問服務。用戶管理系統(tǒng)用于用戶登記、注冊、撤銷、查詢、權限等管理，提供訪問授權和用戶使用記錄。

2.2.3 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

CORS 網(wǎng)絡采用分布式資源網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括兩方面：一是選擇合理的網(wǎng)絡通信方式，實現(xiàn)基準站與控制中心的互聯(lián)互通互操作。二是集中管理基準站資源，為用戶提供覆蓋本地區(qū)所有基準站資源的管理方案，實現(xiàn)各基準站、控制中心不同網(wǎng)絡節(jié)點間的系統(tǒng)互訪和資源共享。在控制中心，通過統(tǒng)一維護系統(tǒng)節(jié)點，實現(xiàn)基準站無人現(xiàn)場管理。控制中心主干網(wǎng)絡采用千兆以太網(wǎng)絡，基準站采用SDH 數(shù)據(jù)專線連接控制中心。

2.2.4 用戶數(shù)據(jù)中心

CORS 對外的數(shù)據(jù)服務通過用戶數(shù)據(jù)中心多種數(shù)據(jù)傳輸手段向用戶發(fā)送、發(fā)播定位、導航、授時等多種數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)服務。用戶數(shù)據(jù)中心可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)服務單元和動態(tài)數(shù)據(jù)服務單元兩部分。通過網(wǎng)站http和ftp 等方式向用戶提供數(shù)據(jù)交換及在線計算，實現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)服務功能。數(shù)據(jù)中心到用戶的實時通信可采用GSM、GPRS、CDMA 及5G 通信方式實現(xiàn)。

2.2.5 用戶應用子系統(tǒng)

用戶應用子系統(tǒng)涉及龐大的用戶群落，按照應用領域，衛(wèi)星導航與位置公共服務基準站網(wǎng)可面向政府、企業(yè)、公眾等不同類型用戶，針對地理信息數(shù)據(jù)采集和變形監(jiān)測等領域，提供毫米級、厘米級、亞米級等高精度的導航、定位、時間信息等服務，為交通、無人機快遞、物流等行業(yè)提供亞米級定位服務。CORS 用戶應用子系統(tǒng)應充分考慮北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)衛(wèi)星接收機的兼容性。

2.3 市縣CORS 建設存在的問題

為滿足市縣經(jīng)濟建設信息化的需要，一大批城市( 如杭州、南京、成都、武漢、鄭州等)已建或籌建衛(wèi)星連續(xù)運行網(wǎng)絡系統(tǒng)，對我國市縣建設和經(jīng)濟發(fā)展起到重要作用。但也存在一定的問題：一是不同市縣建設的系統(tǒng)行業(yè)特性明顯，目標單一化帶來系統(tǒng)技術服務性能的單一化，不利于系統(tǒng)的技術集成和潛力發(fā)揮；二是部分市縣建設的系統(tǒng)獨立運行，尚未建立統(tǒng)一協(xié)調機制，數(shù)據(jù)資源共享問題未解決，阻礙了系統(tǒng)功能的最大利用；三是建設運行的技術標準化是一個急需統(tǒng)一認識和解決的問題，未來技術標準應既滿足行業(yè)需求、區(qū)域和國家需求，又能與國際標準接軌和兼容。

3 市縣似大地水準面的建立

似大地水準面是獲取地理空間信息的高程基準面。衛(wèi)星導航系統(tǒng)結合高精度、高分辨率似大地水準面模型，可以取代傳統(tǒng)的三等水準測量方法測定正高或正常高，真正實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在幾何和物理意義上的三維定位功能，使得平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)分離的傳統(tǒng)大地測量模式成為歷史，可為構建智慧城市、數(shù)字縣域提供高效的數(shù)據(jù)采集技術，是獲取市縣地理空間數(shù)據(jù)國家統(tǒng)一高程基準的主要手段。

3.1 技術方案與途徑

市縣級大地水準面的精度和分辨率要求高，因此對數(shù)據(jù)（如導航衛(wèi)星定位位置、水準、重力及數(shù)字地形模型等）的分辨率、分布、密度和精度等提出嚴格要求，建立市縣似大地水準面主要采用以下方式[3]。

結合已完成的1∶1 萬DEM 數(shù)據(jù)庫及本地區(qū)現(xiàn)勢性較強的數(shù)字地形圖，建立用于精化區(qū)域大地水準面的高分辨率高精度DEM ；收集已有高精度控制點數(shù)據(jù)、水準數(shù)據(jù)、重力資料（陸地重力數(shù)據(jù)、北斗衛(wèi)星導航測高數(shù)據(jù)等）；建立C、D 級區(qū)域水準網(wǎng)，與國家A、B 級網(wǎng)點和一、二等水準點聯(lián)測。獲得高精度北斗衛(wèi)星導航測高水準數(shù)據(jù)，在國家重力基本網(wǎng)基礎上建立區(qū)域性重力基本網(wǎng)，實施陸地加密重力測量，獲取高精度的陸地重力數(shù)據(jù)。

3.2 市縣似大地水準面計算

目前，市縣級似大地水準面精化基于移去恢復原理，主要采用FFT 技術（1D/2DFFT），輔以多項式擬合法或其他擬合法。在實際計算中通常采用分步計算方法，即首先應用移去恢復原理和1DFFT 技術計算重力似大地水準面，然后以高精度北斗衛(wèi)星導航測高水準數(shù)據(jù)作為控制，采用多項式擬合法或其他擬合法將重力似大地水準面擬合到由北斗衛(wèi)星導航測高水準確定的幾何大地水準面上，旨在消除這兩類大地水準面之間的系統(tǒng)偏差。

一般來說，消除系統(tǒng)誤差后的重力大地水準面與北斗衛(wèi)星導航測高數(shù)據(jù)水準之間仍存在殘差，這些殘差包含了部分有用信息，再利用Shepard 曲線擬合法、加權平均法及最小二乘配置等，對這些剩余殘差進行格網(wǎng)擬合，并將擬合結果與消除系統(tǒng)誤差之后的重力大地水準面疊加，得到大地水準面的最終數(shù)值結果。計算流程如圖2 所示。

圖2 市縣似大地水準面精化計算流程

3.3 市縣似大地水準面精化的有關問題

對高程測量數(shù)據(jù)而言，實測數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)是不同時期觀測的，觀測精度和依據(jù)的基準不同，給實際計算和處理帶來一定困難；對于不同類數(shù)據(jù)，如大地橢球高與精密水準測量的時間跨度較大，由此求得的大地水準面高或高程異常存在系統(tǒng)偏差，數(shù)據(jù)處理時應予以重視。市縣似大地水準面精化對加密重力測量、北斗衛(wèi)星導航測高數(shù)據(jù)水準布測、地殼密度異常和DEM的要求認識不夠，目前還沒有較完善的規(guī)范可遵循。

4 結束語

利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高新技術手段，在市縣原有坐標資料和水準、重力資料的基礎上，建立集平面、高程、重力場信息于一體的綜合性高精度市縣三維基礎控制網(wǎng)，結合市縣連續(xù)運行北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（CORS），成為數(shù)字市縣地理空間基礎設施的重要部分。隨著其應用的普及，作為地理空間數(shù)據(jù)基礎設施，似大地水準面精化和北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將為城市規(guī)劃、自然資源、交通、綠化等領域提供廣泛的基礎服務，已逐漸成為數(shù)字市縣和信息化建設的重要內容。