合肥市衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)融合改造的實(shí)踐探討

張偉，王林

( 合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院, 合肥 230061 )

0 引 言

衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考站 (CORS)是提供城市高精度時空基準(zhǔn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]. 合肥市范圍內(nèi)有三套CORS資源：一是2010年原合肥市國土資源局組織分期建設(shè)的“合肥市國土衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)”(簡稱國土CORS)；二是2007年合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院組織建設(shè)的“合肥市衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)”(簡稱規(guī)劃CORS)；三是2013年安徽省測繪局組織建設(shè)的“安徽省衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)”(簡稱安徽

CORS).

由于上述三套CORS系統(tǒng)的建設(shè)隸屬于不同部門，管理不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)不共享、技術(shù)服務(wù)多樣[2]，造成數(shù)據(jù)和服務(wù)資源共享的技術(shù)障礙. 另外，各系統(tǒng)涉及的軟硬件、站點(diǎn)分布、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格等均有所不同，部分基準(zhǔn)站還存在站址重復(fù)、設(shè)備故障以及不支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(BDS)等問題.

為了滿足合肥市城鎮(zhèn)土地變更調(diào)查和地理空間框架更新的建設(shè)需求，完成合肥市衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)(簡稱合肥市CORS)的融合改造，由合肥市自然資源和規(guī)劃局組織、合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院實(shí)施，開展2020—2022年為期3年的合肥市CORS升級改造與維護(hù)項(xiàng)目. 本文從合肥市CORS融合改造的實(shí)踐出發(fā)，針對實(shí)施的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行研究和探討，可為省市級CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通提供參考.

1 合肥市基準(zhǔn)站簡介

合肥市范圍內(nèi)目前共分布有27座基準(zhǔn)站，現(xiàn)狀和分布情況如表1和圖1所示. 按照建設(shè)所屬統(tǒng)計(jì)：國土CORS共17座，位于各鄉(xiāng)鎮(zhèn)國土所，現(xiàn)由合肥市自然資源和規(guī)劃局委托合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院進(jìn)行維護(hù)，均為樓頂站；規(guī)劃CORS共4座，由合肥市測繪設(shè)計(jì)研究院自行選址、建設(shè)和維護(hù)，均為樓頂站；安徽CORS共6座，站址大多位于各縣市氣象局，由安徽省基礎(chǔ)測繪信息中心負(fù)責(zé)維護(hù)，多為地面站. 2020年初，安徽CORS率先完成了全省基準(zhǔn)站接收機(jī)的硬件升級，升級后基準(zhǔn)站設(shè)備為徠卡GR50接收機(jī)和AR25天線.

圖1 合肥市內(nèi)基準(zhǔn)站站點(diǎn)分布示意圖

表1 合肥市CORS基準(zhǔn)站現(xiàn)狀比較

2 改造原則

合肥市CORS升級改造是以國土CORS為主導(dǎo)，按照統(tǒng)籌設(shè)計(jì)、基準(zhǔn)框架統(tǒng)一、資源共享和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的原則，通過升級、接入、取消、合并等融合手段，將國土CORS、規(guī)劃CORS和安徽CORS的部分站點(diǎn)融為一套城市CORS 系統(tǒng). 按照“一網(wǎng)多用”、“一網(wǎng)共用”的設(shè)計(jì)要求確保國土子網(wǎng)和規(guī)劃子網(wǎng)既可以分開使用又能融合使用. 在業(yè)務(wù)使用方面，分別滿足國土和規(guī)劃部門對業(yè)務(wù)管理和功能應(yīng)用的需求.在站點(diǎn)分布方面，側(cè)重于城市建設(shè)的發(fā)展需要. 在測繪基準(zhǔn)方面，通過坐標(biāo)聯(lián)測等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站與城市地方坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一.

3 技術(shù)難點(diǎn)分析

區(qū)別于較簡單的獨(dú)立建網(wǎng)方式[3]，本項(xiàng)目可用資源較為繁雜，主要有以下難點(diǎn)：

1)由于各站建成年代較早，運(yùn)行狀況均不盡相同，如何準(zhǔn)確評估各站址的可用性；

2)如何實(shí)現(xiàn)三套CORS資源之間的通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，解決國土CORS、規(guī)劃CORS和安徽CORS基準(zhǔn)站部分站點(diǎn)的深度融合；

3)如何設(shè)計(jì)升級改造后的基準(zhǔn)站組網(wǎng)，兼顧考慮未升級改造站、舊硬件設(shè)備的利用和站址重疊等；

4)建立和維持2000國家大地坐標(biāo)系(CGCS2000)和地方參心坐標(biāo)系，使合肥市CORS與國家基準(zhǔn)相一致，同時建立起地方參心坐標(biāo)系與國家坐標(biāo)基準(zhǔn)的聯(lián)系.

4 融合改造實(shí)施過程

4.1 站點(diǎn)可用性的評估

4.1.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)

基于2020年6月和2021年8月各站點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，采用TEQC和Spider QC兩種數(shù)據(jù)質(zhì)量分析軟件[4]對觀測數(shù)據(jù)的有效率、觀測衛(wèi)星數(shù)、多路徑效應(yīng)、周跳數(shù)、信噪比等指標(biāo)進(jìn)行分析．經(jīng)評估，所有站點(diǎn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)均滿足規(guī)范[5]要求.

4.1.2 站點(diǎn)穩(wěn)定性分析

根據(jù)自然資源大地測量數(shù)據(jù)處理中心對2020-06-10—07-10基準(zhǔn)站坐標(biāo)聯(lián)測的解算結(jié)果，與各站點(diǎn)原有CGCS2000坐標(biāo)系成果進(jìn)行比較得到：水平方向點(diǎn)位中誤差為1.4 cm，最大較差2.2 cm，高程方向點(diǎn)位中誤差為2.5 cm，最大較差4.0 cm，考慮到不同起算策略、解算周期等原因造成的系統(tǒng)誤差，說明各站點(diǎn)相對穩(wěn)定.

4.1.3 站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)性能分析

各基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心之間采用物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)專用APN技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)專網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)站點(diǎn)升級計(jì)劃同步進(jìn)行專線網(wǎng)絡(luò)建設(shè). 基于2021年3月其中18條基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)專線網(wǎng)絡(luò)性能測試結(jié)果，平均網(wǎng)絡(luò)延遲約2 ms，最大網(wǎng)絡(luò)延遲6 ms，站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)異.

4.1.4 站點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

因場地租賃、站址重疊等問題，國土CORS取消了原國土長豐站和國土巢湖站，規(guī)劃CORS取消了朱巷站，其他站點(diǎn)租賃場地均正常托管. 同時與安徽省測繪局簽訂了基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)共享協(xié)議，共享了安徽CORS的長豐站、巢湖站和廬江站.

4.2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)備升級

4.2.1 數(shù)據(jù)中心軟件升級

軟件升級均采用徠卡基于主輔站改正(MAX)技術(shù)的Spider軟件，最新的7.7版軟件可支持所有BDS在軌衛(wèi)星(偽隨機(jī)噪聲(PRN)＞63). 規(guī)劃數(shù)據(jù)處理中心運(yùn)行一套徠卡SpiderNET軟件，國土數(shù)據(jù)處理中心同時運(yùn)行徠卡SpiderNET和南方NRS兩套數(shù)據(jù)處理中心軟件.

4.2.2 基準(zhǔn)站設(shè)備升級

為解決表1中國土CORS和規(guī)劃CORS存在的問題，通過2020—2021年的分批采購，完成了7座國土CORS(肥東站、肥西站、崗集站、造甲站、山南站、郭河站和壩鎮(zhèn)站)和4座規(guī)劃CORS(測繪大廈站、官亭站、八斗站和長臨河站)北斗化升級改造，改造后接收機(jī)可支持所有BDS在軌衛(wèi)星. 規(guī)劃CORS由拓普康Odyssey-RS雙星接收機(jī)和CR3天線升級為徠卡GR50接收機(jī)和AR25天線. 為保證國土CORS南方NRS數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)作為國產(chǎn)系統(tǒng)的正常獨(dú)立運(yùn)行，國土CORS采用“一線雙機(jī)”的接入模式[6]. 另外8座暫未升級的基準(zhǔn)站仍使用南方NET S8+接收機(jī)和CR3-G3天線接入NRS軟件中. 經(jīng)測試，升級后基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)完整率提升了3%～4%，實(shí)時衛(wèi)星數(shù)增加了3～4顆，抗多路徑性能增強(qiáng)了3～4倍.

4.3 基準(zhǔn)站組網(wǎng)的共享模式

不同系統(tǒng)中心間需要共享特定部分基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，需要一點(diǎn)對多點(diǎn)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)才能實(shí)現(xiàn)[6].本項(xiàng)目采用分組傳送網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國土CORS與規(guī)劃CORS、規(guī)劃CORS與安徽CORS系統(tǒng)中心之間分別建立了一條數(shù)據(jù)共享專線，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián). 合肥市CORS組網(wǎng)綜合運(yùn)用以下四種共享技術(shù).

4.3.1 “一線雙機(jī)”模式

國土CORS現(xiàn)已升級的7座基準(zhǔn)站均采用功分器將AR25天線的數(shù)據(jù)流一分為二：一路接入原有接收機(jī)；一路接入升級后的GR50接收機(jī)，分別通過兩條獨(dú)立的數(shù)據(jù)專線接入原有NRS系統(tǒng)和升級后的國土Spider系統(tǒng). 采用此模式的基準(zhǔn)站有：國土CORS的肥東站、肥西站、崗集站、造甲站、山南站、郭河站和壩鎮(zhèn)站.

4.3.2 CORS系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

安徽CORS長豐站、巢湖站和廬江站的數(shù)據(jù)首先匯總到安徽CORS數(shù)據(jù)處理中心，規(guī)劃CORS通過與安徽CORS的數(shù)據(jù)共享專線，在Spider軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和接收，實(shí)現(xiàn)上述3座基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的首次共享，再通過規(guī)劃CORS與國土CORS的數(shù)據(jù)共享專線，同樣步驟實(shí)現(xiàn)二次共享. 此外，國土CORS和規(guī)劃CORS之間也進(jìn)行了站點(diǎn)數(shù)據(jù)的共享. 采用此模式，國土CORS為規(guī)劃CORS共享了造甲站、山南站、郭河站和壩鎮(zhèn)站. 規(guī)劃CORS為國土CORS共享了八斗站、官亭站、長臨河站，為安徽CORS共享了官亭站、長臨河站.

4.3.3 串口轉(zhuǎn)換模式

對于數(shù)據(jù)穩(wěn)定性要求較高的基準(zhǔn)站，可采用MOXA模塊進(jìn)行串口轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后線路一分為二，主路擁有接收機(jī)的全部權(quán)限，從路被動接收接收機(jī)設(shè)置分發(fā)的數(shù)據(jù)流. 采用此模式的基準(zhǔn)站有：規(guī)劃CORS八斗站、國土CORS肥東站、肥西站和崗集站.

4.3.4 IP地址橋接方法

實(shí)現(xiàn)CORS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的主要協(xié)議是NTRIP協(xié)議[7]，由于國土CORS和規(guī)劃CORS兩套系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本質(zhì)上屬于兩套獨(dú)立的局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心與彼此基準(zhǔn)站之間無法連通，因此通過在國土服務(wù)器上進(jìn)行IP地址橋接的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，取得站點(diǎn)數(shù)據(jù)的共享權(quán)限. 如圖2～4所示，通過配置接收機(jī)分發(fā)的實(shí)時數(shù)據(jù)流，規(guī)劃CORS采用此共享方法“調(diào)用”了國土CORS造甲站、山南站、郭河站和壩鎮(zhèn)站.

圖3 規(guī)劃Spider子網(wǎng)

圖4 國土NRS子網(wǎng)

4.4 坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一

為了保證基準(zhǔn)站成果與國家最新基準(zhǔn)的一致性，利用HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ和WUHN 6座國家GNSS連續(xù)運(yùn)行站作為起算[8]，獲得基準(zhǔn)站在CGCS2000坐標(biāo)系下的三維地心坐標(biāo)，而合肥市現(xiàn)行使用的還有1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系，是通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法獲得[9].

4.5 擴(kuò)展服務(wù)

系統(tǒng)主要播發(fā)RTCM3.2 MSM4差分?jǐn)?shù)據(jù)格式，授權(quán)用戶可以通過偽加密參數(shù)進(jìn)行實(shí)時坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和似大地水準(zhǔn)面精化模型的調(diào)用，獲取所需的地方平面坐標(biāo)和正常高. 用戶管理系統(tǒng)依托于中國移動新一代物聯(lián)網(wǎng)OneLink平臺，方便對賬戶資費(fèi)、SIM卡、停復(fù)機(jī)、流量池及機(jī)卡綁定等業(yè)務(wù)的管理. 此外，還可以提供事后高精度數(shù)據(jù)處理、用戶日志分析、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等擴(kuò)展服務(wù).

5 外業(yè)測試

圖5為了驗(yàn)證合肥市CORS融合改造后國土子網(wǎng)和規(guī)劃子網(wǎng)的運(yùn)行性能，2021年8月，在系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)選取了22個高等級檢查點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時動態(tài)(RTK)外業(yè)實(shí)測，結(jié)果表明：

圖5 外業(yè)實(shí)測點(diǎn)位示意圖

1)系統(tǒng)內(nèi)符合精度. 國土子網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)符合精度：水平方向?yàn)?.2 cm，高程方向?yàn)?.5 cm；規(guī)劃子網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)符合精度：水平方向?yàn)?.3 cm，高程方向?yàn)?.7 cm.

2)系統(tǒng)外符合精度. 與檢查點(diǎn)已有成果比較，國土子網(wǎng)外符合精度：水平方向?yàn)?.3 cm，高程方向?yàn)?.9 cm；規(guī)劃子網(wǎng)系統(tǒng)外符合精度：水平方向?yàn)?.6 cm，高程方向?yàn)?.3 cm. 與規(guī)劃子網(wǎng)實(shí)測結(jié)果比較，國土子網(wǎng)外符合精度：水平方向?yàn)?.1 cm，高程方向?yàn)?.7 cm.

3)系統(tǒng)可用性. 測試點(diǎn)位覆蓋全市范圍，均能快速得到固定解，平均初始化時間為11 s，最大時間為25 s.

通過國土子網(wǎng)和規(guī)劃子網(wǎng)的比較測試表明，合肥市CORS升級改造后系統(tǒng)性能優(yōu)異，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求.

6 結(jié)束語

合肥市CORS融合改造的建設(shè)與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了全市衛(wèi)星定位CORS的深度融合與數(shù)據(jù)共享，徹底解決了合肥市長期以來不同CORS系統(tǒng)運(yùn)行帶來的諸多問題，達(dá)到了一網(wǎng)多用、一網(wǎng)共用的預(yù)期效果.隨著長三角區(qū)域基于BDS基準(zhǔn)站網(wǎng)的跨區(qū)域組網(wǎng)的推進(jìn)，以BDS為主體的合肥市CORS必將在合肥市乃至安徽省的城鄉(xiāng)建設(shè)和社會發(fā)展中發(fā)揮更為重要的作用.