基于北斗的多基站離岸CORS網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王超+黃杰

摘要：基于網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)組建的CORS網(wǎng)已逐步成為定位服務(wù)的熱點(diǎn)，本文根據(jù)實(shí)際工作，詳細(xì)闡述本單位基于北斗系統(tǒng)的多基站離岸CORS網(wǎng)組建過程，并通過實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證了本系統(tǒng)定位精準(zhǔn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：CORS 定位服務(wù)

1 前言

1.1 CORS概述

隨著GPS技術(shù)的飛速進(jìn)步和應(yīng)用普及，利用多基站網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)建立的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)綜合系統(tǒng)（Continuous Operational Reference System，縮寫為CORS）已成為城市GPS應(yīng)用的發(fā)展熱點(diǎn)之一。它由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)、用戶應(yīng)用系統(tǒng)五個(gè)部分組成，各基準(zhǔn)站與數(shù)據(jù)處理中心之間通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)連接成一體，形成專用網(wǎng)絡(luò)[1]。

CORS能夠全年365天，每天24小時(shí)連續(xù)不斷地運(yùn)行，全面取代常規(guī)大地測(cè)量控制網(wǎng)。用戶只需一臺(tái)GNSS接收機(jī)即可進(jìn)行毫米級(jí)、厘米級(jí)、分米級(jí)、米級(jí)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)的快速定位、事后定位。全天候地支持各種類型的GNSS測(cè)量、定位、變形監(jiān)測(cè)和放樣作業(yè)?？蓾M足覆蓋區(qū)域內(nèi)各種地面、空中和水上交通工具的導(dǎo)航、調(diào)度、自動(dòng)識(shí)別和安全監(jiān)控等功能，服務(wù)于高精度中短期天氣狀況的數(shù)值預(yù)報(bào)、變形監(jiān)測(cè)、地震監(jiān)測(cè)、地球動(dòng)力學(xué)等。CORS應(yīng)用前景廣泛， 是城市信息化的重要組成部分。

1.2 CORS發(fā)展概況

1.2.1 國(guó)外發(fā)展概況

在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，CORS的研究和建設(shè)較早，研究目標(biāo)主要集中在基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、系統(tǒng)自動(dòng)化管理、數(shù)據(jù)采集與分發(fā)、基于網(wǎng)絡(luò)的GPS定位技術(shù)的開發(fā)等方面，技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位。其中美國(guó)主要有三個(gè)大的CORS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，分別是國(guó)家CORS網(wǎng)絡(luò)、合作CORS網(wǎng)絡(luò)和加利佛尼亞CORS網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)站向全球用戶提供國(guó)家CORS網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星跟蹤觀測(cè)站數(shù)據(jù)。

在亞洲，日本已建成近1 200個(gè)GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)的綜合服務(wù)系統(tǒng)——GeoNet（GPS Earth Observation Network）。它在以監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)地震預(yù)報(bào)為主要功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合大地測(cè)量部門、氣象部門、交通管理部門開展GPS實(shí)時(shí)定位、差分定位、GPS氣象學(xué)、車輛監(jiān)控等服務(wù)。

1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

在我國(guó)，國(guó)家測(cè)繪局從1993年開始著手建立國(guó)內(nèi)永久性GPS跟蹤站，用于定軌、精密定位和地球動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)許多省份、城市也已經(jīng)建成類似的連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，比如深圳連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)、武漢市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)、江蘇省連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)等等，還有更多的城市和行業(yè)正在著手籌建，連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)高潮正在到來。

2 離岸北斗CORS網(wǎng)的設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原理

網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，與常規(guī)GPS RTK技術(shù)相比較，無論是在作業(yè)范圍、測(cè)量精度、高效性和可靠性方面，都有巨大改進(jìn)，目前比較常用的有虛擬參考站（VRS）技術(shù)、德國(guó)徠卡的主輔站（MAC）技術(shù)、區(qū)域改正參數(shù)（FKP）技術(shù)和綜合誤差內(nèi)插法技術(shù)等，本單位組建的CORS網(wǎng)采用的是VRS技術(shù)。

虛擬參考站（VRS）技術(shù)，基本原理就是各固定參考站將所有原始數(shù)據(jù)通過通訊鏈路發(fā)送給數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心實(shí)時(shí)接收并解算出參考站間的整周模糊度和與測(cè)站相關(guān)的（或與空間相關(guān)的）誤差改正數(shù)。流動(dòng)站用戶在需要定位時(shí)通過GSM＼CDMA向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送概略坐標(biāo)。數(shù)據(jù)處理中心在接收到用戶概略坐標(biāo)后，利用固定參考站的精確坐標(biāo)和實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)用戶概略坐標(biāo)處進(jìn)行誤差建模，虛擬出該處的誤差改正數(shù)，并按RTCM格式播發(fā)給流動(dòng)站用戶，效果相當(dāng)于在流動(dòng)站附近生成一個(gè)虛擬的參考基站，從而解決RTK作業(yè)距離限制問題，并保證精度均勻。原理如圖1所示。

2.2 參考站布設(shè)及組網(wǎng)

本單位建設(shè)的離岸北斗CORS網(wǎng)主要是應(yīng)用于海事管理和航海保障，應(yīng)用對(duì)象多為海上用戶，所以參考站選址在雞骨礁、大戢山、橫沙、蘆潮港四處，覆蓋上海港附近海域，如圖2所示。系統(tǒng)可為網(wǎng)內(nèi)2 000余平方千米范圍內(nèi)（圖2紅線范圍）提供厘米級(jí)精度的差分定位服務(wù)；為網(wǎng)外各邊延伸15千米范圍之內(nèi)（圖2藍(lán)線范圍）提供分米級(jí)差分定位服務(wù)；為各參考站35千米范圍之內(nèi)（圖2綠線范圍）提供廣播式米級(jí)精度差分定位服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理中心功能設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理中心是整個(gè)CORS網(wǎng)的核心單元，主要由參考站網(wǎng)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)和產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)組成[2]，設(shè)立在本單位中心機(jī)房，與各固定參考站通過專用網(wǎng)絡(luò)連接。在功能模塊設(shè)計(jì)上，主要分為數(shù)據(jù)獲取軟件和數(shù)據(jù)處理軟件，如圖3所示。

實(shí)現(xiàn)以下功能：

1. 數(shù)據(jù)處理：包括數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)分流、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)解算、生成標(biāo)準(zhǔn)格式差分信息、數(shù)據(jù)管理等。

2. 系統(tǒng)監(jiān)控：包括遠(yuǎn)程管理各參考站設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行完好性、通訊鏈路安全管理、故障診斷與恢復(fù)等功能。

3. 信息服務(wù)：通過GSM、Internet等方式向各類用戶提供導(dǎo)航定位等數(shù)據(jù)服務(wù)。

4. 用戶管理：包括用戶登記、注銷、查詢、權(quán)限管理、使用情況報(bào)表生成等。

3 離岸北斗CORS網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

3.1參考站網(wǎng)建設(shè)

參考站由機(jī)房、接收機(jī)、天線、不間斷電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)柜、計(jì)算機(jī)和雷電防護(hù)等設(shè)備組成，如圖4 所示，主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星定位跟蹤、采集、記錄和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。參考站建設(shè)是CORS建設(shè)中工程量最大、要求較高的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，本單位從選址到基建、設(shè)備安裝調(diào)試，全部嚴(yán)格按照有關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

圖4 參考站建設(shè)示意圖

3.2數(shù)據(jù)處理中心建設(shè)endprint

數(shù)據(jù)處理中心由一系列的服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和防火墻、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，包括數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、計(jì)算服務(wù)器、Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、文件服務(wù)器、磁盤陣列。其中數(shù)據(jù)管理服務(wù)器負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)和將數(shù)據(jù)分流存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)或者文件服務(wù)器；計(jì)算服務(wù)器負(fù)責(zé)位置解算等相關(guān)服務(wù)；Web服務(wù)器負(fù)責(zé)提供基于B/S的數(shù)據(jù)瀏覽、下載等相關(guān)服務(wù)；FTP服務(wù)器負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)的上傳和下載服務(wù)；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和訪問服務(wù)；文件服務(wù)器和磁盤陣列負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份服務(wù)。數(shù)據(jù)處理中心設(shè)立在上海海事測(cè)繪中心機(jī)房，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行了防雷防靜電處理，同時(shí)還做了安裝防火墻、端口映射、病毒防護(hù)和入侵檢測(cè)等安全策略，確保系統(tǒng)的安全性。

3.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)建設(shè)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是連接各參考站和數(shù)據(jù)處理中心的紐帶，主要用以傳遞參考站的原始數(shù)據(jù)。由于本單位建設(shè)的參考站有兩個(gè)位于海島上，與常規(guī)CORS網(wǎng)相比通信鏈路建設(shè)難度較大。綜合分析現(xiàn)有的通信方式后，我們選擇采用SDH專線通信技術(shù)與微波通信技術(shù)相結(jié)合的方式來組網(wǎng)，解決海上數(shù)據(jù)傳輸難題，如圖5所示。

雞骨礁和大戢山參考站的數(shù)據(jù)首先通過微波通信技術(shù)傳遞到橫沙島和蘆潮港參考站，然后再通過SDH專線傳遞到數(shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)延遲時(shí)間小于200ms，滿足軟件對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的要求。

3.4數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)建設(shè)

在數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)建設(shè)上，我們采用了通過GSM＼GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)的方式向用戶播發(fā)定位導(dǎo)航數(shù)據(jù)，用戶可以通過不同業(yè)務(wù)需求采取相應(yīng)的聯(lián)網(wǎng)方式，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)示意圖

3.5系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)建設(shè)完成后我們從定位精度、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、系統(tǒng)可用性等角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。

3.5.1 定位精度測(cè)試

我們對(duì)CORS網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的陸地部分，以四個(gè)參考站連線向外擴(kuò)展15km為范圍，共選擇了9個(gè)具有代表性的坐標(biāo)已知的測(cè)試點(diǎn)，對(duì)CORS定位精度進(jìn)行了測(cè)試，如圖7所示。這些測(cè)試點(diǎn)為二、三等GPS控制點(diǎn)，均具有較高的精度，且分布較均勻。

在測(cè)試過程中，我們將CORS接收機(jī)架設(shè)在測(cè)試點(diǎn)的強(qiáng)制對(duì)中器上，進(jìn)行實(shí)時(shí)星歷采集，采樣間隔為1s，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)各采集三次，每次五分鐘300個(gè)歷元，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并與測(cè)試點(diǎn)已知坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，得到實(shí)時(shí)定位的內(nèi)、外符合精度。測(cè)試結(jié)果如圖表1所示：

圖表1 精度測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果可以看出，在CORS網(wǎng)及向外擴(kuò)展15km范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)定位精度可以控制在厘米級(jí)，內(nèi)、外符合精度均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3.5.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

我們從以下幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試：1.數(shù)據(jù)處理中心、參考站在無人值守情況下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行能力；2.系統(tǒng)、設(shè)備重啟后能否自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)；3.網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器負(fù)載能力。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3.5.3 系統(tǒng)可用性測(cè)試

在系統(tǒng)可用性上，我們通過時(shí)間可用性、空間可用性及用戶設(shè)備兼容情況來進(jìn)行測(cè)試。

1. 時(shí)間可用性：我們?cè)贑ORS網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)選擇了一已知GPS控制點(diǎn)，進(jìn)行24h的靜態(tài)測(cè)試，采樣間隔1s。實(shí)際測(cè)試共采樣時(shí)間86 424s，理論應(yīng)采樣數(shù)86 424，實(shí)際采樣數(shù)84 236，采樣未超差觀測(cè)值數(shù)83 263，采樣比例為97.47%，采樣合格比例為98.84%，合格率大于95%，時(shí)間可用性合格。

2. 空間可用性：在陸地上，我們選取了不同距離段的多個(gè)已知GPS控制點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拉距測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在滿足定位精度要求的情況下，系統(tǒng)最遠(yuǎn)可覆蓋到周邊25km處。在海面上，我們則通過船載設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。船舶在海面上高速行駛，不但測(cè)得了在動(dòng)態(tài)條件下CORS定位的穩(wěn)定性及抗粗差能力，還測(cè)出CORS網(wǎng)在海區(qū)的可用范圍。

3. 用戶設(shè)備兼容情況：我們選用司南和華測(cè)兩家公司多種型號(hào)的CORS接收機(jī)，對(duì)CORS網(wǎng)進(jìn)行了測(cè)試，檢查系統(tǒng)的性能情況。測(cè)試結(jié)果表明，參與測(cè)試的各型號(hào)接收機(jī)均能正常使用本單位系統(tǒng)。

4 CORS網(wǎng)使用案例

在本單位離岸北斗CORS網(wǎng)建設(shè)完成后，組織實(shí)施了一次自升式鉆井平臺(tái)高精度站樁定位工程。該工程是受外高橋造船有限公司委托，要求本單位輔助拖航公司導(dǎo)航定位，將他們最新修造的JU2000E型自升式鉆井平臺(tái)從外高橋造船有限公司碼頭拖至臨港碼頭預(yù)設(shè)位置，設(shè)計(jì)定位精度要求優(yōu)于5cm。

由于海上作業(yè)鉆井平臺(tái)始終處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就要求定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新速度必須快。同時(shí)平臺(tái)上部件較多，各樁腳之間通視情況差，使用全站儀等常規(guī)定位手段根本無法滿足用戶需求。我們遂采用CORS技術(shù)，在平臺(tái)特定位置上架設(shè)CORS接收機(jī)，通過定制的軟件實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)動(dòng)態(tài)，用可視化界面引導(dǎo)指揮平臺(tái)拖航作業(yè)，最終成功完成鉆井平臺(tái)高精度站樁作業(yè)，如圖8所示。

圖8 平臺(tái)站樁定位作業(yè)

本次案例的成功實(shí)施，充分體現(xiàn)了本單位CORS網(wǎng)定位精度高，數(shù)據(jù)更新及時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，作業(yè)不受天氣、時(shí)間、地形影響等特點(diǎn)，同時(shí)也反映了CORS網(wǎng)將在高精度的海洋工程作業(yè)中發(fā)揮越來越多的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)系統(tǒng)各方面的綜合測(cè)試，本單位建設(shè)的北斗多基站離岸CORS網(wǎng)在覆蓋范圍、定位精度、系統(tǒng)可用性、完好性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上均符合或優(yōu)于設(shè)計(jì)方案要求，目前已經(jīng)順利通過驗(yàn)收，進(jìn)入正式運(yùn)行階段。作為專業(yè)服務(wù)于海洋領(lǐng)域的高精度定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，也將更好地服務(wù)于藍(lán)色海洋經(jīng)濟(jì)，助推海洋發(fā)展戰(zhàn)略。endprint