一種基于CORS的位置服務(wù)平臺設(shè)計與實現(xiàn)

摘? 要：目前CORS在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用日益成熟，針對跨區(qū)域測繪作業(yè)不便、軟件服務(wù)系統(tǒng)無法滿足日益增長的位置服務(wù)需求等問題，文章提出一種CORS位置服務(wù)平臺的設(shè)計思路，介紹平臺結(jié)構(gòu)、功能及各項關(guān)鍵技術(shù)，通過平臺系統(tǒng)的實現(xiàn)及相關(guān)應(yīng)用測試，該平臺系統(tǒng)能達(dá)到基準(zhǔn)站的資源整合和管理、提高測繪作業(yè)效率、為用戶提供位置服務(wù)等目的，具有一定實用價值。

關(guān)鍵詞：CORS;位置服務(wù);系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：P208? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）07-0088-03

Abstract： At present， the development and application of CORS in China is becoming more and more mature. in view of the inconvenience of cross-regional surveying and mapping and the inability of software service system to meet the growing demand for location service， this paper puts forward a design idea of CORS location service platform. This paper introduces the structure， function and key technologies of the platform. Through the realization of the platform system and related application tests， the platform system can achieve the purposes of resource integration and management of the reference station， improve the efficiency of surveying and mapping operations， and provide location services for users. It has certain practical value.

Keywords： CORS; location service; system design

引言

衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的測量技術(shù)手段[1]，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)及其相關(guān)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，具有兼容多衛(wèi)星系統(tǒng)、規(guī)模大、覆蓋廣、定位快、精度高等特點的連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)（CORS，Continuously Operating Reference Station），已經(jīng)成為國家信息化建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施主要組成部分，在基礎(chǔ)建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)生活中的作用日益顯著。我國CORS的建設(shè)始于上世紀(jì)90年代，主要從國家層面的需求出發(fā)，建設(shè)了一批國家級基準(zhǔn)站以及中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)、中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等專業(yè)性的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)。

隨著CORS在國內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的省市、地區(qū)、行業(yè)加入建設(shè)隊伍，目前全國30個省已建立覆蓋全省的CORS網(wǎng)絡(luò)，基準(zhǔn)站數(shù)量達(dá)4500個左右。為了進(jìn)一步整合現(xiàn)有基準(zhǔn)站、克服跨區(qū)域測繪作業(yè)的不便，以及未來深度開發(fā)更多貼近日常生活的產(chǎn)品和服務(wù)，研究基于CORS的導(dǎo)航應(yīng)用和位置服務(wù)具有一定必要性和迫切性，因此，筆者立足于區(qū)域CORS系統(tǒng)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種位置服務(wù)平臺，以實現(xiàn)基準(zhǔn)站的資源整合和管理、提高測繪作業(yè)效率、為用戶提供定位和地圖服務(wù)，同時為未來研究和開發(fā)基于全國衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)的高精度后臺服務(wù)，提供一定參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

CORS位置服務(wù)平臺系統(tǒng)是基于Internet技術(shù)、Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)、Ntrip技術(shù)、C#語言等進(jìn)行設(shè)計的，其核心功能是實現(xiàn)平臺與基準(zhǔn)站和移動用戶的連接及數(shù)據(jù)流通，整合基準(zhǔn)站資源及數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)向移動用戶提供實時位置服務(wù)。

系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，可維護(hù)性更高、安全管理更為可靠，邏輯上劃分為表示層、功能層和數(shù)據(jù)層三個層次，如圖1所示。其中表示層是平臺的用戶接口部分，為用戶提供簡單直觀的操作，實現(xiàn)與平臺的對話;功能層是平臺的核心部分，將各項具體的業(yè)務(wù)邏輯編入程序，為用戶搭建數(shù)據(jù)交流的橋梁，同時實現(xiàn)各項位置服務(wù)功能;數(shù)據(jù)層主要負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的讀寫、存取、管理等，構(gòu)建后臺數(shù)據(jù)庫，以支撐平臺各種數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 基本功能

（1）網(wǎng)絡(luò)通訊?？紤]到不同類型用戶需求不同、使用儀器類別和型號不同，平臺基于TCP/IP協(xié)議及Ntrip協(xié)議，設(shè)計建立了多種數(shù)據(jù)傳輸鏈路，主要分為兩大類：平臺與基站間的數(shù)據(jù)通訊、平臺與移動用戶間的數(shù)據(jù)通訊。具體通訊模式涉及基站主動接入平臺上傳源信息或?qū)崟r數(shù)據(jù)流、平臺主動連接已知基站獲取實時數(shù)據(jù)流、移動用戶接入平臺獲取實時數(shù)據(jù)流、獲取源信息表、獲取指定源數(shù)據(jù)流等多種類型。

（2）數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理模塊主要于后臺運(yùn)行，對平臺獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯、分類存儲和管理，其中涉及的數(shù)據(jù)包括：基站信息、用戶信息、數(shù)據(jù)源信息、觀測數(shù)據(jù)、定位信息、星歷文件等。支持不同類型用戶的不同需求的數(shù)據(jù)查詢，可利用觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行定位解算、生成差分信息等。

（3）數(shù)據(jù)播發(fā)。通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，平臺能接收用戶需求命令及數(shù)據(jù)資源，同時也能轉(zhuǎn)發(fā)或編譯差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給移動用戶，提供相應(yīng)的位置服務(wù)滿足用戶需求，其中RTCM數(shù)據(jù)的正確編碼是關(guān)鍵，平臺支持播發(fā)RTCM3.1及RTCM3.2格式數(shù)據(jù)。

（4）用戶管理。包括基準(zhǔn)站用戶和移動用戶的管理，實現(xiàn)用戶基本信息、屬性信息、位置信息等統(tǒng)一管理，并建立平臺安全機(jī)制保證數(shù)據(jù)流通的安全可靠性。通過地圖可視化，在相應(yīng)界面可直觀顯示基站分布及狀態(tài)、移動用戶狀態(tài)、實時位置等，還可自主選擇時段導(dǎo)出歷史位置和軌跡。

2 技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸

平臺涉及的GNSS數(shù)據(jù)傳輸，通常有專線通訊、虛擬專用網(wǎng)（VPN）通訊以及普通TCP/IP協(xié)議通訊三種形式?；ヂ?lián)網(wǎng)通訊（TCP/IP協(xié)議）作為目前較為成熟且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通訊模式，已經(jīng)被應(yīng)用到社會生產(chǎn)和生活的方方面面，并且考慮到可以結(jié)合專業(yè)的Ntrip協(xié)議和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)安全通訊，使用便捷、成本低，用戶可以自由控制通訊兩端的網(wǎng)絡(luò)通訊形式及服務(wù)內(nèi)容，所以平臺采用TCP/IP協(xié)議結(jié)合Ntrip協(xié)議的形式，搭建兼容Ntrip1.0和Ntrip2.0版本協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，建立了平臺數(shù)據(jù)傳輸鏈路，將各基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)共享，為移動用戶提供直觀、便利的位置服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

通過數(shù)據(jù)傳輸，平臺系統(tǒng)接收的GNSS數(shù)據(jù)主要為RTCM3.x、NMEA0183等類型。其中RTCM3.x是一種重要的數(shù)據(jù)格式，它包含多種電文，例如觀測值、三維坐標(biāo)、基站參數(shù)、電離層信息等重要內(nèi)容[2]，對RTCM數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯并提取有用信息，可作為后續(xù)差分信息播發(fā)和位置服務(wù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。而NMEA0183數(shù)據(jù)主要為移動用戶返回的定位信息，系統(tǒng)接收該數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼，結(jié)合地圖可視化技術(shù)，可實時顯示用戶位置及定位狀態(tài)，并可查詢用戶歷史軌跡等[3]。RTCM3.x數(shù)據(jù)采用24位循環(huán)冗余檢校碼Cyclic? Redundancy Check （CRC），檢測誤碼的能力極強(qiáng)，通過研究其數(shù)據(jù)層次和結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了平臺數(shù)據(jù)解譯和編譯模塊，是數(shù)據(jù)處理中的重要組成部分。

數(shù)據(jù)處理功能中另一重要組成部分是定位解算模塊，主要內(nèi)容為提取觀測數(shù)據(jù)、自動下載衛(wèi)星星歷以及進(jìn)行定位解算，可用于新增基站坐標(biāo)確定或臨時設(shè)站。定位解算采用偽距單點定位的方法，結(jié)合基準(zhǔn)站近期觀測歷元數(shù)據(jù)和后臺自動下載的IGU超快速星歷，計算站點概略坐標(biāo)，解算過程中考慮消除衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差及大氣層延遲等誤差。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

平臺中涉及多種信息和數(shù)據(jù)需要進(jìn)行存取，包括基站信息、用戶信息、數(shù)據(jù)源信息、觀測數(shù)據(jù)、定位信息、星歷文件等。其中觀測數(shù)據(jù)和星歷文件以文件的形式存儲，基站及用戶的信息、基站上傳的數(shù)據(jù)源信息、移動用戶的定位信息均采用表格形式存儲于Access數(shù)據(jù)庫中，后臺通過SQL語言實現(xiàn)查詢、存取、新增、刪除等操作。為了平臺運(yùn)行流暢、數(shù)據(jù)管理高效，針對經(jīng)過解譯后的部分?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)計專門字段和表格重新進(jìn)行分類存儲，例如對基站用戶提供的數(shù)據(jù)源信息，參照Ntrip協(xié)議規(guī)則，專門設(shè)計了特有的表結(jié)構(gòu)便于存取。

2.4 數(shù)據(jù)可視化

平臺的根本目的是要為用戶提供位置服務(wù)，為了表現(xiàn)直觀的位置信息，設(shè)計采用B/S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)界面窗口的圖形顯示，使用Apache作為Web服務(wù)器、基于PHP技術(shù)并結(jié)合百度地圖JavaScript API開發(fā)，呈現(xiàn)以百度地圖為底圖的基站、用戶位置信息以及定位狀態(tài)等動態(tài)可視化視圖[2]。其中涉及視圖類型主要有：（1）資源總圖，顯示平臺中所有基準(zhǔn)站和數(shù)據(jù)源的分布位置及狀態(tài)，以顏色變化實時區(qū)分鏈接情況，如圖2所示;（2）基站視圖，實時動態(tài)顯示所選基站及與基站連接成功的移動用戶位置和狀態(tài);（3）用戶視圖，動態(tài)顯示所選移動用戶實時位置及其運(yùn)動軌跡。

3 應(yīng)用測試

3.1 定位精度

平臺系統(tǒng)經(jīng)研究實現(xiàn)和調(diào)試修改后，測試了其各項功能及服務(wù)性能，均能正常運(yùn)行。由于平臺核心功能是為用戶提供位置服務(wù)，因此設(shè)計了定位精度應(yīng)用測試，采用相同的基站和流動站接入平臺，并進(jìn)行不同基線長度的RTK測試，驗證平臺系統(tǒng)的通訊性能和定位精度。定位精度結(jié)果如表1：

3.2 快速設(shè)站

CORS網(wǎng)絡(luò)中可能存在服務(wù)盲區(qū)或者局部服務(wù)中斷的情況，或當(dāng)遇到因某些特殊原因急需在沒有CORS服務(wù)的區(qū)域臨時補(bǔ)設(shè)基站以提供區(qū)域內(nèi)的RTK服務(wù)時[2]，可快速設(shè)站接入本平臺，實現(xiàn)該區(qū)域的位置服務(wù)。為了驗證這一功能，設(shè)計了測試對比CORS網(wǎng)服務(wù)薄弱區(qū)域的RTK服務(wù)質(zhì)量與快速補(bǔ)設(shè)基站提供的RTK服務(wù)質(zhì)量。

首先基于GZCORS選取貴州省黔西南州區(qū)域內(nèi)的CORS站點組成區(qū)域CORS網(wǎng)，在網(wǎng)內(nèi)選定測試區(qū)域及假設(shè)基站的地點，測試區(qū)域的選擇需具有代表性，能反映出GNSS測量外業(yè)作業(yè)的實際觀測條件，在測試區(qū)域選擇符合基站架設(shè)條件的點位，并作標(biāo)記。在選取的單基站架設(shè)點位上，架設(shè)接收機(jī)并與CORS網(wǎng)聯(lián)測，并采用GAMIT/TGO/CGO等后處理軟件解算得到該點的精確坐標(biāo)。將該單基站接入平臺系統(tǒng)（使用解算所得精確坐標(biāo)），利用兩臺相鄰的接收機(jī)分別接入平臺系統(tǒng)、區(qū)域CORS網(wǎng)絡(luò)，同時進(jìn)行RTK測試，統(tǒng)計兩臺接收機(jī)的定位精度，如表2。

上表中兩種服務(wù)均為同時觀測1000個歷元以上所得結(jié)果，可以看出，在區(qū)域CORS網(wǎng)內(nèi)，快速架設(shè)的基站通過平臺可提供與區(qū)域CORS同等精度的RTK服務(wù)，當(dāng)無法接入?yún)^(qū)域CORS網(wǎng)時，利用平臺快速設(shè)站提供服務(wù)是一種有效的解決辦法。測試中，還將架設(shè)點位選在區(qū)域CORS網(wǎng)外進(jìn)行了觀測，結(jié)果表明，在區(qū)域CORS無法覆蓋的地方，可快速設(shè)站并通過本平臺提供厘米級定位服務(wù)。

3.3 實時路徑追蹤

通過平臺的數(shù)據(jù)可視化功能，可為用戶提供精準(zhǔn)的實時定位和路徑追蹤服務(wù)，為驗證其有效性和可靠性，設(shè)計測試移動用戶在不同環(huán)境下、不同移動方式下的實時路徑追蹤效果。測試過程中，將移動用戶接入平臺獲取RTK服務(wù)，沿著明顯道路或規(guī)則形狀目標(biāo)行進(jìn)（步行、車載等形式），觀察平臺視圖顯示的定位情況及視圖更新效果和速度。測試結(jié)果表明平臺用戶視圖能實時動態(tài)顯示移動用戶的定位和路徑變化，但由于不同地區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號和質(zhì)量的影響，會導(dǎo)致信號失鎖、路徑出現(xiàn)斷點。未來若結(jié)合高精度的交通道路數(shù)據(jù)，還可進(jìn)一步有效應(yīng)用于車輛調(diào)度和車道監(jiān)控等方面。

4 結(jié)束語

隨著各省市、各行業(yè)建設(shè)及應(yīng)用CORS的需求日益增長，據(jù)此研究實現(xiàn)基于CORS的位置服務(wù)平臺，整合基準(zhǔn)站資源、提供更為方便、簡潔、大眾化的位置服務(wù)具有實際應(yīng)用價值和必要性。本文提出一種基于CORS的位置服務(wù)平臺設(shè)計思路和方法，有效提高CORS基準(zhǔn)站的利用和測繪作業(yè)效率，為克服跨區(qū)域測繪作業(yè)的不便提供了解決方法，通過平臺系統(tǒng)的實現(xiàn)和測試，驗證了其各項功能的運(yùn)行及其能提供的位置服務(wù)精度。

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