程寶銀，褚建春，陸建華

(蘇州市測(cè)繪院有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215006)

1 引言

隨著衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)的不斷推廣應(yīng)用，我國(guó)已經(jīng)建成了國(guó)家、省、市級(jí)和行業(yè)級(jí)各種不同規(guī)模的CORS系統(tǒng)［1］。CORS系統(tǒng)原始測(cè)量所得到的是WGS－84等協(xié)議地球坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)信息，而我國(guó)所使用的是平面和高程測(cè)繪基準(zhǔn)相分離的體系［2］:平面采用國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)或城市獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，高程則采用的是正常高系統(tǒng)。這之間必然就涉及基于CORS系統(tǒng)的平面坐標(biāo)與高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)問(wèn)題［3］。CORS系統(tǒng)的這些坐標(biāo)數(shù)據(jù)和相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)涉及國(guó)家秘密［4］，同時(shí)系統(tǒng)需要連接互聯(lián)網(wǎng)才能提供服務(wù)，為了實(shí)現(xiàn)涉密數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔離，有必要對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行保密處理。

2 基本原理

城市CORS系統(tǒng)中需要使用的涉密數(shù)據(jù)和相關(guān)參數(shù)主要包括:參考站的 CGCS2000坐標(biāo)、國(guó)家CGCS2000坐標(biāo)系與城市坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換參數(shù)、似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)等。根據(jù)國(guó)家相關(guān)保密要求，這些數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于CORS系統(tǒng)，需要對(duì)其進(jìn)行保密處理。保密處理的基本思路是:將參考站的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行變換處理，同時(shí)根據(jù)參考站的城市坐標(biāo)和城市似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，求取相應(yīng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)和高程補(bǔ)償數(shù)據(jù)，在城市CORS系統(tǒng)中使用處理后的坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換參數(shù)及高程補(bǔ)償數(shù)據(jù)，原則是要滿足用戶得到的城市坐標(biāo)和高程是正確的。

3 技術(shù)路徑與步驟

城市CORS系統(tǒng)參考站坐標(biāo)、轉(zhuǎn)換參數(shù)及城市似大地水準(zhǔn)面保密處理的技術(shù)路徑如圖1所示，具體實(shí)現(xiàn)的方法與步驟如下。

圖1 CORS系統(tǒng)保密處理技術(shù)路徑

3.1 假CGCS2000坐標(biāo)及相應(yīng)參數(shù)計(jì)算與應(yīng)用

(1)任意假設(shè)一組“保密處理七參數(shù)”(平移參數(shù)△X、△Y、△Z，旋轉(zhuǎn)參數(shù) εX、εY、εZ，尺度參數(shù) m)。

(2)根據(jù)所設(shè)定的“保密處理七參數(shù)”，采用空間轉(zhuǎn)換模型布爾沙(Bursa)模型，將參考站的CGCS2000坐標(biāo)進(jìn)行空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后得到一套假的空間坐標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱“假CGCS2000坐標(biāo)”)，轉(zhuǎn)換模型如下:

式(1)中，尺度變化參數(shù)為m:平移變化參數(shù)為△X、△Y、△Z;旋轉(zhuǎn)參數(shù)為 εX、εY、εZ。

(3)根據(jù)參考站的假CGCS2000坐標(biāo)和城市坐標(biāo)，采用七參數(shù)法，求取假CGCS2000坐標(biāo)與城市坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)換參數(shù)(以下簡(jiǎn)稱“假七參數(shù)”)。

(4)CORS系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，參考站使用假CGCS2000坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換參數(shù)使用假七參數(shù)。RTK用戶獲得的空間坐標(biāo)為假CGCS2000坐標(biāo)，系統(tǒng)將根據(jù)假七參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出城市坐標(biāo)播發(fā)給用戶。

3.2 高程補(bǔ)償數(shù)據(jù)計(jì)算與制作

為使RTK用戶能夠?qū)崟r(shí)獲得正常高，需要制作與假CGCS2000坐標(biāo)相匹配的高程補(bǔ)償數(shù)據(jù)。在假CGCS2000坐標(biāo)系下，CORS系統(tǒng)中正常高h(yuǎn)可按下式計(jì)算:

其中，H假為假CGCS2000坐標(biāo)的大地高，即RTK用戶外業(yè)采集得到的大地高。d為假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的大地高之差。ξ為CGCS2000坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的高程異常。將d和ξ相加，這個(gè)值稱為用戶高程補(bǔ)償D。

CORS系統(tǒng)中，用戶高程補(bǔ)償數(shù)據(jù)計(jì)算與文件制作步驟如下:

(1)在假CGCS2000坐標(biāo)系下，參照城市似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)的分辨率，將城市似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)覆蓋區(qū)域劃分為若干個(gè)格網(wǎng)。

(2)根據(jù)“保密處理七參數(shù)”，將格網(wǎng)點(diǎn)的假CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CGCS2000坐標(biāo)，并計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)上假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的大地高之差d。

(3)根據(jù)格網(wǎng)點(diǎn)的CGCS2000坐標(biāo)，采用城市似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)(軟件)，計(jì)算出每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的高程異常ξ。

(4)將上述第(2)、(3)步中獲得的每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的d和ξ相加，即得到了每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的用戶高程補(bǔ)償D。

(5)將格網(wǎng)點(diǎn)的假CGCS2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)和用戶高程補(bǔ)償D，制作成CORS系統(tǒng)中TTG軟件所需的geo．xml文件和und．xml文件。CORS系統(tǒng)將根據(jù)這兩個(gè)文件，實(shí)時(shí)內(nèi)插出RTK用戶的高程補(bǔ)償并計(jì)算正常高，再將正常高播發(fā)給用戶。

4 實(shí)例與精度影響分析

4.1 工程概述

2006年～2008年，為了滿足現(xiàn)代城市地理空間框架建設(shè)的需要，蘇州市完成了現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的建設(shè)，建立了覆蓋全市域 8 488 km2的高精度GPS控制網(wǎng)、二等水準(zhǔn)網(wǎng)和厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)面。2011年，在蘇州市現(xiàn)代測(cè)繪基準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步整合建設(shè)形成了“蘇州市空間定位信息服務(wù)系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱SZGNSS－CORS系統(tǒng)。SZGNSS－CORS系統(tǒng)為覆蓋蘇州全市域 8 488 km2及周邊區(qū)域的高精度、全天候、實(shí)時(shí)連續(xù)運(yùn)行的GNSS衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)由8個(gè)參考站(如圖2所示)、兩個(gè)控制中心及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成?？紤]到數(shù)據(jù)保密的要求，SZGNSS－CORS系統(tǒng)采用本文方法對(duì)參考站的坐標(biāo)數(shù)據(jù)、相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)和厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)面進(jìn)行了保密處理。

圖2 SZGNSS－CORS系統(tǒng)參考站分布圖

4.2 SZGNSS－CORS參考站坐標(biāo)及相關(guān)參數(shù)的保密處理結(jié)果與分析

(1)參考站假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的保密處理結(jié)果

考慮到參考站假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)的差值不宜過(guò)大，過(guò)大的坐標(biāo)差值會(huì)導(dǎo)致RTK初始化速度變慢(甚至無(wú)法初始化)，因此采用本文方法對(duì)SZGNSS－CORS參考站坐標(biāo)進(jìn)行保密處理時(shí)，各參考站假CGCS2000坐標(biāo)與CGCS2000坐標(biāo)在X、Y、Z方向的差值控制在 1 m～3 m左右。

(2)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的保密處理結(jié)果檢驗(yàn)與分析

根據(jù)參考站的假CGCS2000坐標(biāo)和蘇州坐標(biāo)，采用七參數(shù)法，求取了假CGCS2000坐標(biāo)與蘇州坐標(biāo)之間相互轉(zhuǎn)換的假七參數(shù)。

采用假七參數(shù)，將蘇州全市域140余個(gè)GPS點(diǎn)的假CGCS2000坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為蘇州坐標(biāo)。將轉(zhuǎn)換后的蘇州坐標(biāo)與原蘇州坐標(biāo)進(jìn)行比較，其中最小較差為0.01 mm，最大較差為 0.32 mm，平均較差為0.13 mm。該結(jié)果表明，參考站坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換參數(shù)保密處理方法可行，對(duì)CORS系統(tǒng)精度的影響可忽略不計(jì)。

4.3 蘇州市厘米級(jí)似大地水準(zhǔn)面的保密處理結(jié)果與分析

(1)似大地水準(zhǔn)面的保密處理結(jié)果

在假CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下，將蘇州所處區(qū)域(北緯30°30'～32°30'、東經(jīng)119°30'～121°30')，按 1'的間隔劃分為120×120個(gè)的格網(wǎng)，則格網(wǎng)共有121×121個(gè)角點(diǎn)，并采用本文方法求解出每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的用戶高程補(bǔ)償D。將格網(wǎng)點(diǎn)的假CGCS2000坐標(biāo)數(shù)據(jù)和用戶高程補(bǔ)償D，制作成CORS系統(tǒng)中TTG軟件所需的geo．xml文件和und．xml文件。由CORS系統(tǒng)根據(jù)這兩個(gè)文件，實(shí)時(shí)內(nèi)插出RTK用戶的高程補(bǔ)償并計(jì)算正常高。

(2)似大地水準(zhǔn)面的保密處理結(jié)果檢驗(yàn)與分析

在假CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)下，將蘇州所處區(qū)域的每個(gè)1'×1'的格網(wǎng)中隨機(jī)地抽取一個(gè)點(diǎn)，共 14 400個(gè)點(diǎn)，其中在似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)有效覆蓋區(qū)域的共8 791個(gè)點(diǎn)。

將保密處理后的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)，制作成天寶TGO數(shù)據(jù)處理軟件能讀取的似大地水準(zhǔn)面模型，以雙線性擬合內(nèi)插方式求解這 8 791個(gè)點(diǎn)的正常高，并將其值與由CGCS2000坐標(biāo)計(jì)算得到的正常高進(jìn)行比較，比較結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1。比較結(jié)果表明，對(duì)似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)進(jìn)行的保密處理方法可行，對(duì)似大地水準(zhǔn)面精度的影響可忽略不計(jì)。

似大地水準(zhǔn)面保密處理結(jié)果檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 表1

4.4 系統(tǒng)測(cè)試精度統(tǒng)計(jì)與分析

在SZGNSS－CORS系統(tǒng)覆蓋范圍，選擇了均勻分布的50個(gè)B級(jí)GPS點(diǎn)(與二等水準(zhǔn)點(diǎn)共點(diǎn))作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)的觀測(cè)、處理方法按照三級(jí)GNSS RTK控制點(diǎn)的要求進(jìn)行。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，SZGNSS－CORS系統(tǒng)的平面外符合精度為±1.9 cm，高程外符合精度為±3.6 cm，均滿足規(guī)范要求。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)SZGNSS－CORS系統(tǒng)的精度水平，收集了國(guó)內(nèi)其他城市CORS系統(tǒng)的外符合精度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如表2［5～11］。根據(jù)與統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較，SZGNSS－CORS系統(tǒng)的外符合精度與國(guó)內(nèi)其他城市CORS系統(tǒng)的外符合精度基本處于同一水平，由此可見(jiàn)，SZGNSS－CORS系統(tǒng)數(shù)據(jù)及參數(shù)的保密處理對(duì)系統(tǒng)精度無(wú)顯著影響。

國(guó)內(nèi)其他城市CORS系統(tǒng)外符合精度統(tǒng)計(jì) 表2

4.5 保密處理的現(xiàn)實(shí)意義

分析實(shí)例數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)保密處理后的參考站坐標(biāo)數(shù)據(jù)，X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)分量均與其真實(shí)值之間存在1 m～3 m左右的非線性差值;似大地水準(zhǔn)面的高程異常數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)保密處理后與其真值也存在0.5 m～1 m左右的非線性差值;CGCS2000坐標(biāo)與地方坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換七參數(shù)經(jīng)過(guò)保密處理后也與真七參數(shù)不同。

實(shí)際工作中，CORS系統(tǒng)使用的參考站坐標(biāo)為假CGCS2000坐標(biāo)，使用的七參數(shù)為假七參數(shù)，使用的似大地水準(zhǔn)面模型數(shù)據(jù)為保密處理后的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)。通過(guò)假CGCS2000坐標(biāo)、假七參數(shù)與保密處理后的似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)的換算，實(shí)現(xiàn)了地方坐標(biāo)系平面坐標(biāo)及高程的無(wú)損獲取，但用戶無(wú)法獲取也無(wú)法推算出CORS參考站的真CGCS2000坐標(biāo)、及其與地方坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的真七參數(shù)、真似大地水準(zhǔn)面精化數(shù)據(jù)。從而實(shí)現(xiàn)了涉密數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔絕。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用及分析研究，使用本文方法對(duì)CORS系統(tǒng)的參考站坐標(biāo)及轉(zhuǎn)換參數(shù)、似大地水準(zhǔn)面數(shù)據(jù)進(jìn)行保密處理后，對(duì)CORS系統(tǒng)的運(yùn)行、RTK用戶的使用及成果精度無(wú)顯著影響。該方法在SZGNSSCORS系統(tǒng)中已得到實(shí)際應(yīng)用，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行性能和精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了涉密數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔離。CORS系統(tǒng)保密管理是近年來(lái)測(cè)繪成果數(shù)據(jù)保密工作面臨的一項(xiàng)新任務(wù)，本文所述方法是對(duì)CORS系統(tǒng)保密管理的一次探索和實(shí)踐，可以為CORS系統(tǒng)的保密設(shè)計(jì)和管理提供一些參考。

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