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)
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。
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。
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
(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。
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。
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
(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)。
(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
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
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。
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。
[1]陳俊勇,張鵬,武軍酈等.關(guān)于在中國(guó)構(gòu)建全球?qū)Ш叫l(wèi)星國(guó)家級(jí)連續(xù)運(yùn)行站系統(tǒng)的思考[J].測(cè)繪學(xué)報(bào),2007,36(4):366~369.
[2] 陳俊勇.建設(shè)我國(guó)現(xiàn)代大地測(cè)量基準(zhǔn)的思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版,2003(S1):6~11.
[3] 楊光.基于CORS平臺(tái)的三維坐標(biāo)在線轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J].測(cè)繪通報(bào),2008(11):10~13.
[4]張黎,蒲德祥,夏定輝等.CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)地方坐標(biāo)測(cè)量的保密模式研究[J].城市勘測(cè),2010(4):90~92.
[5] 鄒俊平.上海市VRS系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用[R].上海:上海市測(cè)繪院,2009.
[6] 張西軍,唐衛(wèi)明,曾廣鴻等.廣州市CORS系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位精度測(cè)試[J].測(cè)繪信息與工程,2008,33(5):6~7.
[7] 朱照榮,汪勝國(guó).北京市VRS的測(cè)試及精度分析[J].巖土工程技術(shù),2007,21(5):226 ~228.
[8]修洪玉.哈爾濱市連續(xù)運(yùn)行雙星導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)及研究[J].城市勘測(cè),2009(6):42~45.
[9]劉成寶,牛守明,劉曦燦.濟(jì)南市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)測(cè)試及分析[J].城市勘測(cè),2010(2):68~70.
[10]劉忠,張周平,秦寬.西安咸陽(yáng)連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)[J].城市勘測(cè),2009(6):46~48.
[11]劉鵬程,戴建清,傅文彬等.長(zhǎng)株潭GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)[J].城市勘測(cè),2008(6):22~25.