袁 鵬

(武漢大學 衛(wèi)星導航定位技術研究中心，湖北 武漢 430079)

一、 引 言

CORS是一種重要的地理空間信息基礎設施。2006年以來，隨著經(jīng)濟建設對地理空間信息的需求不斷擴大，且國內已積累城市級CORS的建設經(jīng)驗，多個省份先后開展了省級CORS建設。截至2012年6月，對已完成覆蓋全省范圍CORS建設的省份進行統(tǒng)計，結果見表1(注：/后表示二期完成后基站數(shù)量)。另有廣西、福建、四川、安徽等省區(qū)的CORS正處于建設或擴建之中，黑龍江等省正在積極籌建。

表1 已建省級CORS情況統(tǒng)計

由此可見，我國正迎來省級CORS建設發(fā)展的高潮。然而由于尚未建立國家層面的統(tǒng)一建設標準、管理協(xié)調機制和統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃，已建CORS系統(tǒng)間不同程度地存在著超長邊、服務縫隙與服務重疊等問題[1-2]，影響了系統(tǒng)的定位精度與可用性，難以支持高速鐵路、高速公路、輸油管、輸電線等大規(guī)模、長距離的重大工程建設所需的跨網(wǎng)服務。

省級CORS組網(wǎng)是指通過某種方式將現(xiàn)有CORS系統(tǒng)聯(lián)合起來，組成一個覆蓋區(qū)域更大的網(wǎng)絡，從而有效解決上述問題，向用戶提供精度更高、可用性更廣、可靠性更強的服務。CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通共享服務主要包括消除系統(tǒng)差異、網(wǎng)絡互聯(lián)互通技術與服務共享模式等問題，已有文獻對此展開研究。劉暉(2005)實現(xiàn)了深圳CORS與東莞CORS的互操作[3]；李昌貴等(2008)提出了CORS網(wǎng)絡互連的具體目標及虛擬CORS的概念[4]；辜聲峰等(2010)探討了CORS互連共享的分區(qū)服務問題[5]；陽力等(2010)對廣東CORS兼并城市級CORS、氣象專業(yè)CORS進行了研究[6]。但以上文獻未對我國正在大力發(fā)展的省級CORS的組網(wǎng)問題開展研究。

省級CORS無論是在分布還是在服務模式上都具有鮮明特點，且具有組網(wǎng)互聯(lián)互通共享服務的可能性與必要性。因此,本文對省級CORS組網(wǎng)過程中的若干關鍵問題展開研究與探討。

二、省級CORS系統(tǒng)差異

1. 標準及參考站差異

省級CORS大多由測繪部門牽頭建設，也有由地震等部門建設的，如陜西省等。不同部門建立的CORS均采用其行業(yè)標準，如國家測繪地理信息局制定的《全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運行參考站網(wǎng)建設規(guī)范》、中國地震局制定的《地殼運動觀測網(wǎng)絡技術規(guī)程》，以及中國氣象局制定的《全球衛(wèi)星導航氣象探測基準站建設指南》。

由于用途不同，以上標準在參考站的站址選擇、建設規(guī)范、觀測精度和運行維護等方面的要求也不盡相同[7]。如依據(jù)參考站建站地質環(huán)境，觀測墩可分為基巖墩、土層墩和屋頂墩三類，它們的建設成本、穩(wěn)定度及安全維護都有差異。不同標準對成本最高、穩(wěn)定度最好的基巖墩個數(shù)及比例的要求不同。這給系統(tǒng)融合提供一致精度的服務帶來困難。

因此建議對各標準求同存異，形成統(tǒng)一的參考站建設國家標準。目前，國家基礎地理信息中心編制完成了《國家全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)連續(xù)運行基準站建設技術規(guī)程》。該規(guī)程詳細規(guī)定了基準站網(wǎng)點的設計、選埋、觀測和資料整理等建設內容和技術要求，能夠為今后的區(qū)域CORS組網(wǎng)提供統(tǒng)一的標準。

2. 網(wǎng)絡RTK技術差異

網(wǎng)絡RTK技術算法的差異導致系統(tǒng)中心向用戶播發(fā)的改正參數(shù)、數(shù)據(jù)通信方式、對用戶的軟硬件要求都不相同。如VRS技術需要用戶雙向通信，F(xiàn)KP技術需要用戶裝備專用客戶端軟、硬件設備才能進行參數(shù)解碼和誤差改正，并且還需用戶承擔部分誤差建模的計算量。只有解決了網(wǎng)絡RTK技術算法的差異，才能使組網(wǎng)后的系統(tǒng)能夠向用戶提供同等精度的跨網(wǎng)連續(xù)服務。

目前我國CORS系統(tǒng)大多采用國外軟件，不僅價格昂貴、存在安全保密隱患[8]，而且可擴展性差、RTK作業(yè)方式與設備不同，導致難以實現(xiàn)無縫組網(wǎng)開展跨網(wǎng)服務。因此，需要開發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn)權的CORS管理及數(shù)據(jù)處理軟件，并統(tǒng)一推廣應用才能解決該問題。

3. 數(shù)據(jù)格式差異

在CORS組網(wǎng)過程中，由于接收機、天線等設備差異、網(wǎng)絡RTK模式差異等原因，參考站觀測數(shù)據(jù)格式、流動站位置信息格式及差分數(shù)據(jù)格式也會存在差異。系統(tǒng)間需要統(tǒng)一或兼容各種數(shù)據(jù)格式才能為用戶實現(xiàn)跨網(wǎng)服務。

建議使用如圖1所示的數(shù)據(jù)格式。系統(tǒng)中心間通過各接收機的專有格式RAW而非通用格式RINEX進行傳輸,因為該格式占用空間較小, 各中心只需配置能轉換不同類型RAW格式的軟件即可。

圖1 CORS組網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一

在VRS等網(wǎng)絡RTK模式中，流動站用戶需要向系統(tǒng)中心發(fā)送位置等信息。國際海洋電子協(xié)會NMEA制定的NMEA-0183協(xié)議規(guī)定了上述信息的格式，且為國際通用格式。

系統(tǒng)中心向流動站用戶播發(fā)差分數(shù)據(jù)的常用格式為國際海運事業(yè)無線電技術委員會RTCM的SC-104專門委員會制訂的RTCM格式及Trimble公司制定的CMR格式等。各系統(tǒng)中心兼容這些格式即可。

三、省級CORS組網(wǎng)互聯(lián)互通技術

1. CORS組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡

快速、可靠的通信是CORS組網(wǎng)提供網(wǎng)絡RTK服務的基礎。組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡建設方案應根據(jù)實際情況來選擇，主要考慮傳輸速率、可靠性、安全性及成本等因素。同步數(shù)字體系SDH、數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)DDN和異步傳輸模式ATM等專線網(wǎng)絡安全可靠、傳輸速率快，但只能點對點傳輸且成本很高。非對稱數(shù)字用戶環(huán)路ADSL的傳輸速度、可靠性等都能基本達到CORS通信數(shù)據(jù)的傳輸要求，且費用低廉，是目前CORS建設的最普遍選擇[9]。現(xiàn)有無線網(wǎng)絡中使用最廣泛的是CDMA、GPRS及3G技術，可根據(jù)當?shù)匦盘柛采w情況進行選擇。

2. CORS組網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉發(fā)方式

CORS組網(wǎng)后，不同系統(tǒng)中心間需要共享特定部分參考站的數(shù)據(jù)，這需要一點對多點通信進行數(shù)據(jù)轉發(fā)才能實現(xiàn)，大致有以下3種方法[9]。

1) 多個點對點專線傳輸線路。對于需要共享的參考站，每個系統(tǒng)中心都分別與其建立專線，各線路互不干擾、可靠性很高，但成本過高，且由于基準站設備相對簡單，難以實現(xiàn)向不同CORS系統(tǒng)轉發(fā)的復雜網(wǎng)絡，一般不建議采用。

2) TCP/IP多路徑傳輸。參考站使用固定IP地址的通信線路，通過互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)向各個系統(tǒng)中心傳輸參考站數(shù)據(jù)。該方式成本低，但安全性較差，需增設網(wǎng)絡防火墻，并設置IP訪問資格，確保數(shù)據(jù)安全。

3) 虛擬專用網(wǎng)VPN多通道。參考站端VPN路由器建立多個通道向各個數(shù)據(jù)中心發(fā)送加密數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中心端VPN路由器接收到加密數(shù)據(jù)后進行通道解密，將數(shù)據(jù)送入局域網(wǎng)。這種方式性價比最高。

以上3種方式需根據(jù)實際情況進行選擇，此外還可以充分利用已有的各種專線，如氣象專網(wǎng)、地震行業(yè)網(wǎng)、陸態(tài)網(wǎng)絡等。

3. CORS組網(wǎng)的通信協(xié)議

目前，實現(xiàn)CORS網(wǎng)絡互聯(lián)互通的主要協(xié)議是NTRIP協(xié)議。該協(xié)議被RTCM納為分發(fā)RTCM-104格式差分數(shù)據(jù)或GNSS數(shù)據(jù)的標準，現(xiàn)稱為RTCM10410.0。

NTRIP主要由客戶端NTRIPClient、源服務器NTRIPServer和集中交換服務器NTRIPCaster 3個部分組成。NTRIPClient即RTK流動站用戶，NTRIP客戶可以使用NTRIP數(shù)據(jù)中心的IP地址通過互聯(lián)網(wǎng)連接到NTRIP數(shù)據(jù)中心。NTRIPServer用于從CORS參考站向NTRIPCaster傳輸數(shù)據(jù)，起到數(shù)據(jù)中轉作用。NTRIPServer與NTRIPClient一樣，使用NTRIP數(shù)據(jù)中心合適的IP地址通過互聯(lián)網(wǎng)連接到NTRIP數(shù)據(jù)中心。NTRIPCaster是一個互聯(lián)網(wǎng)服務器，作為管理接口，將進出NTRIP服務器和客戶的不同數(shù)據(jù)流進行處理，并進行數(shù)據(jù)分發(fā)。

如圖2所示，假設組網(wǎng)后用戶需要由CORS-A的參考站A1和A2及CORS-B的參考站B1進行定位，則B1參考站的數(shù)據(jù)可經(jīng)由NTRIPServerB1傳至NTRIPCaster，并由CORS-A系統(tǒng)解算后，將RTK數(shù)據(jù)經(jīng)由NTRIPCaster傳給用戶NTRIPClientA。

圖2 CORS組網(wǎng)的NTRIP協(xié)議

四、CORS組網(wǎng)的服務模式

1. CORS組網(wǎng)的共享模式

CORS系統(tǒng)的覆蓋網(wǎng)絡建立在通信網(wǎng)絡的基礎上，主要由數(shù)據(jù)、協(xié)議、軟件等組成，反映了系統(tǒng)內外部的共享關系[10]。由于建設時期、目的、手段等都不相同，各CORS系統(tǒng)內部和各系統(tǒng)之間覆蓋網(wǎng)絡的拓撲結構也不同，需要制訂相應的規(guī)則來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

現(xiàn)有省級CORS建設過程中，已經(jīng)建立了分中心模式、多中心模式等組網(wǎng)數(shù)據(jù)共享模式[5]。分中心模式中，分中心從屬于系統(tǒng)中心，系統(tǒng)中心共享分中心所屬CORS系統(tǒng)的所有參考站資源，各分中心共享其周邊的參考站。這種模式規(guī)定了不同級別中心的數(shù)據(jù)分享權限，具有較好的數(shù)據(jù)保密性，適用于省市CORS間跨級別數(shù)據(jù)共享。多中心模式中，各中心之間關系對等，任一中心可以共享其他中心的所有基準站資源，擁有同樣的覆蓋區(qū)域，但服務模式及內容可以不同，適用于測繪、氣象及地震等跨部門數(shù)據(jù)共享。

為了建立省級CORS間的互聯(lián)共享，本文提出有限共享模式。該模式中，各系統(tǒng)中心之間關系對等，但任一中心只能共享其他中心特定的部分基準站資源。這種模式規(guī)定了不同系統(tǒng)中心的數(shù)據(jù)分享權限，相互而言都是有限共享，既有較好的數(shù)據(jù)保密性又能實現(xiàn)不同系統(tǒng)中心間的數(shù)據(jù)平等共享，適用于相鄰省級CORS之間的跨省數(shù)據(jù)共享。

以上3種模式并存則稱為混合模式，如圖3所示。這種方式適用于區(qū)域CORS組網(wǎng)及其服務拓展。如可以將城市分中心子網(wǎng)按分中心模式將數(shù)據(jù)共享到省測繪局系統(tǒng)中心，地方氣象局子網(wǎng)也按分中心模式將數(shù)據(jù)共享到省氣象局中心，而省測繪局系統(tǒng)中心又與省氣象局系統(tǒng)中心構成多中心模式，按照各自需要進行數(shù)據(jù)處理與服務。省級CORS系統(tǒng)之間構成有限共享模式，可以共享屬于對方的鄰近參考站的數(shù)據(jù)，從而減少超長邊，消除服務縫隙，避免服務重疊，實現(xiàn)跨網(wǎng)服務。

圖3 CORS共享模式示意圖

2. CORS組網(wǎng)的服務方式

確定了互相共享的參考站之后，還需要確定是采取臨時共享、長期共享或其他方式。臨時共享的原理是：CORS-A首先監(jiān)測用戶的概略位置，當其位于服務縫隙時，判斷所需相鄰網(wǎng)CORS-B的參考站節(jié)點；然后向CORS-B的系統(tǒng)中心發(fā)送請求所需參考站節(jié)點數(shù)據(jù)消息，與CORS-B建立臨時通信鏈路，接收CORS-B轉發(fā)的相應基準站數(shù)據(jù)；最后更新三角網(wǎng)，初始化基線，生成RTK誤差改正數(shù)及用戶所需產(chǎn)品。另一種是長期共享方式，即長期地共享相鄰CORS網(wǎng)特定部分參考站的觀測數(shù)據(jù)，對服務縫隙區(qū)域進行劃分，在某分區(qū)內，僅某一CORS提供CORS服務[5]。

省級CORS服務縫隙常出現(xiàn)在交界地區(qū)，由于我國省級行政區(qū)域多依山河湖泊等自然地理條件分界，許多邊界地區(qū)人口較少，經(jīng)濟欠發(fā)達，對CORS應用需求相對較低，當然，也有些交界地區(qū)是區(qū)域交流的重要樞紐，經(jīng)濟發(fā)達，對CORS應用需求較高。

交界地區(qū)CORS組網(wǎng)服務方式的選擇應以其地理空間信息需求為導向。如果該區(qū)域測繪活動較少，則可以提供臨時共享方式，雖然時延較長，但僅在用戶有需求的時候才進行數(shù)據(jù)傳輸，這種應答式的服務數(shù)據(jù)傳輸量較小、成本較低。如果是需要為高速鐵路、公路，輸油、輸電線路等跨區(qū)域大型工程建設提供服務，則可采取在工程建設階段內實現(xiàn)共享。如果該區(qū)域CORS應用需求量較高，則可長期共享，提供精度穩(wěn)定、延遲較小且可靠性好的服務。

五、結束語

隨著我國省級CORS建設的大規(guī)模展開，組網(wǎng)互聯(lián)互通共享服務成為其進一步深化發(fā)展的重要趨勢。本文分析了我國省級CORS的建設情況及存在的問題，指出了省級CORS組網(wǎng)的趨勢，研究了省級CORS組網(wǎng)中的系統(tǒng)差異、組網(wǎng)的通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)轉發(fā)方式、通信協(xié)議等關鍵問題，探討了組網(wǎng)的服務共享模式，并就上述問題提出了一些有益的建議，以作為省級CORS組網(wǎng)的參考。

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