董明旭，楚 彬，劉紫平，郝建明，匡翠林

(1. 湖南省測(cè)繪科技研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 2. 中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院湖南分院，湖南 長(zhǎng)沙 410007； 3. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

在高精度位置服務(wù)領(lǐng)域，主要依托全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，通過(guò)建立衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站系統(tǒng)(continuously operating reference stations，CORS)實(shí)時(shí)不間斷觀測(cè)GNSS衛(wèi)星信息，可以快速有效地削弱軌道、鐘差和大氣等主要的誤差影響，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)厘米級(jí)和事后毫米級(jí)精度定位[2-3]。作為空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，湖南省衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)(HNCORS)于2008年開(kāi)始投資建設(shè)，于2011年完成一期建設(shè)并投入試運(yùn)行。2014年，平臺(tái)全面展開(kāi)二期暨北斗兼容升級(jí)建設(shè)，成為全國(guó)首家提供兼容北斗差分改正信息的省級(jí)CORS平臺(tái)[4]。HNCORS在構(gòu)建全省統(tǒng)一的地理空間框架、維系覆蓋全省的三維地心測(cè)繪基準(zhǔn)體系、推進(jìn)地理國(guó)情和不動(dòng)產(chǎn)統(tǒng)一登記基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)的過(guò)程中發(fā)揮了不可替代的作用。

然而，湖南地區(qū)地形以丘陵為主，存在部分無(wú)線通信信號(hào)盲區(qū)，實(shí)時(shí)高精度位置服務(wù)無(wú)法全范圍覆蓋，尤其在實(shí)時(shí)載波相位差分定位(real time kinematic，RTK)服務(wù)方面，問(wèn)題尤為突出[5]。此外，湖南是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的省份，基于CORS的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用和變形監(jiān)測(cè)，均需更高精度級(jí)別(毫米級(jí))的定位需求。一般的單位并不具備服務(wù)條件，其原因如下：①高精度遠(yuǎn)距離GNSS解算須采用國(guó)際知名的軟件，如GAMIT/GLOBK、Bernese、GIPSY等，此類(lèi)軟件一般價(jià)格昂貴且操作十分復(fù)雜，應(yīng)用門(mén)檻較高[6]；②基于CORS高精度GNSS解算需要基準(zhǔn)站的高精度坐標(biāo)和位移速率數(shù)據(jù)，從測(cè)繪成果保密的角度，不允許將這些數(shù)據(jù)播發(fā)給普通用戶；③基于CORS的高精度解算須依賴于基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些保密數(shù)據(jù)的獲取需要經(jīng)過(guò)行政審批，周期較長(zhǎng)，無(wú)法滿足應(yīng)急測(cè)繪的需求；④目前提供高精度事后差分解算服務(wù)均是采用人工方式進(jìn)行，需要投入大量的人力物力，且時(shí)間嚴(yán)重滯后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足廣大用戶的高精度解算需求。針對(duì)以上問(wèn)題，本文研究基于CORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺(tái)建設(shè)方法，采用Perl編程語(yǔ)言對(duì)Bernese二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)解算，并基于Internet的數(shù)據(jù)加密推送，面向用戶推出在線自助解算服務(wù)，用于解決無(wú)移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋時(shí)的高精度定位問(wèn)題，同時(shí)滿足用戶高效率、低門(mén)檻的事后高精度(厘米級(jí)至毫米級(jí))位置服務(wù)需求。

1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)采用低耦合架構(gòu)設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)解算與業(yè)務(wù)處理相分離。由于基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)涉密，數(shù)據(jù)解算采用純內(nèi)網(wǎng)環(huán)境的本地服務(wù)器與CORS數(shù)據(jù)中心進(jìn)行連接，根據(jù)待解算觀測(cè)數(shù)據(jù)匹配最優(yōu)3個(gè)基準(zhǔn)站點(diǎn)同步觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算；業(yè)務(wù)處理采用公網(wǎng)環(huán)境下云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)高并發(fā)訪問(wèn)情況下實(shí)時(shí)擴(kuò)容，滿足海量級(jí)用戶業(yè)務(wù)請(qǐng)求處理；在數(shù)據(jù)解算服務(wù)器和業(yè)務(wù)處理服務(wù)器之間，通過(guò)建立反向代理服務(wù)器，對(duì)外(業(yè)務(wù)服務(wù)器)建立任務(wù)隊(duì)列獲取待解算觀測(cè)數(shù)據(jù)，并供解算服務(wù)器調(diào)用，對(duì)內(nèi)(解算服務(wù)器)將解算結(jié)果進(jìn)行加密處理，并推送至業(yè)務(wù)服務(wù)器。平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)數(shù)據(jù)流程如下：

(1) 用戶通過(guò)Web系統(tǒng)提交待解算的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

(2) 業(yè)務(wù)服務(wù)器一方面受理用戶請(qǐng)求，另一方面下載對(duì)應(yīng)的IGS產(chǎn)品，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。

(3) 反向代理服務(wù)器建立任務(wù)隊(duì)列，將打包完成的待解算數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)并等待解算。

(4) 解算服務(wù)器主動(dòng)向代理服務(wù)器獲取待解算任務(wù)，同時(shí)向CORS數(shù)據(jù)中心請(qǐng)求對(duì)應(yīng)基準(zhǔn)站同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，并按任務(wù)隊(duì)列情況進(jìn)行排隊(duì)解算。

(5) 解算服務(wù)器解算完成的任務(wù)推動(dòng)至反向代理服務(wù)器。

(6) 反向代理服務(wù)器更新任務(wù)隊(duì)列，并將解算結(jié)果推送至業(yè)務(wù)云服務(wù)器。

(7) 業(yè)務(wù)云服務(wù)器響應(yīng)用戶請(qǐng)求，并通過(guò)Web系統(tǒng)供用戶下載解算結(jié)果。

由上可知，本地解算服務(wù)器處于純內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，采用主動(dòng)獲取解算任務(wù)的形式，只需根據(jù)任務(wù)隊(duì)列排隊(duì)處理待解算的數(shù)據(jù)即可，與具體業(yè)務(wù)請(qǐng)求無(wú)關(guān)，解算壓力恒定。業(yè)務(wù)云服務(wù)器負(fù)責(zé)處理公網(wǎng)環(huán)境下與用戶相關(guān)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，可根據(jù)請(qǐng)求量進(jìn)行實(shí)時(shí)彈性擴(kuò)容，滿足海量級(jí)用戶高并發(fā)業(yè)務(wù)請(qǐng)求處理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于Internet的數(shù)據(jù)雙重動(dòng)態(tài)加密傳輸方法

數(shù)據(jù)安全處理包括解算服務(wù)器的坐標(biāo)數(shù)據(jù)偏移，代理服務(wù)器的結(jié)果文件加密、參數(shù)加密、業(yè)務(wù)服務(wù)器的參數(shù)解密、用戶端結(jié)果文件解密，以及坐標(biāo)數(shù)據(jù)糾偏3部分。其主要步驟如下：

(1) 平臺(tái)初始化時(shí)采用RSA算法[7]生成一組常量密鑰Keyc和Screatc，分別存放于代理服務(wù)器和業(yè)務(wù)服務(wù)器中，用于加密和解密動(dòng)態(tài)參數(shù)文件。

(2) 當(dāng)數(shù)據(jù)解算完成時(shí)，解算服務(wù)器將坐標(biāo)結(jié)果結(jié)合當(dāng)前時(shí)刻時(shí)間戳進(jìn)行偏移，并輸出坐標(biāo)結(jié)果(CSV)和解算報(bào)告(PDF)兩個(gè)文件，同時(shí)將時(shí)間戳參數(shù)傳輸至代理服務(wù)器。

(3) 代理服務(wù)器采用隨機(jī)密鑰KeyR對(duì)結(jié)果文件采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(advanced encryption standard，AES)[8-9]進(jìn)行加密，并生成自定義*.sobds格式加密數(shù)據(jù)文件；然后采用常量密鑰Keyc將隨機(jī)密鑰和偏移時(shí)間戳進(jìn)行加密，生成自定義*.code格式加密參數(shù)文件。

(4) 代理服務(wù)器將*.sobds格式加密數(shù)據(jù)文件和*.code格式加密參數(shù)文件推送至業(yè)務(wù)服務(wù)器。

(5) 業(yè)務(wù)服務(wù)器提醒用戶登錄Web前端下載解算結(jié)果，當(dāng)用戶成功下載*.sobds文件后，業(yè)務(wù)服務(wù)器采用常量密鑰Screatc對(duì)*.code文件進(jìn)行解密，并將隨機(jī)密鑰KayR和偏移時(shí)間戳轉(zhuǎn)換成手機(jī)驗(yàn)證碼，以短信的形式發(fā)送至用戶。

(6) 用戶將下載好的*.sobds文件放到未連接外網(wǎng)的電腦上，并通過(guò)解密軟件輸入手機(jī)驗(yàn)證碼將*.sobds文件進(jìn)行解密并糾偏，輸出真實(shí)的解算結(jié)果(CSV和PDF文件)。

綜上，數(shù)據(jù)安全處理及加密傳輸流程如圖2所示。

2.2 基于Bernese的GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)解算方法

獲取待解算文件后，解算模塊通過(guò)匹配測(cè)站附近最近的3個(gè)CORS基準(zhǔn)站，同步解算得到3條基線向量和法方程，再綜合3條基線結(jié)果得到最終的用戶站坐標(biāo)。整個(gè)解算過(guò)程采用Perl編程語(yǔ)言調(diào)用Bernese批處理引擎實(shí)現(xiàn)，主要包括以下步驟：

(1) 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。包括觀測(cè)文件、星歷文件及更新數(shù)據(jù)處理所需的表文件，并RINEX格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成Bernese二進(jìn)制格式文件，以加速數(shù)據(jù)讀取速率。

(2) 衛(wèi)星軌道標(biāo)準(zhǔn)化。采用PRETAB程序?qū)⒕苄菤v從地心地固坐標(biāo)框架轉(zhuǎn)換為慣性坐標(biāo)框架，并提取衛(wèi)星的鐘差，采用ORBGEN程序由軌道表文件產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)軌道文件，通常每一天產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軌道文件。

(3) 接收機(jī)時(shí)鐘改正量計(jì)算。采用CODSPP程序計(jì)算時(shí)鐘改正量，并儲(chǔ)存在相位和偽距觀測(cè)文件中。

(4) 形成基線文件。采用SNGDIF程序根據(jù)最大觀測(cè)值準(zhǔn)則(OBSMAX)在整個(gè)處理網(wǎng)中選取兩測(cè)站間共同觀測(cè)量為最多者組成基線，形成獨(dú)立的基線單差文件。

圖2 數(shù)據(jù)安全處理及加密傳輸流程

(5) 相位觀測(cè)值預(yù)處理。采用MAUPRP程序進(jìn)行相位觀測(cè)值預(yù)處理，獲取干凈的相位觀測(cè)值。

(6) 參數(shù)估計(jì)。采用GPSEST把預(yù)處理的相位觀測(cè)量組成二次差觀測(cè)值以求解坐標(biāo)參數(shù)。在具體求解時(shí)采用QIF方式[10]求解模糊度，并且忽略基線的相關(guān)性，用逐條基線求解，歷元參數(shù)一般先預(yù)消除，然后在法方程層次上回代求解。

(7) 多時(shí)段綜合解。采用ADDNEQ2程序?qū)⒉襟E(6)所得各時(shí)段的全部基線解作為偽觀測(cè)值再進(jìn)行平差，以求的更精確的參數(shù)解。

綜上，Bernese軟件雙差數(shù)據(jù)處理的流程如圖3所示。

3 應(yīng)用測(cè)試

3.1 功能測(cè)試

為了掌握平臺(tái)的服務(wù)性能，通過(guò)對(duì)平臺(tái)可用性、兼容性和系統(tǒng)容量等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，得出結(jié)論，見(jiàn)表1—表3。

表1 可用性測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

表2 兼容性測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

表3 容量測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果

圖3 Bernese處理引擎高精度數(shù)據(jù)處理流程

3.2 精度測(cè)試

定位精度是本平臺(tái)服務(wù)的最重要指標(biāo)，包括內(nèi)部精度指標(biāo)和外部精度指標(biāo)。內(nèi)部精度指標(biāo)用來(lái)衡量系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理的穩(wěn)定性和可靠性，外部精度指標(biāo)則反映定位結(jié)果與參考值的附和程度。

測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)源于實(shí)際工程項(xiàng)目觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括天寶、徠卡、華測(cè)、南方和中海達(dá)等5個(gè)品牌接收機(jī)共計(jì)50個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)做了短時(shí)長(zhǎng)和長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)兩個(gè)方面的測(cè)試。

3.2.1 短時(shí)長(zhǎng)測(cè)試(觀測(cè)時(shí)間小于1 h)

分別將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用GFZRNX軟件切分成觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)為5、10、20、30、40、50、60 min時(shí)段共計(jì)350個(gè)觀測(cè)文件，并提交至平臺(tái)進(jìn)行解算。其中5 min 時(shí)段數(shù)據(jù)未能解算成功，其他時(shí)間能正常解算，內(nèi)符合精度、外符合精度結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

分析圖4可知，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)小于30 min時(shí)，內(nèi)符合精度在分米級(jí)，整體穩(wěn)定性較差；觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)30和40 min時(shí)，平面內(nèi)符合約為3 cm，豎直方向在5 cm；50和60 min時(shí)，內(nèi)符合精度約為2 cm?？傮w來(lái)看，當(dāng)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)在大于30 min的情況下，解算結(jié)果的穩(wěn)定性較高。

圖4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)短時(shí)長(zhǎng)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)

由本平臺(tái)自動(dòng)解算得到的坐標(biāo)與通過(guò)靜態(tài)解算軟件全時(shí)長(zhǎng)手動(dòng)解算得到的坐標(biāo)進(jìn)行比較分析，得到外符合精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，因此外符合精度僅反映自動(dòng)解算與人工解算結(jié)果之間的偏差。如圖5所示，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)小于40 min時(shí)，外符合精度約為分米級(jí)；≥50 min時(shí)，平面外符合精度約為3 cm，豎直方向約為5 cm。總體來(lái)看，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)外符合趨于收斂，與手動(dòng)解算結(jié)果偏差較小。

3.2.2 長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)測(cè)試(觀測(cè)時(shí)間為2～6 h)

由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)只測(cè)量了6 h，因此將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按2、4和6 h進(jìn)行切分并提交至平臺(tái)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得內(nèi)符合精度、外符合精度結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)短時(shí)長(zhǎng)外符合精度統(tǒng)計(jì)

由圖6和圖7可知，當(dāng)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)大于2 h時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)平臺(tái)自動(dòng)解算得到的結(jié)果在平面方向、豎直方向內(nèi)符合均在毫米級(jí)，說(shuō)明本系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常高。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)外符合精度在平面方向達(dá)到毫米級(jí)，豎直方向?yàn)槔迕准?jí)，與人工解算結(jié)果偏差較小。

3.3 測(cè)試結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上對(duì)平臺(tái)功能及定位精度測(cè)試分析，可得出以下測(cè)試結(jié)論：

(1) 平臺(tái)各功能模塊性能完備，完整性好、兼容性高，能實(shí)現(xiàn)GNSS靜態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)全自動(dòng)處理單個(gè)文件解算耗時(shí)5 min以內(nèi)，數(shù)據(jù)處理效率較高。

圖6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)符合精度統(tǒng)計(jì)

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)外符合精度統(tǒng)計(jì)

(2) 基于Internet在線數(shù)據(jù)加密傳輸方法穩(wěn)定性較好，可為敏感數(shù)據(jù)在線傳輸提供新的解決方案。

(3) 平臺(tái)支持十萬(wàn)級(jí)用戶高并發(fā)業(yè)務(wù)請(qǐng)求，可同時(shí)處理10組觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)不小于10 min的數(shù)據(jù)，且能處理天線類(lèi)型未知的數(shù)據(jù)。

(4) 平臺(tái)數(shù)據(jù)解算精度較高，可為用戶提供厘米至毫米級(jí)事后高精度定位服務(wù)，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 精度測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)事后高精度定位服務(wù)需求，本文提出了一種基于CORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺(tái)建設(shè)方法，并詳細(xì)介紹了平臺(tái)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。依托本文研究成果，湖南省已成功建設(shè)了基于HNCORS的GNSS事后精密定位服務(wù)平臺(tái)——問(wèn)北位置(www.sobds.com)，有效解決了省內(nèi)無(wú)移動(dòng)通信信號(hào)覆蓋時(shí)的高精度定位問(wèn)題，同時(shí)滿足用戶高效率、低門(mén)檻的事后高精度(厘米級(jí)至毫米級(jí))位置服務(wù)需求。本文研究成果可廣泛應(yīng)用于高精度工程控制網(wǎng)布設(shè)和工程變形監(jiān)測(cè)，為高邊坡、深基坑、高大橋梁堤壩、高層建筑等工程變形監(jiān)測(cè)提供新的監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，有效拓展CORS高精度定位技術(shù)的深度應(yīng)用服務(wù)，推進(jìn)空間定位技術(shù)應(yīng)用的大眾化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。