黃 勇，閆 偉，張 奇，阿布都那比·麥麥提

(1.天津市測(cè)繪院，天津 300381；2.新疆維吾爾自治區(qū)第二測(cè)繪院，烏魯木齊 830000)

0 引言

十一五期間，中國(guó)數(shù)十個(gè)城市先后建立了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)連續(xù)運(yùn)行參考站(continuously operating reference stations，CORS)系統(tǒng)[1-4]。天津CORS(簡(jiǎn)稱TJCORS)始建于2004年4月，2006年6月正式投入運(yùn)營(yíng)，目前共有基準(zhǔn)站21個(gè)，平均邊長(zhǎng)30 km，數(shù)據(jù)中心解算軟件為Trimble公司的Pivot平臺(tái)，為天津城市建設(shè)發(fā)展提供基于2000國(guó)家大地坐標(biāo)(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)的實(shí)時(shí)、高精度空間基準(zhǔn)服務(wù)，在測(cè)繪、勘察、電力、水利、海洋等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。天津在城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理中，普遍使用1990年天津市任意直角坐標(biāo)系成果，但由于CGCS2000坐標(biāo)與1990年天津市任意直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)敏感，按相關(guān)保密政策無(wú)法直接提供給用戶使用[5，7]，造成用戶獲取CGCS2000坐標(biāo)后，需要通過(guò)郵件服務(wù)器或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方式將測(cè)量的CGCS2000坐標(biāo)成果轉(zhuǎn)換為1990年天津市任意直角坐標(biāo)系成果。這種滯后的地方基準(zhǔn)服務(wù)方式不但限制了TJCORS在實(shí)時(shí)城市測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，而且坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的繁瑣給用戶帶來(lái)諸多不便，嚴(yán)重影響作業(yè)效率，浪費(fèi)人力、財(cái)力，甚至在一定程度上導(dǎo)致用戶放棄使用TJCORS而建設(shè)自己的單基站實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)系統(tǒng)；與此同時(shí)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換服務(wù)也給TJCORS數(shù)據(jù)中心的運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)一定負(fù)擔(dān)。

針對(duì)城市CORS系統(tǒng)地方基準(zhǔn)服務(wù)滯后的問(wèn)題，各個(gè)城市都在積極探索適合本地區(qū)的地方基準(zhǔn)服務(wù)模式[5-8]。如廣州規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院與華測(cè)公司聯(lián)合開發(fā)了一套軟件為用戶提供實(shí)時(shí)地方坐標(biāo)和高程服務(wù)，但該軟件僅適用于華測(cè)設(shè)備，無(wú)法兼容其它品牌RTK終端；北京測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院委托武漢大學(xué)研制了一套“NtripCasterProxy”軟件，能夠兼容天寶、南方、中海達(dá)、華測(cè)等主流RTK終端設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)地方坐標(biāo)的測(cè)量，重慶市地理信息中心建立了CQGISS實(shí)時(shí)地方坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)，為其用戶提供實(shí)時(shí)地方坐標(biāo)成果獲取服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于中間服務(wù)器的實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)模式，即采用中間服務(wù)器對(duì)Trimble Pivot軟件的差分改正數(shù)進(jìn)行技術(shù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)在地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)保密的前提下，提供實(shí)時(shí)的1990年天津市任意直角坐標(biāo)服務(wù)和1972年天津市大沽高程服務(wù)。結(jié)合天津市GNSS大地控制網(wǎng)C級(jí)控制點(diǎn)成果，驗(yàn)證1990年天津市任意直角坐標(biāo)服務(wù)性能。由于天津市地表沉降比較嚴(yán)重，現(xiàn)有的2006年似大地水準(zhǔn)面成果現(xiàn)勢(shì)性不佳，本文未對(duì)1972年天津市大沽高程服務(wù)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

1 系統(tǒng)原理

城市CORS系統(tǒng)實(shí)質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的具體應(yīng)用，定位模式屬于相對(duì)定位[4，9]。TJCORS系統(tǒng)采用虛擬參考站技術(shù)，運(yùn)行機(jī)制為：用戶通過(guò)用戶名、密碼、服務(wù)地址、端口、掛載點(diǎn)等信息通過(guò)NTRIP(networked transport of RTCM via internet protocol)協(xié)議連接Pivot平臺(tái)，通過(guò)身份驗(yàn)證后，以NMEA-0183協(xié)議(national marine electronics association 0183 protocol)上傳概略位置信息，Pivot平臺(tái)根據(jù)概略位置生成差分改正信息，包括虛擬站位置、虛擬站測(cè)碼偽距和載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)等，并編碼為國(guó)際海運(yùn)事業(yè)無(wú)線電技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(radio technical commission for martine services，RTCM)格式發(fā)送給用戶，用戶實(shí)時(shí)接收此差分信息并與自身觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行RTK定位解算，獲取實(shí)時(shí)高精度用戶位置[10]。可見，用戶的位置是由虛擬參考站的位置間接確定的，只要改變差分信息中虛擬參考站的位置，就可以改變用戶使用此差分信息的定位結(jié)果。虛擬參考站位置距離用戶位置一般只有幾米，對(duì)參考站位置移動(dòng)一個(gè)小量，用戶的位置也移動(dòng)一個(gè)小量，用戶的位置移動(dòng)量與虛擬參考站的位置移量近似相同。

CGCS2000坐標(biāo)與1990年天津市任意直角坐標(biāo)可通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)和縮放來(lái)實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，根據(jù)《關(guān)于規(guī)范衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)密級(jí)劃分和管理的通知》規(guī)定及相關(guān)保密政策，地方基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)和似大地水準(zhǔn)面成果無(wú)法直接提供給用戶使用，用戶也就無(wú)法通過(guò)RTK手簿中的轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)CGCS2000大地坐標(biāo)向1990年天津市任意直角坐標(biāo)和1972年天津市大沽高程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。為了解決這一問(wèn)題，本文對(duì)虛擬參考站坐標(biāo)做如下技術(shù)處理：1)基于2006年天津市似大地水準(zhǔn)面成果對(duì)虛擬參考站高程進(jìn)行修正；2)將修正后的虛擬參考站位置用一組預(yù)定的轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換到用戶臨時(shí)坐標(biāo)，并發(fā)給用戶進(jìn)行RTK測(cè)量，獲取用戶臨時(shí)坐標(biāo)系的定位結(jié)果；3)計(jì)算用戶臨時(shí)坐標(biāo)至1990年天津市任意直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并提供給用戶設(shè)置到RTK手簿中，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)用戶臨時(shí)坐標(biāo)系至1990年天津市任意直角坐標(biāo)和1972年天津市大沽高程的轉(zhuǎn)換。用戶臨時(shí)坐標(biāo)至1990年天津市任意直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)計(jì)算方法為

(1)

式中：T2、R2、s2分別為用戶臨時(shí)坐標(biāo)至1990年天津市任意直角坐標(biāo)的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放因子；T1、R1、s1分別為CGCS2000坐標(biāo)至用戶臨時(shí)坐標(biāo)的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放因子；T、R、s分別為CGCS2000坐標(biāo)至1990年天津市任意直角坐標(biāo)的平移向量、旋轉(zhuǎn)矩陣和縮放因子。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

本文研制開發(fā)了TJCORS實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)軟件“VRSRelay”。軟件開發(fā)過(guò)程中綜合考慮系統(tǒng)性能和開發(fā)效率，專業(yè)算法采用標(biāo)準(zhǔn)C/C++封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過(guò)SWIG工具封裝成.NET調(diào)用接口，軟件界面采用微軟.NET框架(C#)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)C/C++和C#的混合調(diào)用，能夠保證平臺(tái)計(jì)算效率和并發(fā)性能，同時(shí)避免核心代碼被反編譯，大幅提升軟件平臺(tái)安全性。軟件運(yùn)行效果如圖1所示。

VRSRelay實(shí)現(xiàn)的TCP服務(wù)器采用高性能異步通信框架，支持RTCM V3.x、NTRIP V1.x、NMEA-0183等標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星導(dǎo)航通信協(xié)議，全面兼容天寶、南方、中海達(dá)、華測(cè)等主流RTK終端設(shè)備和手簿。軟件提供簡(jiǎn)潔易用的用戶界面，可為每個(gè)用戶獨(dú)立設(shè)置用戶臨時(shí)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控用戶狀態(tài)，記錄在線時(shí)間和訪問(wèn)差分?jǐn)?shù)據(jù)流量等信息。VRSRelay軟件2014年正式開始工程應(yīng)用，長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

3 實(shí)驗(yàn)分析

天津CORS實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)具備1990年天津市任意直角坐標(biāo)和1972年天津市大沽高程的服務(wù)能力，但由于天津市地表沉降比較嚴(yán)重，現(xiàn)有的2006年似大地水準(zhǔn)面成果現(xiàn)勢(shì)性不佳，本文未對(duì)該平臺(tái)地方高程服務(wù)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。為了驗(yàn)證TJCORS實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)技術(shù)路線和軟件實(shí)現(xiàn)的正確性，筆者從天津市GNSS大地控制網(wǎng)C級(jí)控制點(diǎn)中，在全市范圍內(nèi)均勻選取了11個(gè)作為測(cè)試點(diǎn)，分布情況如圖2所示。2014年8月，采用天寶、 華測(cè)RTK終端設(shè)備，測(cè)試VRSRelay平臺(tái)實(shí)時(shí)1990年天津市任意直角坐標(biāo)性能。從CGCS2000坐標(biāo)至用戶臨時(shí)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)為：X軸平移3.0 m，旋轉(zhuǎn)0.001 rad；Y軸平移4.0 m，旋轉(zhuǎn)0.001 rad；Z軸平移5.0 m，旋轉(zhuǎn)0.001 rad，縮放因子為1.0，通過(guò)VRSRelay平臺(tái)對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行常規(guī)RTK測(cè)量，獲取1990年天津市任意直角坐標(biāo)系坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果，并將其與天津市GNSS大地控制網(wǎng)成果比較，通過(guò)計(jì)算X方向、Y方向和水平方向的偏差，并統(tǒng)計(jì)最大值和均方根誤差，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)TJCORS實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)定位精度和性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

天津GNSS大地控制網(wǎng)C級(jí)控制點(diǎn)1990年天津市任意直角坐標(biāo)ΔX1990年天津市任意直角坐標(biāo)ΔY1990年天津市任意直角坐標(biāo)ΔPC007-0.0020.0030.003C028-0.011-0.0010.011C0580.003-0.0120.013C066-0.0030.0010.003C077-0.004-0.0030.005C0930.0070.0150.017C1140.0090.0000.009C1200.0010.0050.005C175-0.0120.0150.019C185-0.0140.0040.015C197-0.0180.0230.029

實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)獲取的1990年天津任意直角坐標(biāo)結(jié)果與控制測(cè)量成果相比，X方向偏差最大值為0.018 m，均方根誤差為0.009 m，Y方向偏差最大值為0.023 m，均方根誤差為0.010 m，水平方向最大偏差0.029 m，均方根誤差0.008 m，實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)能夠滿足實(shí)時(shí)厘米級(jí)1990年天津市任意直角坐標(biāo)基準(zhǔn)服務(wù)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)TJCORS滯后的地方基準(zhǔn)服務(wù)方式存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種中間服務(wù)器模式的實(shí)時(shí)地方基準(zhǔn)服務(wù)模式，在地方坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)保密的前提下，幫助用戶獲取實(shí)時(shí)1990年天津市任意直角坐標(biāo)成果，為用戶減少作業(yè)流程，提高作業(yè)效率，為1990年天津市任意直角坐標(biāo)成果實(shí)時(shí)獲取和應(yīng)用提供了一種切實(shí)可行的解決方案，可供其他城市CORS管理部門借鑒?；赩RSRelay平臺(tái)，筆者通過(guò)集成華測(cè)i80 RTK主機(jī)和iPad平板，研制開發(fā)了針對(duì)1990年天津市任意直角坐標(biāo)成果的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。