蔡建德 米思瑩 鐘國(guó) 梁莉 張新雨，4

（1.河南省測(cè)繪發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003；2.浙江臻善科技股份有限公司，浙江 杭州 310005；3.河南省遙感測(cè)繪院，河南 鄭州 450003；4.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450003)

1 引言

連續(xù)運(yùn)行參考站（CORS）系統(tǒng)及水準(zhǔn)面研建過(guò)程中，采用聚合多種衛(wèi)星應(yīng)用，融合多種系統(tǒng)技術(shù)，整合類型眾多的數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建天地一體、無(wú)縫覆蓋、功能強(qiáng)大的時(shí)空信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，建立安全、高效、可控的北斗時(shí)空服務(wù)體系與平臺(tái)，對(duì)提高信息資源掌控治理能力，推動(dòng)智能信息服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

區(qū)域CORS 系統(tǒng)建設(shè)及高精度大地水準(zhǔn)面的建立，契合了北斗與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的融合、導(dǎo)航與通信的融會(huì)、無(wú)線電通信與慣性導(dǎo)航的結(jié)合，全面提高市縣空間框架基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)水平，促進(jìn)跨行業(yè)信息資源整合利用效率，推進(jìn)北斗云服務(wù)的社會(huì)化、產(chǎn)業(yè)化、區(qū)域化，提升導(dǎo)航與位置服務(wù)在智慧城市、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、防災(zāi)減災(zāi)、市政管理、資源保護(hù)、電子消費(fèi)等多領(lǐng)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 北斗連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（BD-CORS）的特點(diǎn)

2.1 BD-CORS 及市縣CORS 簡(jiǎn)介

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）北斗系統(tǒng)空間段采用三種軌道衛(wèi)星組成混合星座，與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強(qiáng)，低緯度地區(qū)性能特點(diǎn)更為明顯。（2）提供多個(gè)頻點(diǎn)的導(dǎo)航信號(hào)，能通過(guò)多頻信號(hào)組合使用等方式提高精度。（3）創(chuàng)新融合了導(dǎo)航與通信能力，具有實(shí)時(shí)導(dǎo)航、快速定位、精確授時(shí)、位置報(bào)告和短報(bào)文通信服務(wù)五大功能。

常規(guī)地理空間數(shù)據(jù)獲取主要利用電臺(tái)模式或單基站模式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)，作用范圍小、精度差、可靠性低。近年來(lái)，通過(guò)CORS技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RTK 已成為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的主要發(fā)展方向，通過(guò)建立市縣區(qū)域性CORS系統(tǒng)，依靠網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，可在市縣區(qū)域向大量用戶同時(shí)提供高精度、高可靠性、實(shí)時(shí)的定位信息。

市縣CORS 系統(tǒng)是在一定區(qū)域均勻布設(shè)若干永久性連續(xù)運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位基準(zhǔn)站，建立安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理中心，通過(guò)專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，為社會(huì)大眾提供導(dǎo)航、定位、授時(shí)等服務(wù)，亦可為滿足不同行業(yè)、不同用戶的需求提供定制服務(wù)[1]。

2.2 CORS 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

CORS 系統(tǒng)以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)中心為依托，建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)站、系統(tǒng)控制中心、用戶數(shù)據(jù)中心、用戶應(yīng)用、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，各子系統(tǒng)由數(shù)字通信子系統(tǒng)互聯(lián)，形成一個(gè)均勻分布于整個(gè)市縣的局域網(wǎng)(城域網(wǎng))。CORS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 CORS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 定位系統(tǒng)基準(zhǔn)站

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤基準(zhǔn)站是CORS 系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，主要包括衛(wèi)星接收機(jī)、接收機(jī)天線、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、不間斷電源、防電涌等設(shè)備。

2.2.2 系統(tǒng)控制中心

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)控制中心是CORS 的核心單元，由中心網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理軟件等子系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)各基準(zhǔn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、管理、解算、用戶管理、實(shí)時(shí)發(fā)布等。通過(guò)控制中心局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分流、分發(fā)、存儲(chǔ)、分析，按照國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)格式或自定義專用格式，面向不同用戶不同需求發(fā)送數(shù)據(jù)，提供多種信息服務(wù)和監(jiān)控服務(wù)。其中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，實(shí)施數(shù)據(jù)綜合、數(shù)據(jù)分流和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)RTK 技術(shù)形成差分?jǐn)?shù)據(jù)并提交用戶數(shù)據(jù)中心[2]。監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、故障分析與故障警視。信息服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶提供事后精密處理的數(shù)據(jù)服務(wù)、坐標(biāo)系高程系轉(zhuǎn)換服務(wù)、工程測(cè)量軟件服務(wù)和計(jì)算服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)用于監(jiān)控并管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)硬軟件隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，保障信息安全；管理網(wǎng)站通過(guò)Internet 向用戶提供http、ftp 等訪問(wèn)服務(wù)。用戶管理系統(tǒng)用于用戶登記、注冊(cè)、撤銷、查詢、權(quán)限等管理，提供訪問(wèn)授權(quán)和用戶使用記錄。

2.2.3 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)

CORS 網(wǎng)絡(luò)采用分布式資源網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括兩方面：一是選擇合理的網(wǎng)絡(luò)通信方式，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站與控制中心的互聯(lián)互通互操作。二是集中管理基準(zhǔn)站資源，為用戶提供覆蓋本地區(qū)所有基準(zhǔn)站資源的管理方案，實(shí)現(xiàn)各基準(zhǔn)站、控制中心不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的系統(tǒng)互訪和資源共享。在控制中心，通過(guò)統(tǒng)一維護(hù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站無(wú)人現(xiàn)場(chǎng)管理?？刂浦行闹鞲删W(wǎng)絡(luò)采用千兆以太網(wǎng)絡(luò)，基準(zhǔn)站采用SDH 數(shù)據(jù)專線連接控制中心。

2.2.4 用戶數(shù)據(jù)中心

CORS 對(duì)外的數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)用戶數(shù)據(jù)中心多種數(shù)據(jù)傳輸手段向用戶發(fā)送、發(fā)播定位、導(dǎo)航、授時(shí)等多種數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)服務(wù)。用戶數(shù)據(jù)中心可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)單元和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)單元兩部分。通過(guò)網(wǎng)站http和ftp 等方式向用戶提供數(shù)據(jù)交換及在線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)功能。數(shù)據(jù)中心到用戶的實(shí)時(shí)通信可采用GSM、GPRS、CDMA 及5G 通信方式實(shí)現(xiàn)。

2.2.5 用戶應(yīng)用子系統(tǒng)

用戶應(yīng)用子系統(tǒng)涉及龐大的用戶群落，按照應(yīng)用領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航與位置公共服務(wù)基準(zhǔn)站網(wǎng)可面向政府、企業(yè)、公眾等不同類型用戶，針對(duì)地理信息數(shù)據(jù)采集和變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，提供毫米級(jí)、厘米級(jí)、亞米級(jí)等高精度的導(dǎo)航、定位、時(shí)間信息等服務(wù)，為交通、無(wú)人機(jī)快遞、物流等行業(yè)提供亞米級(jí)定位服務(wù)。CORS 用戶應(yīng)用子系統(tǒng)應(yīng)充分考慮北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星接收機(jī)的兼容性。

2.3 市縣CORS 建設(shè)存在的問(wèn)題

為滿足市縣經(jīng)濟(jì)建設(shè)信息化的需要，一大批城市( 如杭州、南京、成都、武漢、鄭州等)已建或籌建衛(wèi)星連續(xù)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)市縣建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到重要作用。但也存在一定的問(wèn)題：一是不同市縣建設(shè)的系統(tǒng)行業(yè)特性明顯，目標(biāo)單一化帶來(lái)系統(tǒng)技術(shù)服務(wù)性能的單一化，不利于系統(tǒng)的技術(shù)集成和潛力發(fā)揮；二是部分市縣建設(shè)的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，尚未建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)制，數(shù)據(jù)資源共享問(wèn)題未解決，阻礙了系統(tǒng)功能的最大利用；三是建設(shè)運(yùn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化是一個(gè)急需統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和解決的問(wèn)題，未來(lái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)既滿足行業(yè)需求、區(qū)域和國(guó)家需求，又能與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌和兼容。

3 市縣似大地水準(zhǔn)面的建立

似大地水準(zhǔn)面是獲取地理空間信息的高程基準(zhǔn)面。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合高精度、高分辨率似大地水準(zhǔn)面模型，可以取代傳統(tǒng)的三等水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)定正高或正常高，真正實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在幾何和物理意義上的三維定位功能，使得平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)分離的傳統(tǒng)大地測(cè)量模式成為歷史，可為構(gòu)建智慧城市、數(shù)字縣域提供高效的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是獲取市縣地理空間數(shù)據(jù)國(guó)家統(tǒng)一高程基準(zhǔn)的主要手段。

3.1 技術(shù)方案與途徑

市縣級(jí)大地水準(zhǔn)面的精度和分辨率要求高，因此對(duì)數(shù)據(jù)（如導(dǎo)航衛(wèi)星定位位置、水準(zhǔn)、重力及數(shù)字地形模型等）的分辨率、分布、密度和精度等提出嚴(yán)格要求，建立市縣似大地水準(zhǔn)面主要采用以下方式[3]。

結(jié)合已完成的1∶1 萬(wàn)DEM 數(shù)據(jù)庫(kù)及本地區(qū)現(xiàn)勢(shì)性較強(qiáng)的數(shù)字地形圖，建立用于精化區(qū)域大地水準(zhǔn)面的高分辨率高精度DEM ；收集已有高精度控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、水準(zhǔn)數(shù)據(jù)、重力資料（陸地重力數(shù)據(jù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)高數(shù)據(jù)等）；建立C、D 級(jí)區(qū)域水準(zhǔn)網(wǎng)，與國(guó)家A、B 級(jí)網(wǎng)點(diǎn)和一、二等水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)。獲得高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)高水準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在國(guó)家重力基本網(wǎng)基礎(chǔ)上建立區(qū)域性重力基本網(wǎng)，實(shí)施陸地加密重力測(cè)量，獲取高精度的陸地重力數(shù)據(jù)。

3.2 市縣似大地水準(zhǔn)面計(jì)算

目前，市縣級(jí)似大地水準(zhǔn)面精化基于移去恢復(fù)原理，主要采用FFT 技術(shù)（1D/2DFFT），輔以多項(xiàng)式擬合法或其他擬合法。在實(shí)際計(jì)算中通常采用分步計(jì)算方法，即首先應(yīng)用移去恢復(fù)原理和1DFFT 技術(shù)計(jì)算重力似大地水準(zhǔn)面，然后以高精度北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)高水準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為控制，采用多項(xiàng)式擬合法或其他擬合法將重力似大地水準(zhǔn)面擬合到由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)高水準(zhǔn)確定的幾何大地水準(zhǔn)面上，旨在消除這兩類大地水準(zhǔn)面之間的系統(tǒng)偏差。

一般來(lái)說(shuō)，消除系統(tǒng)誤差后的重力大地水準(zhǔn)面與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)高數(shù)據(jù)水準(zhǔn)之間仍存在殘差，這些殘差包含了部分有用信息，再利用Shepard 曲線擬合法、加權(quán)平均法及最小二乘配置等，對(duì)這些剩余殘差進(jìn)行格網(wǎng)擬合，并將擬合結(jié)果與消除系統(tǒng)誤差之后的重力大地水準(zhǔn)面疊加，得到大地水準(zhǔn)面的最終數(shù)值結(jié)果。計(jì)算流程如圖2 所示。

圖2 市縣似大地水準(zhǔn)面精化計(jì)算流程

3.3 市縣似大地水準(zhǔn)面精化的有關(guān)問(wèn)題

對(duì)高程測(cè)量數(shù)據(jù)而言，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)是不同時(shí)期觀測(cè)的，觀測(cè)精度和依據(jù)的基準(zhǔn)不同，給實(shí)際計(jì)算和處理帶來(lái)一定困難；對(duì)于不同類數(shù)據(jù)，如大地橢球高與精密水準(zhǔn)測(cè)量的時(shí)間跨度較大，由此求得的大地水準(zhǔn)面高或高程異常存在系統(tǒng)偏差，數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)予以重視。市縣似大地水準(zhǔn)面精化對(duì)加密重力測(cè)量、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)高數(shù)據(jù)水準(zhǔn)布測(cè)、地殼密度異常和DEM的要求認(rèn)識(shí)不夠，目前還沒(méi)有較完善的規(guī)范可遵循。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高新技術(shù)手段，在市縣原有坐標(biāo)資料和水準(zhǔn)、重力資料的基礎(chǔ)上，建立集平面、高程、重力場(chǎng)信息于一體的綜合性高精度市縣三維基礎(chǔ)控制網(wǎng)，結(jié)合市縣連續(xù)運(yùn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（CORS），成為數(shù)字市縣地理空間基礎(chǔ)設(shè)施的重要部分。隨著其應(yīng)用的普及，作為地理空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，似大地水準(zhǔn)面精化和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將為城市規(guī)劃、自然資源、交通、綠化等領(lǐng)域提供廣泛的基礎(chǔ)服務(wù)，已逐漸成為數(shù)字市縣和信息化建設(shè)的重要內(nèi)容。