菏泽市连续运行卫星定位服务系统数据中心设计

魏 鹏，王永忠，李素华，蒋 宇，杨炳建

（1.菏泽市测绘研究院，山东 菏泽 274000；2.菏泽市建设工程勘察院，山东 菏泽 274000）

0 引言

为满足菏泽市城市规划建设管理的需要， 适应测绘和信息科技发展的要求， 菏泽市测绘研究院计划投资建设菏泽市连续运行卫星定位服务系统(Heze Continuously Operating Reference Stations，简称HZCORS)。 HZCORS 的建立不仅能极大地提高测绘工作效率， 还能满足社会公众对不同精度定位导航的需要。 数据中心的建设是HZCORS 的重要组成部分，其安全性、稳定性是HZCORS 正常运行的基本保障。

1 HZCORS 项目建设的主要内容

HZCORS 是由空间定位技术、现代通讯技术、计算机技术等多种技术集成的多用途综合服务系统。项目内容主要包括基站建设、数据中心建设、通讯系统建设、坐标联测和系统测试。

1.1 基站建设

在能够覆盖牡丹区的前提下，建立一个全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）连续运行基准站。 主要设施包括一个屋顶基站墩标施工和基准站室内外设备安装与调试。

1.2 数据中心建设

在菏泽市测绘研究院，建立系统数据中心，主要内容为中心机房装修，线缆布设及软、硬件设备的安装与调试。

1.3 通讯系统建设

建立基准站和系统数据中心的通讯连接。

1.4 坐标联测

为保证系统正常运行， 需进行坐标联测及系统数据整合工作。 主要内容包括：（1）与国家B 级GPS网和原菏泽市独立坐标系联测，推求2000年国家大地坐标系、1954年北京坐标系、1980年西安坐标系、菏泽市独立坐标系的坐标成果， 以及4 种坐标系之间的转换参数。（2）采用与已有二等水准路线接测布设二等水准支线的方式， 进行基准站点的水准联测及数据处理。

1.5 系统测试

检验坐标转换参数的兼容性和一致性， 测试的主要内容包括：定位精度、空间可用性、时间可用性和定位服务的时效性等。

2 数据中心设计

数据中心(SAMC)是整个HZCORS 的核心单元，与基准站之间依靠光纤网络连接。

2.1 功能分析与设计

作为HZCORS 服务系统的核心，数据中心要求具备数据处理、系统运行监控、信息服务、网络管理和用户管理功能。 数据中心的作用以及要完成的任务主要包括：（1）接收来自基准站的原始数据，并进行处理分析，提供不同精度等级要求的改正数据。（2）监控基准站各设备单元的运行情况，并发布操作指令，更改基准站设备的配置参数，重启基准站接收机、基准站计算机等，对基站数据进行完好性检测。（3） 通过电台、GPRS/CDMA 或Internet 方式向用户实时提供各种格式的差分数据。 （4）系统网络管理，对VRS 系统中的数据处理服务器、 数据发布服务器、FTP 服务器、邮件服务器等进行管理。（5）对用户进行登记和统一管理， 同时还具备用户验证和收费管理的功能。

2.1.1 数据处理

负责基准站数据采集并对传输过来的数据进行质量分析和评价，对某些数据（如导航）进行多站点数据综合、分流，形成统一的差分修正数据。 按某种方式提供上网服务（如果开展广域差分服务），还需计算广域差分改正数或向广域差分中心提供必要数据，对精密定位的数据进行必要的预处理，并按一定方式上网服务。按照测绘及定位导航的要求，数据中心应输出的数据结果有：RTCM V2.1/V2.3/V3.0伪距差分修正信息（服务于米级定位导航的用户）、RTCM V2.1/V2.3/V3.0 相位差分修正信息 （服务于分米级，厘米级定位的用户）、网络RTK 差分修正信息VRS/FKP （服务于网络RTK 用户）、RINEX V2.1原始观测数据（服务于毫米级定位的用户）。

2.1.2 系统监控

对基准站运行中的设备安全、 正常性进行监控管理。 可远程监控基准站GNSS 定位设备的工作参数，检测工作状态，发出必要的指令，改变基准站运行状态，进行实时、动态的管理。 具体包括：（1）对基准站的设备进行远程管理；（2）对基准站进行设备完好性监测；（3）进行网络安全管理，禁止各种未授权的访问；（4）网络故障的诊断和恢复。

2.1.3 信息服务

对各类用户提供导航定位数据服务， 地理信息中有关坐标系、高程系的转换服务。数据中心向菏泽市进行数据播发， 可适应以下通信模式：（1）GPRS或CDMA 方式。 采用移动无线上网方式向用户发布数据信息。 （2）数据发布。 采用Internet 方式向用户提供精密定位服务。

2.1.4 网络管理

数据中心系统由局域网（LAN）、广域网（WAN）和因特网（Internet）连接形成。 主要性能有：（1）FTP服务器。 支持匿名和使用密码两种方式登录。 （2）WWW 服务器、网络多媒体数据信息服务器。主页是HZCORS，向全市用户播发各种信息。 （3）网络管理专用计算机。 对网络进行监视、运行及管理（包括计费）。

2.1.5 用户管理

数据中心对所服务的各类用户进行管理，包括：（1）用户收费管理。系统管理员将根据用户使用的时间、时段、次数和通讯方式生成表格，以方便管理部门按照一定的制度进行收费。（2）用户登记、注册、撤销、查询、权限管理。系统管理员可方便地增减用户，根据用户的不同精度需求，提供相应的精度权限，查询统计某用户的使用情况。

2.1.6 其他功能

（1）具备一定的自动控制能力，可以减少系统管理员的工作量。 （2）对系统的完备性进行监测，并提供最佳的计算方案。 （3）有足够的扩充能力，可适应基准站数量增加的需求。

2.2 数据结构分析与设计

从数据流程来看，数据中心就是数据中转中心，将数据分为进入数据、内部处理数据和流出数据。进入数据是指来自基准站的数据， 内部处理数据是指在数据中心各软件模块之间流通的数据， 流出数据指生成的供用户使用的数据， 详细情况如表1 所示。

表1 SMAC 数据结构Table 1 SMAC data structure

2.3 数据中心的技术设计

数据中心技术设计可分为机房设计、网络设计、防护设计、流程设计和通信设计。

2.3.1 数据中心机房布置及装修的原则

（1）满足技术系统的功能要求。 各类设备既需要一定的安装空间、使用空间、维修空间，又要满足各工艺环境要求，如温度、湿度、通风、洁净度，各种供电和照明要求等。 （2）给工作人员创造健康卫生的工作环境。 机房内应有良好的通风、温度、采光、空间、色彩等。（3）有利于提高工作效率。HZCORS 机房内设备的布置应有利于操作、管理，有利于各子系统间的技术连接，有利于统一管理和维护。 （4）符合安全要求。HZCORS 机房的布置和装修应符合防火、安全警卫、应急状态工作等要求。

2.3.2 数据中心网络设计

HZCORS 整个体系是以数据中心为网络， 以基准站作为系统网络子节点的。 数据中心是系统的管理与数据处理中心，它的结构与性能直接影响整个系统的运行和可靠性。 在本方案中，设计两台运算服务器同时运行同一套VRS 软件，当一台主服务器由于某些原因停止提供服务时，另一台备份服务器立即进入服务状态， 期间不会造成系统运行的中断。本方案在数据中心配置了一个工作站，工作站的数量根据要提供的服务类型确定，安装有GPServer 和GPStream 的主服务器和交换机相连， 具有Web 访问、用户管理、数据存储、文件管理功能。原始数据经过服务器后，被分流为多路，分别发送给其他功能的工作站（数据库服务器、邮件服务器、运行高精度GAMIT 解算软件工作站等）。

2.3.3 防护设计

与基准站的设计相似，系统管理中心网络须考虑电击防护。 另外，由于该网络与Internet 互联，必须考虑网络的安全性，不仅要能够防止来自Internet外部的网络攻击，还要能够防止内部的攻击。 对系统管理中心网络的防护设计如下：（1）电力线防护设备、数据线防护设备与基准站子系统的防护设计相同。 （2）网线的接插口采用防雷插件RJ45 保护器。 （3）Internet 通过路由器接入，并设置硬件防火墙。 整个网络须配置内部IP 地址。 （4）各计算机进出Internet 通过防火墙代理。

2.3.4 用户数据发送设计

1）功能分析。 HZCORS 用户数据中心提供服务下行链路，它将整个系统计算结果与数据传递给各用户，由用户子系统设备接收并进行处理，完成系统服务中的最后环节。 在该系统中，要求具备以下功能：（1）实时的数据发送功能。 在网络覆盖范围内，可以发送RTCM 或CMR/CMR＋或FKP 格式的差分数据，可以是厘米级RTK 数据，也可以是分米级或米级的RTD 数据；可以设置用户的不同权限，也可以对用户不做任何验证； 既可以使用网络RTK 方式，也可以设置成单基站广播差分信号。 （2）事后的数据发送功能。 用户通过网络或者其他方式下载基准站的RINEX 数据和原始数据；可在用户指定的位置生成虚拟参考站RINEX 数据，供用户后处理。（3）多种通信方式的适应能力。 能够在不改变子系统基本结构的情况下，实现与其他通信方式的兼容。

2）数据结构。 数据类型，按照播发方式的不同，有以下几类：（1）实时数据。包括：米级精度的差分数据（RTCM-104 伪距差分数据）、分米精度的差分数据（RTCM-104 伪距、相位数据）、厘米精度的差分数据（RTCM-104 相位差分数据）、网络RTK 的差分数据（RTCM-104 格式或自定义格式）、系统完备性信息（RAIM 检验信息）和用户许可信息（用户的授权信息）。 （2）静态数据。 系统数据中心提供基准站的RINEX 数据、原始数据和虚拟参考站RINEX 数据，供用户进行数据处理

3）结构设计。按照数据播发时效性的不同，其结构可分为用于实时数据播发和用于事后数据传输两个链路。 实时数据播发可采用多种方式进行，目前，菏泽市较为可行的方案有：（1）GPRS/CDMA 等公众移动通信网络。采用无线上网方式实现网络RTK 信息的传输，完成大范围内的网络RTK 作业。 （2）其他通信方式。为了便于今后通信方式的扩充，播发界面采用标准RS-232，利用多功能适配器进行扩展。 对于静态数据，采用Internet 的方式向公众提供服务，服务通过Web 访问或以Ftp 文件传输功能来实现。

4）数据播发流程。 按照以上结构设计得到的系统数据播发流程如图1 所示。

图1 系统数据播发流程图Fig.1 System data receiving and delivering flow

2.3.5 数据中心流程设计

按照以上的网络模式， 并根据系统性能指标的要求，HZCORS 数据中心网络中设计了以下6 类数据流：（1） 实时计算数据流。 方向为RS→数据分流→计算模块（含完备性检验、网络RTK、RTCM 合成）→播发。（2）备份数据流。用于对基准站数据的实时备份，RS→DBMS（数据库管理系统）。 （3）中断数据流。 此数据流对应于基准站设计中的中断数据流，是由于通信链路中断而产生的，其方向为：计算模块检测出 （或操作者）→总控制台→RS→RSDBMS 检索→总控台→DBMS 加入。 （4）控制数据流。 发自系统数据中心的控制命令，可分为人工控制和自动控制两类。 人工控制的程序为： 操作者→键盘→总控制台→RS； 自动控制的程序为：RS→数据分流→计算模块 （含完备性检验、 网络RTK、RTCM 合成）→总控制台→屏幕。 （5）实时监控数据流。 对基准站工作状态的监控的程序为：RS→数据分流→总控制台→屏幕。 （6） 播发数据流。 即正常工作条件下，数据中心的输出数据流。其程序为：RS→数据分流→计算模块（含完备性检验、 网络RTK、RTCM 合成）→播发模块→DBMS→播发模块→DTS。

以上的数据流不一定同时发生， 在正常工作下，计算流、备份流、控制流、监控流和播发流同时发生。在通信中断恢复后，自动产生中断数据流。系统管理中心网络数据流如图2 所示。

图2 系统数据中心数据流程Fig.2 System data center data flow

3 结语

本设计方案以空间定位技术、现代通讯技术、计算机技术等多种技术集成为基础，进行HZCORS 数据中心的设计。 其功能可满足HZCORS 运行的需要；特点侧重数据中心运行的安全和稳定；从机房设计、网络设计、防护设计、流程设计和通信设计几方面， 通过各种安全和保障措施的设置来保证数据中心运行的安全和稳定。

[1] 国家质量技术监督局. 全球定位系统（GPS）测量规范[S].中国标准出版社，2001.

[2] 国家质量技术监督局. 差分全球定位系统（DGPS）技术要求[S]. 中国标准出版社，2001.

[3] 国家测绘局. 全球导航卫星系统连续运行参考站网建设规范[M]. 北京：测绘出版社，2005.

[4] 国家测绘局. 测绘技术设计规定[M]. 北京：测绘出版社，2005.

[5] 王珊，萨师煊. 数据库系统概论[M]. 北京：高等教育出版社，2006.