区域CORS在线定位系统设计与实现

李延旭，刘智敏，李 斐，周茂盛，徐 阳

(1．山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.山东省国土测绘院，山东 济南 250102)

卫星定位连续运行参考站系统(Continuously Operating Reference System, CORS)是一种以提供卫星导航定位服务为主的多功能服务系统，它将卫星定位技术、计算机技术和现代通讯技术相结合，经过系统中心的处理向社会提供定位、坐标框架维护等空间位置信息服务，已经成为地区和国家的空间信息基础设施和测绘地理信息数据的重要来源[1]。由于涉及数据保密问题，目前CORS系统的服务对象多是政府部门，这不符合CORS系统的建设目的。GNSS在线定位系统为用户提供了一个方便、精确的定位方式，用户不需要在本地安装数据处理软件，只需使用浏览器上传观测数据即可完成定位。目前世界上有许多国家和科研机构对在线定位服务进行研究，如澳大利亚的AUSPOS(Australian Online GPS Processing System)系统[2]、美国永久阵列中心的SCOUT(Scripps Coordinate Up Date Tool)系统[3]和美国NGS(National Geodetic Survey)的OPUS(On-line Positioning user service)系统[4]等。结合GNSS在线定位系统的优势，充分发挥CORS系统的作用，使CORS成果服务大众更为高效、便捷。国内外一些学者和科研机构曾对此进行研究[1，5-12]，李健[1]提出基于CORS的卫星定位在线服务系统软件架构，从软件设计的角度提出CORS在线定位服务系统的研发思路；武汉大学GPS工程研究中心基于Internet技术和Bernese软件，研发GPS数据自动处理系统Auto-Bernese[5]；金蕾[6]、Reza G[7]对AUSPOS，SCOUT，CSRS-PPP 3个在线数据处理软件的精度进行测试，得到当数据量达到10h时定位精度能够达到厘米级的结论；Stone W[8]提出将美国CORS观测成果应用至OPUS系统，以提高系统定位精度及其使用范围；刘智敏[9-10]、杜珺[11]、陈豪[12]对区域CORS数据处理系统进行设计，探讨区域CORS数据处理系统的可行性。

已有的研究工作取得了许多重要的研究成果，仍存在一些不足，如在线定位服务系统框架中没有涉及用户交互和结果分析；如从系统实现角度探讨CORS数据处理的可行性，未对使用CORS站定位与使用IGS站定位结果的精度进行比较。本文在现有在线服务系统软件架构中加入用户交互及结果分析环节，使系统更加友好；并且利用在线系统对使用IGS和区域CORS站为基准站的解算成果进行对比，分析其原因。

1 系统设计

区域CORS在线定位服务系统是基于Internet技术、以浏览器/服务器(Browser/Server, B/S)的架构进行设计的，其核心功能是利用CORS站长期观测的基准站数据通过网络向用户提供事后GNSS在线定位服务。用户通过浏览器将位于区域CORS内的测站观测数据上传至数据处理中心，系统选取距待定点最近的CORS站作为基准站进行数据处理计算待定点坐标，最后将解算结果通过email发送给用户。另外,从用户服务的角度出发，对系统进行完善，添加坐标转换、数据下载等辅助功能。

1.1 基本功能设计

1)用户登录模块。用户登录模块包括用户注册、登录、编辑、注销、查询等功能，这是在线定位系统的基础，只有注册用户才能够获取权限进行任务申请。

2)用户数据上传模块。注册用户可以登录系统进行数据上传，用户上传原始观测数据时需要填写接收机类型等必要的解算参数以及接收解算结果时的email地址，系统根据用户概略坐标选择距待定点最近的CORS站作为网平差基准站，确认信息无误后提交数据处理任务。

3)在线数据处理模块。系统以相对定位的方式对用户上传的数据进行处理，包括数据预处理、基线解算和网平差功能，此模块是基于TEQC和GAMIT/GLOBK软件运行的。

1.2 辅助功能设计

1)坐标转换模块。由于系统解算结果的参考坐标系统是WGS84坐标系统，多数CORS提供的是CGCS2000坐标系统成果，而用户更加关注在本地坐标系统中的位置，因此系统提供坐标转换功能[12]。用户提供待转换点的坐标信息和坐标系统信息，选择需要转换的坐标系统完成坐标转换。

2)文件格式转换模块。该模块功能主要包括数据合并、O文件转换等，方便用户将观测数据转换为合乎要求的格式进行上传。

3)数据下载模块。该模块是考虑用户进行线下数据解算而添加的，用户可以根据需要下载广播星历数据(N文件)、精密星历数据(SP3文件)、气象数据(M文件)等数据[10]。

4)高程转换模块。该模块和坐标转换模块的设计初衷相同，是方便用户将解算结果转换为地方高程系统添加的。系统根据用户提供的高程和高程系统信息，选择需要转换的高程系统完成高程转换[13]。

1.3 技术设计

在线数据服务系统提供的服务主要面向事后处理用户，实时性要求不高，选择Windows Server 2008操作系统作为在线定位服务系统的运行平台，负责数据处理的数据解算服务器布置在Linux系统下，二者通过数据服务器实现数据共享。为了提高系统的运作效率，将数据服务器和业务服务器相分离。由于数据服务器和业务服务器分离，数据库管理系统在能够保证两者数据同步的情况下可灵活选择，使用MySql数据库管理系统作为服务数据库。

在系统架构框架方面，采用B/S体系结构，逻辑上分为3个层次：表现层(Presentation)、逻辑层(Business Logic)和数据层(Data Service)。用户使用浏览器通过表现层向逻辑层提交请求，逻辑层根据请求查询数据层，经过处理后将结果通过表现层提交给用户[14]。服务器端集成了逻辑层和数据层，用户端只需要网络浏览器即可，这大大降低数据分发软件的维护成本和难度，提高服务的灵活性。系统技术设计如图1所示。

图1 系统技术设计图

2 系统实现

根据系统设计，结合山东省连续运行参考站系统观测数据，笔者基于.NET平台、使用ASP.NET和JAVA语言混合编程，研发出RCOPS系统，系统主界面如图2所示。用户任务申请可以分为数据上传、解算参数配置和数据处理3部分，具体内容如下。

图2 系统主界面

2.1 数据上传

用户要新建一个在线解算服务申请，首先需要上传观测数据文件(限定为RINEX格式文件)，之后系统读取待上传数据并让用户进行信息确认，包括接收机类型、天线类型、点位先验坐标等信息，信息确认后完成数据上传。

为节约服务器资源以及参照现有在线定位服务系统经验，限定每个数据服务申请所接受的观测数据文件不超过20个。对于一个观测点不同时段的观测文件，用户在上传时应首先进行数据合并，系统在数据处理时不能进行数据合并。

2.2 解算参数配置

用户完成数据上传后进入解算参数配置界面，需要填写的信息包括：参与联测的参考站、使用的星历类型、卫星截止高度角、接收解算成果的email地址。系统为每个参数都分配默认值，用户可以根据需要对默认值进行更改。

2.3 数据处理

数据处理环节是在线定位服务的核心，由数据解算服务器完成，处理过程的效率和结果精度直接影响系统的性能。数据处理包括数据预处理、基线解算、网平差和结果返回4个步骤。数据处理流程如图3所示。

图3 数据处理流程

1)数据预处理。调用TEQC软件进行数据质量检核，检查的指标包括多路径延迟、信噪比和电离层延迟，如果各项指标没有超限，则开始数据格式标准化，保证数据格式满足基线解算数据格式要求。

2)基线解算。解算服务器根据GAMIT程序的要求创建数据处理所需的各级文件夹，系统根据待处理数据的日期从数据库中提取需要的数据放入对应的文件夹中，数据库数据以“文件类型/年/月/年积日/文件名”的目录结构存放，系统根据文件类型和日期进行数据存取。根据用户的解算参数配置信息，生成解算配置文件和GAMIT命令，调用GAMIT软件对数据进行处理。

3)网平差。解算服务器调用GLOBK程序将基线解算步骤的输出文件作为输入文件，采用卡尔曼滤波算法估计测站坐标、站速度、卫星轨道等参数，然后提取网平差结果文件中的坐标信息，形成最终需要反馈给用户的处理结果。

4)结果返回。解算服务器根据用户填写的电子邮件地址将数据处理结果采取加密措施后通过电子邮件发送给用户。用户也可以重新登录系统，在用户服务记录中查看解算结果和结果分析(多路径效应延迟、信噪比、可降水汽等信息)。

3 数据测试与分析

为了保证系统处理的精度满足设计精度要求，笔者对RCOPS系统进行精度测试，测试数据为山东省内连续运行参考站观测数据。

图4 SC01点与联测基准站位置

选取山东省区域内连续运行参考站SC01，将SC01站2012年001-030 d 24 h采样间隔为30 s的观测数据上传至系统并提交解算任务(SC01站距基准站平均距离为51 km，如图4所示)，取得站点坐标结果，作为第一种解算方式。采用的基线解算和网平差策略如下：基线处理模式BASELINE，批处理迭代方案1-ITER，观测值组合类型LC_AUTCLN，精密星历类型为最终星历，投影函数类型GMF，网平差固定站为基准站(下文解算策略均与此相同)。同时以SC01站附近3个IGS站(BJFS、WUHN、SHAO，SC01点距IGS站平均距离为556 km)作为基准站进行数据处理，取得SC01站坐标结果，作为第二种解算方式。选取SDCORS站与IGS站联合解算结果的周解(2012001-2012007，固定站为BJFS、WUHN和SHAO)作为坐标真值，与上述两种解算方式获得的结果进行对比。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别为X，Y，Z方向两种解算方式坐标结果与坐标真值之差绝对值的时间序列图，表1为两种解算方式结果的残差统计分析。

图5 SC01点两种解算方式坐标结果与真值差值绝对值对比

表1 两种解算方式结果残差统计分析 mm

从图5可以看出，当参与解算的基准站为CORS站时，SC01点的坐标结果与真值差值绝对值很小，在XYZ方向上均保持在2 mm以内；当参与解算的基准站为IGS站时，SC01点的坐标结果与真值差值较大。从表1的残差统计分析可以看出，当参与解算的基准站为CORS站时，站点点位误差在XYZ方向上均小于2 mm，残差平均值趋于0，波动幅度较小；当参与解算的基准站为IGS站时，坐标残差在XYZ方向上均大于使用CORS站作为基准站的结果残差，残差平均值均不在0附近，并且波动幅度较大。结合图5与表1的信息，得到：

1)使用CORS站作为基准站参与解算的点位精度明显高于使用IGS站作为基准站的点位精度，且差值波动幅度小，这与未知点与基准站的距离越远误差越大的原理吻合；

2)由于GAMIT基线解算采用双差处理模式且解算策略中观测值组合类型是LC无电离层组合，因此数据处理时大部分系统误差如接收机钟差、卫星钟差、电离层误差均已被消除，只有对流层误差没有被消除。当参与解算的基准站为CORS站时，由于未知点与基准站的距离较近，测站间对流层误差具有较强相关性，通过站间求差及模型改正对流层误差得到消除，坐标误差以随机误差形式出现；当参与解算的基准站为IGS站时，由于未知点与基准站的距离过大，测站间对流层误差相关性差，站间求差和模型改正不能有效消除对流层误差，坐标误差以系统误差的形式出现，具有一定的规律性；

3)基于区域CORS的在线定位服务系统解算结果内符合精度达到毫米级，能够满足用户各种精度的定位要求。

4 结束语

针对目前国内大多数区域CORS系统观测成果利用率低的问题，作者研发基于GAMIT/GLOBK软件的RCOPS系统，为用户提供在线定位服务，提高CORS成果的利用率。通过数据测试可知，使用CORS站作为基准站进行基线解算的定位精度高于使用IGS站作为基准站进行基线解算的定位精度，点位内符合精度在1 cm以内，验证了区域CORS在线定位系统自动化、高精度的优势。

[1] 李健，吕志平.基于CORS的卫星定位在线服务系统[J].测绘通报，2007(8)：40-44.

[2] DAWSON J，GOVIND R，MANNING J，et al. The AUSLIG on-line GPS processing system[J]. AUSPOS Proceedings of Satnav，2001，7(4)：52-57.

[3] SCOUT.ScrippsCoordinateUpdateTool(SCOUT)[EB/OL].[2016-11-3].http//sopac.ucsd.edu./scout.shtml

[4] OPUS. The National Geodetic Survey Operates the On-line Positioning User Service (OPUS) [EB/OL]. [2016-11-3]http://www.ngs.noaa.gov/OPUS/about.jspJHJabout

[5] 张彩红，聂桂根，熊熊，等.基于Internet的GPS数据自动处理系统的研究[J].测绘通报，2007(8)：26-28.

[6] 金蕾，胡友健，梁新美.GPS在线数据处理软件的精度分析[J].地理空间分析，2007(2)：85-87.

[7] GHODDOUSI-FARD R，DARE P.Online GPS processing services: an initial study[J]. GPS Solut，2006(10):12-20.

[8] STONE W. The Evolution of the National Geodetic Survey's Continuously Operating Reference Station Network and Online Positioning User Service[C]// Position, Location, And Navigation Symposium, 2006 IEEE/ION. IEEE, 2006:653-663.

[9] 刘智敏，窦世标，熊卫东，等.区域CORS数据自动化处理系统建设[J].全球定位系统，2016(4)：70-76.

[10] 刘智敏，黄超，窦世标，等.IGS产品批量、定时、自动下载软件设计与实现[J].全球定位系统，2016(2)：110-114.

[11] 杜珺，刘新，熊卫东等.区域CORS数据库管理信息系统的设计与实现[J].全球定位系统，2015(5)：102-106.

[12] 陈豪，李剑，杨华先，等.CORS服务中在线坐标转换系统的设计与实现[J].测绘通报，2012(10)：48-50.

[13] 杜向锋，张兴福，张永毅. CORS测量成果转换的一步法及其精度分析[J].测绘通报，2015(7)：23-26.

[14] 李健.卫星定位连续运行参考站网的系统架构及软件体系设计[D].郑州：信息工程大学，2007.