Practice and discussion on integration transformation of satellite positioning continuous operation reference station network in Hefei
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摘要: 为了更好地服务于自然资源和规划，建立合肥市统一的卫星定位连续运行参考站(CORS)．针对当前合肥市三套卫星定位CORS独立运行、基准框架和服务标准不统一的问题，从基准站深度融合建设、系统软硬件升级、现有软硬件的兼容性、组网设计和CORS基准框架坐标联测与扩展服务的实践展开探讨. 综合运用了多种共享融合技术，通过外业实测验证方法的正确性和可行性，对城市CORS融合改造具有很好的借鉴意义.
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关键词:
- 连续运行参考站 (CORS) /
- 基准站 /
- 融合改造 /
- 升级 /
- 共享
Abstract: Aiming at the problem that three sets of continuously operating reference stations (CORS) systems in Hefei operate independently and the benchmark framework and service standards are not unified, A unified satellite positioning continuous operation benchmark station network in Hefei is established in order to serve natural resources and planning better. This paper discusses the deep integration construction of reference station, the upgrading of system software and hardware, the compatibility with existing software and hardware, networking design, and the practice of CORS benchmark framework coordinate joint measurement and expansion service. A variety of shared integration technologies are comprehensively used to verify the correctness and feasibility of the method through field measurement, which has a good reference significance for the integration transformation of urban CORS. -
0. 引 言
卫星定位连续运行参考站 (CORS)是提供城市高精度时空基准的重要基础设施[1]. 合肥市范围内有三套CORS资源：一是2010年原合肥市国土资源局组织分期建设的“合肥市国土卫星定位综合服务系统”（简称国土CORS）；二是2007年合肥市测绘设计研究院组织建设的“合肥市卫星定位综合服务系统”（简称规划CORS）；三是2013年安徽省测绘局组织建设的“安徽省卫星定位综合服务系统”（简称安徽CORS）.
由于上述三套CORS系统的建设隶属于不同部门，管理不统一、数据不共享、技术服务多样[2]，造成数据和服务资源共享的技术障碍. 另外，各系统涉及的软硬件、站点分布、标准和规格等均有所不同，部分基准站还存在站址重复、设备故障以及不支持北斗卫星导航定位系统（BDS）等问题.
为了满足合肥市城镇土地变更调查和地理空间框架更新的建设需求，完成合肥市卫星定位连续运行基准站网（简称合肥市CORS）的融合改造，由合肥市自然资源和规划局组织、合肥市测绘设计研究院实施，开展2020—2022年为期3年的合肥市CORS升级改造与维护项目. 本文从合肥市CORS融合改造的实践出发，针对实施的技术难点进行研究和探讨，可为省市级CORS组网互联互通提供参考.
1. 合肥市基准站简介
合肥市范围内目前共分布有27座基准站，现状和分布情况如表1和图1所示. 按照建设所属统计：国土CORS共17座，位于各乡镇国土所，现由合肥市自然资源和规划局委托合肥市测绘设计研究院进行维护，均为楼顶站；规划CORS共4座，由合肥市测绘设计研究院自行选址、建设和维护，均为楼顶站；安徽CORS共6座，站址大多位于各县市气象局，由安徽省基础测绘信息中心负责维护，多为地面站. 2020年初，安徽CORS率先完成了全省基准站接收机的硬件升级，升级后基准站设备为徕卡GR50接收机和AR25天线.
表 1 合肥市CORS基准站现状比较基准站 站点数/座 站网范围 数据中心软件 接收机型号 天线型号 平均网间距/km 存在问题 国土CORS 17 全市范围 南方NRS 南方NET S8+ CR3-G3 33 设备可用性、部分接收机不支持BDS 规划CORS 4 市域约3 000 km2 拓普康TopNET 拓普康Odyssey-RS CR3 47 覆盖范围较小、双星设备、
受GPS周翻转影响无法正常使用安徽CORS 6 全省范围 徕卡Spider 徕卡GR50 AR25 55 站点分布不均匀、网间距较大 2. 改造原则
合肥市CORS升级改造是以国土CORS为主导，按照统筹设计、基准框架统一、资源共享和服务标准统一的原则，通过升级、接入、取消、合并等融合手段，将国土CORS、规划CORS和安徽CORS的部分站点融为一套城市CORS 系统. 按照“一网多用”、“一网共用”的设计要求确保国土子网和规划子网既可以分开使用又能融合使用. 在业务使用方面，分别满足国土和规划部门对业务管理和功能应用的需求. 在站点分布方面，侧重于城市建设的发展需要. 在测绘基准方面，通过坐标联测等技术手段，实现基准站与城市地方坐标基准的统一.
3. 技术难点分析
区别于较简单的独立建网方式[3]，本项目可用资源较为繁杂，主要有以下难点：
1）由于各站建成年代较早，运行状况均不尽相同，如何准确评估各站址的可用性；
2）如何实现三套CORS资源之间的通信网络互联和数据共享，解决国土CORS、规划CORS和安徽CORS基准站部分站点的深度融合；
3）如何设计升级改造后的基准站组网，兼顾考虑未升级改造站、旧硬件设备的利用和站址重叠等；
4）建立和维持2000国家大地坐标系(CGCS2000)和地方参心坐标系，使合肥市CORS与国家基准相一致，同时建立起地方参心坐标系与国家坐标基准的联系.
4. 融合改造实施过程
4.1 站点可用性的评估
4.1.1 数据质量指标
基于2020年6月和2021年8月各站点的观测数据，采用TEQC和Spider QC两种数据质量分析软件[4]对观测数据的有效率、观测卫星数、多路径效应、周跳数、信噪比等指标进行分析．经评估，所有站点各项数据质量指标均满足规范[5]要求.
4.1.2 站点稳定性分析
根据自然资源大地测量数据处理中心对2020-06-10—07-10基准站坐标联测的解算结果，与各站点原有CGCS2000坐标系成果进行比较得到：水平方向点位中误差为1.4 cm，最大较差2.2 cm，高程方向点位中误差为2.5 cm，最大较差4.0 cm，考虑到不同起算策略、解算周期等原因造成的系统误差，说明各站点相对稳定.
4.1.3 站点网络性能分析
各基准站与数据处理中心之间采用物联网专网专用APN技术构建数据专网传输网络，根据站点升级计划同步进行专线网络建设. 基于2021年3月其中18条基准站数据专线网络性能测试结果，平均网络延迟约2 ms，最大网络延迟6 ms，站点网络性能优异.
4.1.4 站点优化设计
因场地租赁、站址重叠等问题，国土CORS取消了原国土长丰站和国土巢湖站，规划CORS取消了朱巷站，其他站点租赁场地均正常托管. 同时与安徽省测绘局签订了基准站数据共享协议，共享了安徽CORS的长丰站、巢湖站和庐江站.
4.2 系统软硬件设备升级
4.2.1 数据中心软件升级
软件升级均采用徕卡基于主辅站改正（MAX）技术的Spider软件，最新的7.7版软件可支持所有BDS在轨卫星（伪随机噪声(PRN)＞63）. 规划数据处理中心运行一套徕卡SpiderNET软件，国土数据处理中心同时运行徕卡SpiderNET和南方NRS两套数据处理中心软件.
4.2.2 基准站设备升级
为解决表1中国土CORS和规划CORS存在的问题，通过2020—2021年的分批采购，完成了7座国土CORS（肥东站、肥西站、岗集站、造甲站、山南站、郭河站和坝镇站）和4座规划CORS（测绘大厦站、官亭站、八斗站和长临河站）北斗化升级改造，改造后接收机可支持所有BDS在轨卫星. 规划CORS由拓普康Odyssey-RS双星接收机和CR3天线升级为徕卡GR50接收机和AR25天线. 为保证国土CORS南方NRS数据中心系统作为国产系统的正常独立运行，国土CORS采用“一线双机”的接入模式[6]. 另外8座暂未升级的基准站仍使用南方NET S8+接收机和CR3-G3天线接入NRS软件中. 经测试，升级后基准站数据完整率提升了3%~4%，实时卫星数增加了3~4颗，抗多路径性能增强了3~4倍.
4.3 基准站组网的共享模式
不同系统中心间需要共享特定部分基准站的数据，需要一点对多点通信进行数据转发才能实现[6]. 本项目采用分组传送网络技术在国土CORS与规划CORS、规划CORS与安徽CORS系统中心之间分别建立了一条数据共享专线，实现了数据共享和网络互联. 合肥市CORS组网综合运用以下四种共享技术.
4.3.1 “一线双机”模式
国土CORS现已升级的7座基准站均采用功分器将AR25天线的数据流一分为二：一路接入原有接收机；一路接入升级后的GR50接收机，分别通过两条独立的数据专线接入原有NRS系统和升级后的国土Spider系统. 采用此模式的基准站有：国土CORS的肥东站、肥西站、岗集站、造甲站、山南站、郭河站和坝镇站.
4.3.2 CORS系统之间数据转发
安徽CORS长丰站、巢湖站和庐江站的数据首先汇总到安徽CORS数据处理中心，规划CORS通过与安徽CORS的数据共享专线，在Spider软件进行数据转发和接收，实现上述3座基准站数据的首次共享，再通过规划CORS与国土CORS的数据共享专线，同样步骤实现二次共享. 此外，国土CORS和规划CORS之间也进行了站点数据的共享. 采用此模式，国土CORS为规划CORS共享了造甲站、山南站、郭河站和坝镇站. 规划CORS为国土CORS共享了八斗站、官亭站、长临河站，为安徽CORS共享了官亭站、长临河站.
4.3.3 串口转换模式
对于数据稳定性要求较高的基准站，可采用MOXA模块进行串口转换，转换后线路一分为二，主路拥有接收机的全部权限，从路被动接收接收机设置分发的数据流. 采用此模式的基准站有：规划CORS八斗站、国土CORS肥东站、肥西站和岗集站.
4.3.4 IP地址桥接方法
实现CORS网络互联互通的主要协议是NTRIP协议[7]，由于国土CORS和规划CORS两套系统网络架构本质上属于两套独立的局域网，数据中心与彼此基准站之间无法连通，因此通过在国土服务器上进行IP地址桥接的方法进行网络集成，取得站点数据的共享权限. 如图2~4所示，通过配置接收机分发的实时数据流，规划CORS采用此共享方法“调用”了国土CORS造甲站、山南站、郭河站和坝镇站.
4.4 坐标基准的统一
为了保证基准站成果与国家最新基准的一致性，利用HAQS、AHBB、JSLS、ZJJD、AHAQ和WUHN 6座国家GNSS连续运行站作为起算[8]，获得基准站在CGCS2000坐标系下的三维地心坐标，而合肥市现行使用的还有1980西安坐标系、1954年北京坐标系，是通过坐标转换方法获得[9].
4.5 扩展服务
系统主要播发RTCM3.2 MSM4差分数据格式，授权用户可以通过伪加密参数进行实时坐标转换和似大地水准面精化模型的调用，获取所需的地方平面坐标和正常高. 用户管理系统依托于中国移动新一代物联网OneLink平台，方便对账户资费、SIM卡、停复机、流量池及机卡绑定等业务的管理. 此外，还可以提供事后高精度数据处理、用户日志分析、坐标转换等扩展服务.
5. 外业测试
图5为了验证合肥市CORS融合改造后国土子网和规划子网的运行性能，2021年8月，在系统覆盖范围内选取了22个高等级检查点进行实时动态(RTK)外业实测，结果表明：
1）系统内符合精度. 国土子网系统内符合精度：水平方向为0.2 cm，高程方向为0.5 cm；规划子网系统内符合精度：水平方向为0.3 cm，高程方向为0.7 cm.
2）系统外符合精度. 与检查点已有成果比较，国土子网外符合精度：水平方向为1.3 cm，高程方向为1.9 cm；规划子网系统外符合精度：水平方向为0.6 cm，高程方向为3.3 cm. 与规划子网实测结果比较，国土子网外符合精度：水平方向为1.1 cm，高程方向为1.7 cm.
3）系统可用性. 测试点位覆盖全市范围，均能快速得到固定解，平均初始化时间为11 s，最大时间为25 s.
通过国土子网和规划子网的比较测试表明，合肥市CORS升级改造后系统性能优异，各项指标均满足规范要求.
6. 结束语
合肥市CORS融合改造的建设与实施，实现了全市卫星定位CORS的深度融合与数据共享，彻底解决了合肥市长期以来不同CORS系统运行带来的诸多问题，达到了一网多用、一网共用的预期效果. 随着长三角区域基于BDS基准站网的跨区域组网的推进，以BDS为主体的合肥市CORS必将在合肥市乃至安徽省的城乡建设和社会发展中发挥更为重要的作用.
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表 1 合肥市CORS基准站现状比较
基准站 站点数/座 站网范围 数据中心软件 接收机型号 天线型号 平均网间距/km 存在问题 国土CORS 17 全市范围 南方NRS 南方NET S8+ CR3-G3 33 设备可用性、部分接收机不支持BDS 规划CORS 4 市域约3 000 km2 拓普康TopNET 拓普康Odyssey-RS CR3 47 覆盖范围较小、双星设备、
受GPS周翻转影响无法正常使用安徽CORS 6 全省范围 徕卡Spider 徕卡GR50 AR25 55 站点分布不均匀、网间距较大 
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[1] 肖建华, 李江卫, 郭际明, 等. 城市测绘基准[M]. 北京: 测绘出版社, 2016: 109. [2] 慕永灯. 区域CORS系统融合关键技术探究[J]. 北京测绘, 2019, 33(7): 816-819. [3] 姜卫平. 卫星导航定位基准站网的发展现状、机遇与挑战[J]. 测绘学报, 2017, 46(10): 1379-1388. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170424 [4] 王开锋, 王勇. GNSS数据质量检查工具TEQC与SpiderQC功能对比[J]. 测绘通报, 2018(6): 148-152. [5] 国家测绘地理信息局. 卫星导航定位基准站网测试技术标准: CH/T 2018-2018 [S]. 2018. [6] 程晓晖, 欧海平, 刘业光. 广州市CORS系统优化整合研究[J]. 测绘地理信息, 2018, 43(3): 17-19. [7] 袁鹏. 省级CORS组网技术研究与服务模式探讨[J]. 测绘通报, 2014(2): 16-19. [8] 王林. 基于连续运行基准站的首级控制网改造数据处理[J]. 城市勘测, 2021(3): 62-65. [9] 王林, 张伟. 合肥市CGCS2000坐标转换参数分区解算实践[J]. 城市勘测, 2021(2): 112-115. DOI: 10.3969/j.issn.1672-8262.2021.02.022 -
期刊类型引用(1)
1. 陈小军，匡志威，黄江雄，周晓卫. 基于北斗三号的长株潭CORS升级及系统测试分析. 城市勘测. 2024(06): 104-109 . 
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