基于北斗的多基站离岸CORS网设计与实现
王超+黄杰
摘要：基于网络RTK技术组建的CORS网已逐步成为定位服务的热点，本文根据实际工作，详细阐述本单位基于北斗系统的多基站离岸CORS网组建过程，并通过实际应用案例验证了本系统定位精准，运行稳定可靠，运用前景广泛。
关键词：CORS 定位服务
1 前言
1.1 CORS概述
随着GPS技术的飞速进步和应用普及，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）已成为城市GPS应用的发展热点之一。它由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与数据处理中心之间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络[1]。
CORS能够全年365天，每天24小时连续不断地运行，全面取代常规大地测量控制网。用户只需一台GNSS接收机即可进行毫米级、厘米级、分米级、米级的实时、准实时的快速定位、事后定位。全天候地支持各种类型的GNSS测量、定位、变形监测和放样作业。可满足覆盖区域内各种地面、空中和水上交通工具的导航、调度、自动识别和安全监控等功能，服务于高精度中短期天气状况的数值预报、变形监测、地震监测、地球动力学等。CORS应用前景广泛， 是城市信息化的重要组成部分。
1.2 CORS发展概况
1.2.1 国外发展概况
在欧美等发达国家，CORS的研究和建设较早，研究目标主要集中在基础设施的建设、系统自动化管理、数据采集与分发、基于网络的GPS定位技术的开发等方面，技术水平处于领先地位。其中美国主要有三个大的CORS网络系统，分别是国家CORS网络、合作CORS网络和加利佛尼亚CORS网络，通过网站向全球用户提供国家CORS网络基准站坐标和GPS卫星跟踪观测站数据。
在亚洲，日本已建成近1 200个GPS连续运行站网的综合服务系统——GeoNet（GPS Earth Observation Network）。它在以监测地壳运动地震预报为主要功能的基础上，结合大地测量部门、气象部门、交通管理部门开展GPS实时定位、差分定位、GPS气象学、车辆监控等服务。
1.2.2 国内发展概况
在我国，国家测绘局从1993年开始着手建立国内永久性GPS跟踪站，用于定轨、精密定位和地球动力学监测。随着国民经济的不断发展，我国许多省份、城市也已经建成类似的连续运行网络服务系统，比如深圳连续运行卫星定位服务系统、武汉市连续运行卫星定位服务系统、江苏省连续运行卫星定位服务系统等等，还有更多的城市和行业正在着手筹建，连续运行参考站网络系统的建设高潮正在到来。
2 离岸北斗CORS网的设计
2.1设计原理
网络RTK技术，与常规GPS RTK技术相比较，无论是在作业范围、测量精度、高效性和可靠性方面，都有巨大改进，目前比较常用的有虚拟参考站（VRS）技术、德国徕卡的主辅站（MAC）技术、区域改正参数（FKP）技术和综合误差内插法技术等，本单位组建的CORS网采用的是VRS技术。
虚拟参考站（VRS）技术，基本原理就是各固定参考站将所有原始数据通过通讯链路发送给数据处理中心，数据处理中心实时接收并解算出参考站间的整周模糊度和与测站相关的（或与空间相关的）误差改正数。流动站用户在需要定位时通过GSM＼CDMA向数据处理中心发送概略坐标。数据处理中心在接收到用户概略坐标后，利用固定参考站的精确坐标和实时观测数据对用户概略坐标处进行误差建模，虚拟出该处的误差改正数，并按RTCM格式播发给流动站用户，效果相当于在流动站附近生成一个虚拟的参考基站，从而解决RTK作业距离限制问题，并保证精度均匀。原理如图1所示。
2.2 参考站布设及组网
本单位建设的离岸北斗CORS网主要是应用于海事管理和航海保障，应用对象多为海上用户，所以参考站选址在鸡骨礁、大戢山、横沙、芦潮港四处，覆盖上海港附近海域，如图2所示。系统可为网内2 000余平方千米范围内（图2红线范围）提供厘米级精度的差分定位服务；为网外各边延伸15千米范围之内（图2蓝线范围）提供分米级差分定位服务；为各参考站35千米范围之内（图2绿线范围）提供广播式米级精度差分定位服务。
2.3 数据处理中心功能设计
数据处理中心是整个CORS网的核心单元，主要由参考站网管理系统、数据处理分析系统和产品服务系统组成[2]，设立在本单位中心机房，与各固定参考站通过专用网络连接。在功能模块设计上，主要分为数据获取软件和数据处理软件，如图3所示。
实现以下功能：
1. 数据处理：包括数据分析、数据分流、数据同步、数据解算、生成标准格式差分信息、数据管理等。
2. 系统监控：包括远程管理各参考站设备、监测设备运行完好性、通讯链路安全管理、故障诊断与恢复等功能。
3. 信息服务：通过GSM、Internet等方式向各类用户提供导航定位等数据服务。
4. 用户管理：包括用户登记、注销、查询、权限管理、使用情况报表生成等。
3 离岸北斗CORS网的实现
3.1参考站网建设
参考站由机房、接收机、天线、不间断电源、网络设备、机柜、计算机和雷电防护等设备组成，如图4 所示，主要负责卫星定位跟踪、采集、记录和将数据传输到数据处理中心。参考站建设是CORS建设中工程量最大、要求较高的基础设施建设，本单位从选址到基建、设备安装调试，全部严格按照有关技术规范进行，确保系统运行的可靠性和稳定性。
图4 参考站建设示意图
3.2数据处理中心建设
数据处理中心由一系列的服务器、存储设备和防火墙、交换机等网络设备组成，包括数据管理服务器、计算服务器、Web服务器、FTP服务器、数据库服务器、文件服务器、磁盘阵列。其中数据管理服务器负责管理数据和将数据分流存储到数据库或者文件服务器；计算服务器负责位置解算等相关服务；Web服务器负责提供基于B/S的数据浏览、下载等相关服务；FTP服务器负责提供数据的上传和下载服务；数据库服务器负责提供数据的存储和访问服务；文件服务器和磁盘阵列负责提供数据的存储和备份服务。数据处理中心设立在上海海事测绘中心机房，对各设备进行了防雷防静电处理，同时还做了安装防火墙、端口映射、病毒防护和入侵检测等安全策略，确保系统的安全性。
3.3数据传输系统建设
数据传输系统是连接各参考站和数据处理中心的纽带，主要用以传递参考站的原始数据。由于本单位建设的参考站有两个位于海岛上，与常规CORS网相比通信链路建设难度较大。综合分析现有的通信方式后，我们选择采用SDH专线通信技术与微波通信技术相结合的方式来组网，解决海上数据传输难题，如图5所示。
鸡骨礁和大戢山参考站的数据首先通过微波通信技术传递到横沙岛和芦潮港参考站，然后再通过SDH专线传递到数据处理中心，数据延迟时间小于200ms，满足软件对数据实时性的要求。
3.4数据播发系统建设
在数据播发系统建设上，我们采用了通过GSM＼GPRS移动网络、因特网的方式向用户播发定位导航数据，用户可以通过不同业务需求采取相应的联网方式，如图6所示。
图6 数据播发系统示意图
3.5系统测试
在系统建设完成后我们从定位精度、系统运行稳定性、系统可用性等角度对系统进行了性能测试。
3.5.1 定位精度测试
我们对CORS网覆盖范围内的陆地部分，以四个参考站连线向外扩展15km为范围，共选择了9个具有代表性的坐标已知的测试点，对CORS定位精度进行了测试，如图7所示。这些测试点为二、三等GPS控制点，均具有较高的精度，且分布较均匀。
在测试过程中，我们将CORS接收机架设在测试点的强制对中器上，进行实时星历采集，采样间隔为1s，每个测试点各采集三次，每次五分钟300个历元，并记录测试数据。然后对数据进行统计分析，并与测试点已知坐标进行比对，得到实时定位的内、外符合精度。测试结果如图表1所示：
图表1 精度测试结果
从测试结果可以看出，在CORS网及向外扩展15km范围内，实时定位精度可以控制在厘米级，内、外符合精度均符合设计指标要求。
3.5.2 系统稳定性测试
我们从以下几个方面对系统进行了稳定性测试：1.数据处理中心、参考站在无人值守情况下长时间连续运行能力；2.系统、设备重启后能否自动进入工作状态；3.网络、服务器负载能力。测试结果表明，系统运行稳定可靠。
3.5.3 系统可用性测试
在系统可用性上，我们通过时间可用性、空间可用性及用户设备兼容情况来进行测试。
1. 时间可用性：我们在CORS网覆盖范围内选择了一已知GPS控制点，进行24h的静态测试，采样间隔1s。实际测试共采样时间86 424s，理论应采样数86 424，实际采样数84 236，采样未超差观测值数83 263，采样比例为97.47%，采样合格比例为98.84%，合格率大于95%，时间可用性合格。
2. 空间可用性：在陆地上，我们选取了不同距离段的多个已知GPS控制点，对系统进行拉距测试。测试结果表明，在满足定位精度要求的情况下，系统最远可覆盖到周边25km处。在海面上，我们则通过船载设备进行动态测试。船舶在海面上高速行驶，不但测得了在动态条件下CORS定位的稳定性及抗粗差能力，还测出CORS网在海区的可用范围。
3. 用户设备兼容情况：我们选用司南和华测两家公司多种型号的CORS接收机，对CORS网进行了测试，检查系统的性能情况。测试结果表明，参与测试的各型号接收机均能正常使用本单位系统。
4 CORS网使用案例
在本单位离岸北斗CORS网建设完成后，组织实施了一次自升式钻井平台高精度站桩定位工程。该工程是受外高桥造船有限公司委托，要求本单位辅助拖航公司导航定位，将他们最新修造的JU2000E型自升式钻井平台从外高桥造船有限公司码头拖至临港码头预设位置，设计定位精度要求优于5cm。
由于海上作业钻井平台始终处于运动状态，这就要求定位数据实时更新速度必须快。同时平台上部件较多，各桩脚之间通视情况差，使用全站仪等常规定位手段根本无法满足用户需求。我们遂采用CORS技术，在平台特定位置上架设CORS接收机，通过定制的软件实时显示平台动态，用可视化界面引导指挥平台拖航作业，最终成功完成钻井平台高精度站桩作业，如图8所示。
图8 平台站桩定位作业
本次案例的成功实施，充分体现了本单位CORS网定位精度高，数据更新及时，系统运行稳定，作业不受天气、时间、地形影响等特点，同时也反映了CORS网将在高精度的海洋工程作业中发挥越来越多的作用。
5 结束语
通过对系统各方面的综合测试，本单位建设的北斗多基站离岸CORS网在覆盖范围、定位精度、系统可用性、完好性等各项技术指标上均符合或优于设计方案要求，目前已经顺利通过验收，进入正式运行阶段。作为专业服务于海洋领域的高精度定位系统，本系统具有广阔的应用前景，也将更好地服务于蓝色海洋经济，助推海洋发展战略。
摘要：基于网络RTK技术组建的CORS网已逐步成为定位服务的热点，本文根据实际工作，详细阐述本单位基于北斗系统的多基站离岸CORS网组建过程，并通过实际应用案例验证了本系统定位精准，运行稳定可靠，运用前景广泛。
关键词：CORS 定位服务
1 前言
1.1 CORS概述
随着GPS技术的飞速进步和应用普及，利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统（Continuous Operational Reference System，缩写为CORS）已成为城市GPS应用的发展热点之一。它由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与数据处理中心之间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络[1]。
CORS能够全年365天，每天24小时连续不断地运行，全面取代常规大地测量控制网。用户只需一台GNSS接收机即可进行毫米级、厘米级、分米级、米级的实时、准实时的快速定位、事后定位。全天候地支持各种类型的GNSS测量、定位、变形监测和放样作业。可满足覆盖区域内各种地面、空中和水上交通工具的导航、调度、自动识别和安全监控等功能，服务于高精度中短期天气状况的数值预报、变形监测、地震监测、地球动力学等。CORS应用前景广泛， 是城市信息化的重要组成部分。
1.2 CORS发展概况
1.2.1 国外发展概况
在欧美等发达国家，CORS的研究和建设较早，研究目标主要集中在基础设施的建设、系统自动化管理、数据采集与分发、基于网络的GPS定位技术的开发等方面，技术水平处于领先地位。其中美国主要有三个大的CORS网络系统，分别是国家CORS网络、合作CORS网络和加利佛尼亚CORS网络，通过网站向全球用户提供国家CORS网络基准站坐标和GPS卫星跟踪观测站数据。
在亚洲，日本已建成近1 200个GPS连续运行站网的综合服务系统——GeoNet（GPS Earth Observation Network）。它在以监测地壳运动地震预报为主要功能的基础上，结合大地测量部门、气象部门、交通管理部门开展GPS实时定位、差分定位、GPS气象学、车辆监控等服务。
1.2.2 国内发展概况
在我国，国家测绘局从1993年开始着手建立国内永久性GPS跟踪站，用于定轨、精密定位和地球动力学监测。随着国民经济的不断发展，我国许多省份、城市也已经建成类似的连续运行网络服务系统，比如深圳连续运行卫星定位服务系统、武汉市连续运行卫星定位服务系统、江苏省连续运行卫星定位服务系统等等，还有更多的城市和行业正在着手筹建，连续运行参考站网络系统的建设高潮正在到来。
2 离岸北斗CORS网的设计
2.1设计原理
网络RTK技术，与常规GPS RTK技术相比较，无论是在作业范围、测量精度、高效性和可靠性方面，都有巨大改进，目前比较常用的有虚拟参考站（VRS）技术、德国徕卡的主辅站（MAC）技术、区域改正参数（FKP）技术和综合误差内插法技术等，本单位组建的CORS网采用的是VRS技术。
虚拟参考站（VRS）技术，基本原理就是各固定参考站将所有原始数据通过通讯链路发送给数据处理中心，数据处理中心实时接收并解算出参考站间的整周模糊度和与测站相关的（或与空间相关的）误差改正数。流动站用户在需要定位时通过GSM＼CDMA向数据处理中心发送概略坐标。数据处理中心在接收到用户概略坐标后，利用固定参考站的精确坐标和实时观测数据对用户概略坐标处进行误差建模，虚拟出该处的误差改正数，并按RTCM格式播发给流动站用户，效果相当于在流动站附近生成一个虚拟的参考基站，从而解决RTK作业距离限制问题，并保证精度均匀。原理如图1所示。
2.2 参考站布设及组网
本单位建设的离岸北斗CORS网主要是应用于海事管理和航海保障，应用对象多为海上用户，所以参考站选址在鸡骨礁、大戢山、横沙、芦潮港四处，覆盖上海港附近海域，如图2所示。系统可为网内2 000余平方千米范围内（图2红线范围）提供厘米级精度的差分定位服务；为网外各边延伸15千米范围之内（图2蓝线范围）提供分米级差分定位服务；为各参考站35千米范围之内（图2绿线范围）提供广播式米级精度差分定位服务。
2.3 数据处理中心功能设计
数据处理中心是整个CORS网的核心单元，主要由参考站网管理系统、数据处理分析系统和产品服务系统组成[2]，设立在本单位中心机房，与各固定参考站通过专用网络连接。在功能模块设计上，主要分为数据获取软件和数据处理软件，如图3所示。
实现以下功能：
1. 数据处理：包括数据分析、数据分流、数据同步、数据解算、生成标准格式差分信息、数据管理等。
2. 系统监控：包括远程管理各参考站设备、监测设备运行完好性、通讯链路安全管理、故障诊断与恢复等功能。
3. 信息服务：通过GSM、Internet等方式向各类用户提供导航定位等数据服务。
4. 用户管理：包括用户登记、注销、查询、权限管理、使用情况报表生成等。
3 离岸北斗CORS网的实现
3.1参考站网建设
参考站由机房、接收机、天线、不间断电源、网络设备、机柜、计算机和雷电防护等设备组成，如图4 所示，主要负责卫星定位跟踪、采集、记录和将数据传输到数据处理中心。参考站建设是CORS建设中工程量最大、要求较高的基础设施建设，本单位从选址到基建、设备安装调试，全部严格按照有关技术规范进行，确保系统运行的可靠性和稳定性。
图4 参考站建设示意图
3.2数据处理中心建设
数据处理中心由一系列的服务器、存储设备和防火墙、交换机等网络设备组成，包括数据管理服务器、计算服务器、Web服务器、FTP服务器、数据库服务器、文件服务器、磁盘阵列。其中数据管理服务器负责管理数据和将数据分流存储到数据库或者文件服务器；计算服务器负责位置解算等相关服务；Web服务器负责提供基于B/S的数据浏览、下载等相关服务；FTP服务器负责提供数据的上传和下载服务；数据库服务器负责提供数据的存储和访问服务；文件服务器和磁盘阵列负责提供数据的存储和备份服务。数据处理中心设立在上海海事测绘中心机房，对各设备进行了防雷防静电处理，同时还做了安装防火墙、端口映射、病毒防护和入侵检测等安全策略，确保系统的安全性。
3.3数据传输系统建设
数据传输系统是连接各参考站和数据处理中心的纽带，主要用以传递参考站的原始数据。由于本单位建设的参考站有两个位于海岛上，与常规CORS网相比通信链路建设难度较大。综合分析现有的通信方式后，我们选择采用SDH专线通信技术与微波通信技术相结合的方式来组网，解决海上数据传输难题，如图5所示。
鸡骨礁和大戢山参考站的数据首先通过微波通信技术传递到横沙岛和芦潮港参考站，然后再通过SDH专线传递到数据处理中心，数据延迟时间小于200ms，满足软件对数据实时性的要求。
3.4数据播发系统建设
在数据播发系统建设上，我们采用了通过GSM＼GPRS移动网络、因特网的方式向用户播发定位导航数据，用户可以通过不同业务需求采取相应的联网方式，如图6所示。
图6 数据播发系统示意图
3.5系统测试
在系统建设完成后我们从定位精度、系统运行稳定性、系统可用性等角度对系统进行了性能测试。
3.5.1 定位精度测试
我们对CORS网覆盖范围内的陆地部分，以四个参考站连线向外扩展15km为范围，共选择了9个具有代表性的坐标已知的测试点，对CORS定位精度进行了测试，如图7所示。这些测试点为二、三等GPS控制点，均具有较高的精度，且分布较均匀。
在测试过程中，我们将CORS接收机架设在测试点的强制对中器上，进行实时星历采集，采样间隔为1s，每个测试点各采集三次，每次五分钟300个历元，并记录测试数据。然后对数据进行统计分析，并与测试点已知坐标进行比对，得到实时定位的内、外符合精度。测试结果如图表1所示：
图表1 精度测试结果
从测试结果可以看出，在CORS网及向外扩展15km范围内，实时定位精度可以控制在厘米级，内、外符合精度均符合设计指标要求。
3.5.2 系统稳定性测试
我们从以下几个方面对系统进行了稳定性测试：1.数据处理中心、参考站在无人值守情况下长时间连续运行能力；2.系统、设备重启后能否自动进入工作状态；3.网络、服务器负载能力。测试结果表明，系统运行稳定可靠。
3.5.3 系统可用性测试
在系统可用性上，我们通过时间可用性、空间可用性及用户设备兼容情况来进行测试。
1. 时间可用性：我们在CORS网覆盖范围内选择了一已知GPS控制点，进行24h的静态测试，采样间隔1s。实际测试共采样时间86 424s，理论应采样数86 424，实际采样数84 236，采样未超差观测值数83 263，采样比例为97.47%，采样合格比例为98.84%，合格率大于95%，时间可用性合格。
2. 空间可用性：在陆地上，我们选取了不同距离段的多个已知GPS控制点，对系统进行拉距测试。测试结果表明，在满足定位精度要求的情况下，系统最远可覆盖到周边25km处。在海面上，我们则通过船载设备进行动态测试。船舶在海面上高速行驶，不但测得了在动态条件下CORS定位的稳定性及抗粗差能力，还测出CORS网在海区的可用范围。
3. 用户设备兼容情况：我们选用司南和华测两家公司多种型号的CORS接收机，对CORS网进行了测试，检查系统的性能情况。测试结果表明，参与测试的各型号接收机均能正常使用本单位系统。
4 CORS网使用案例
在本单位离岸北斗CORS网建设完成后，组织实施了一次自升式钻井平台高精度站桩定位工程。该工程是受外高桥造船有限公司委托，要求本单位辅助拖航公司导航定位，将他们最新修造的JU2000E型自升式钻井平台从外高桥造船有限公司码头拖至临港码头预设位置，设计定位精度要求优于5cm。
由于海上作业钻井平台始终处于运动状态，这就要求定位数据实时更新速度必须快。同时平台上部件较多，各桩脚之间通视情况差，使用全站仪等常规定位手段根本无法满足用户需求。我们遂采用CORS技术，在平台特定位置上架设CORS接收机，通过定制的软件实时显示平台动态，用可视化界面引导指挥平台拖航作业，最终成功完成钻井平台高精度站桩作业，如图8所示。
图8 平台站桩定位作业
本次案例的成功实施，充分体现了本单位CORS网定位精度高，数据更新及时，系统运行稳定，作业不受天气、时间、地形影响等特点，同时也反映了CORS网将在高精度的海洋工程作业中发挥越来越多的作用。
5 结束语
通过对系统各方面的综合测试，本单位建设的北斗多基站离岸CORS网在覆盖范围、定位精度、系统可用性、完好性等各项技术指标上均符合或优于设计方案要求，目前已经顺利通过验收，进入正式运行阶段。作为专业服务于海洋领域的高精度定位系统，本系统具有广阔的应用前景，也将更好地服务于蓝色海洋经济，助推海洋发展战略。
