郑凤娇，李江卫，白洁，李甜

(武汉市勘测设计研究院，湖北武汉 430022)

1 概述

CORS系统建设完成后，都面临着如何安全、高效、规范地对用户进行有效组织管理的问题，这不仅影响CORS系统的推广应用，更直接关系到地理信息服务市场的规范与数据安全。

目前，国内已建的区域性CORS系统大多采用Trimble的虚拟参考站(Virtual Reference Station，VRS)或Leica的主辅站(The Master-Auxiliary，MAX)技术而构建，其核心软件GPSNet或Spidernet可以实现部分用户管理和查询的功能。然而其操作繁琐、功能不强，且数据接口保密，使得CORS系统管理不能满足实际需要。许多已建CORS系统在管理工作中都存在以下主要问题:①管理员录入、修改、查询用户信息均需直接操作底层数据库，给系统软件正常运行带来安全隐患;②网络RTK软件采用Access构建底层数据库，不能有效识别用户(不能区分字母大小写)，无法满足网络化应用需求;③功能不完善，不能实现计费统计、图形数据加载、实时监控等功能;④无法根据用户和管理需求提供分级定位服务。

随着区域CORS系统基准站规模、用户数量、覆盖范围的不断扩大，商业软件存在的不足给系统的运营管理带来极大不便，不仅管理效率低下，而且难以保证系统的数据安全和不间断连续运行，直接影响了CORS系统的推广应用。本文以武汉城市圈连续运行卫星定位服务系统(Wuhan Metropolis Continuously Operating Reference Station，WHMCORS)为基础，研制开发了用户管理系统和CORSPLUS软件，实现了对注册用户的计时收费、实时监控、Web服务以及分级服务管理等功能，进一步完善了系统功能，推动了CORS系统的应用。

2 WHMCORS简介

WHMCORS系统设计基准站22个，覆盖武汉城市圈约5.8万km2。目前已建基准站10个，其中武汉市内6个，鄂州市、仙桃市、潜江市、天门市各1个，平均站间距56.4 km，覆盖面积约2.5万km2。系统注册用户数144个，已广泛应用于城市圈5市的城市规划、国土管理、市政施工、水利建设等领域。图1为WHMCORS基准站布设方案图。

图1 武汉城市圈CORS基准站布设方案

2.1 研发目标

WHMCORS用户管理系统的研发目标主要包括三个方面:一是开发实时、可视化管理子系统，实现在线用户的实时监控、历史轨迹回放、区域授权和分级管理等功能，并统计用户使用时间、流量以及资费状况;二是应用ASP.NET技术开发基于WebGIS的应用服务网络分发子系统，通过Internet实现用户在线状态、使用资费以及基准站静态观测数据下载服务;三是研发CORSPLUS软件模块，实现坐标转换参数保密、似大地水准面精化模型实时应用，保障系统数据安全和提高用户实时高程定位精度。

2.2 主要技术路线

在WHMCORS数据中心原有3台数据服务器的基础上，增加中间服务器，运行用户管理系统和CORSPLUS软件。原有的GPSNet1和GPSNet2为WHMCORS的双机热备份，运行GPSNet软件，实现CORS系统初始化、区域误差建模和用户差分改正信息的生成，保障系统为用户提供不间断实时定位服务;GPStream服务器实现各地基准站数据的实时采集、观测数据分发，并将CORSPLUS模块处理的差分数据按相应的用户NtripSource通过GPRS发送至用户。

系统整体结构采用浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)模式，客户端和中间服务器之间通过Internet(外网)采用http网络协议进行通信，中间服务器与GPStream之间通过局域网采用TCP/Socket进行数据交互。系统总体结构如图2所示。

图2 系统总体结构

系统分为三层体系结构，即用户界面层、业务逻辑层和数据访问层。系统体系架构如图3所示。

图3 系统体系架构图

用户界面层:采用ASP.NET构造应用处理程序，实现系统数据的Web分发服务，由ASP.NET的Web窗体和代码隐藏文件组成。Web窗体采用HTML(Hyper Text Markup Language，HTML)文件开发，供用户操作;而代码隐藏文件实现用户各种服务请求的响应和处理，完成Web服务器与用户浏览器端的数据交互功能。当客户端浏览器发出服务请求时，Web服务器用HTTP(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)协议将请求转至业务逻辑层，再将业务逻辑层的处理结果传给客户端，客户端接收并显示于其浏览器。

业务逻辑层:以Windows 2000 Server+IIS5.0作为业务逻辑层平台，采用ASP.NET构造数据应用处理程序。主要实现用户验证、区域授权、转换参数加密以及基于区域似大地水准面格网模型的实时高程处理等功能。业务逻辑层处理用户界面层的HTTP请求，并与GPSNet数据库进行动态连接和交互，即接受用户请求，并转发至GPSNet，最后将GPSNet生成信息反馈至用户界面层。

数据访问层:主要处理业务逻辑层与GPSNet软件之间的数据交互。

3 关键技术

WHMCORS用户管理系统和CORSPLUS软件研发过程中综合运用了WebGIS、数据库、网络通信等技术，其中的关键技术包括基于Ajax的地图发布、用户分区管理、似大地水准面格网模型的实时应用等。

3.1 基于Ajax的地图发布

Ajax全称为“Asynchronous JavaScript and XML”(异步JavaScript和XML)，是一种创建交互式应用的网页开发技术。Ajax技术之中，最核心的是XMLHttpRequest。XMLHttp Request为运行于浏览器中的JavaScript脚本提供了一种页面与服务器通信的手段。JavaScript可以在不刷新页面的情况下从服务器获取或提交数据，从而为用户提供更好的交互体验。

传统的WebGIS对于客户端提交的请求，多数采用实时计算模式。如ArcIMS地图发布平台下，客户端首先提交地图请求，并通过ArcXML向服务器传递请求;服务器端接收客户提交的各项参数，实时计算生成客户请求的图形，最后再通过ArcXML反馈给客户端。为克服该模式存在的响应速度慢、服务器负载大等缺点，当前一般采用地图预生成技术来实现地图Web发布。

地图预生成将指定范围的地图按照设计尺寸(如300×240等)和格式(如JPEG，PNG等)切成若干行及列的矩形图片，切图所获得的地图切片称为瓦片(Tile)。利用瓦片地图技术将整块地图根据需要进行纵向分级和横向分幅，不同等级地图之间采用四叉树数据结构，即第level级上的1张瓦片到第level+1级将裂变成4张瓦片。地图瓦片采用包含地图等级、行列数的方式自动命名与保存，如“zoomx_row_column”，其中x表示地图等级，row和column分别表示当前瓦片所处的行数和列数，而瓦片位置和地理坐标之间则通过公式进行正反算获得。切好的地图瓦片预先存储于服务器以方便访问调用。图4为预生成的武汉市某区域地图瓦片。

图4 预生成的武汉市某区域地图瓦片

当客户端通过XMLHttpRequest发出请求时，用户管理系统不需要实时运算生成地图，而是根据客户地理坐标计算确定需要的地图瓦片，直接从服务器调用相应的瓦片，再通过XMLHttpRequest反馈给客户，最后客户端将反馈的地图瓦片自动无缝拼接并显示于浏览器。

基于Ajax和地图瓦片技术，WHMCORS用户管理系统不仅实现了实时在线流动站用户的监控，而且可向用户提供历史作业区域、作业时间等信息查询，便于管理者更方便、直观地了解外业实时作业状况。图5为WHMCORS流动站用户实时监控界面。

图5 流动站用户实时监控界面

3.2 用户分区管理

由于现阶段的WHMCORS系统已覆盖武汉及周边四市，各地的平面坐标系统并不一致，相应的WGS-84至地方坐标系的转换参数也不相同。另外，为保证数据安全和维护用户利益，WHMCORS用户管理系统在参数保密的基础上，根据用户权限，设置了分区管理功能。即按照射线法原理(如图6)，对用户作业区域进行实时控制，用户只能在授权区域内作业，超出授权区域则不提供实时定位服务。用户作业区域的制定参考了行政区划，并设置一定缓冲区，以保证各区域结合部定位成果的一致性。

图6 射线法分区管理原理

区域权限信息作为一种用户属性，随用户其他信息一并存放于底层数据库中，图7为分区管理用户权限数据库。用户登录WHMCORS后，用户管理系统按以下步骤实现对用户的分区管理:①接收并解析用户发送的NMEA GPGGA信息，并将用户实时位置转换成平面坐标，按射线法原理判断用户当前所在的作业区域;②根据解析的用户名，从数据库读取用户作业区域授权信息;③读取区域识别掩码，将用户当前所在区域识别掩码与授权区域识别掩码进行异或运算，若结果为0，则用户在授权区域内作业，可正常接收到WHMCORS发送的差分改正信息;若结果为非0，则用户实际作业区域超出授权区域，用户管理系统自动中止向用户发送差分改正信息。

图7 分区管理用户权限数据库

3.3 基于VRS系统的精密正常高实时测量

目前国内的CORS系统一般通过预先设置的转换参数实现平面坐标的实时获取，由于参数转换的高程精度较低，因此正常高通常采用似大地水准面事后计算得到，即分别实现地方平面坐标和正常高成果的计算。这种作业模式影响了作业效率，限制了CORS系统的实时应用。

研发的CORSPLUS模块实现了基于VRS系统的精密正常高实时测量解决方案，其处理流程可概况为以下四步:①数据中心将VRS系统发送给用户的差分改正信息(RTCM2.x、RTCM3.0、CMR 等格式)解码，对RTCM2.x电文#3、RTCM3.0电文#1005、CMR 电文Type1进行解码并提取VRS点坐标;②利用区域似大地水准面格网模型和Shepard方法计算VRS点的高程异常和精化正常高h，同时采用布尔莎七参数模型计算转换高程h'。根据精化高程和转换高程即可得到用户大地高补偿△H;③对VRS点大地高加入大地高补偿△H，其他电文不作改变，按原有格式编码，发送至NtripClaster，并通过GPRS/CDMA发送至流动站用户;④流动站用户在接收到改正信息后，实现模糊度的动态解算，得到大地高改正的定位成果，最后采用与数据中心相同的七参数转换，获取基于地方平面坐标系统的实时平面定位成果和精化高程成果。

正确提取VRS点WGS-84大地坐标，并利用2.5＇×2.5＇格网似大地水准面，采用Shepard内插法确定VRS点的正常高是实现精密正常高实时测量的关键。Shepard内插法是以计算点为中心，取拟合半径R以内已知函数值的权中数，格网点高程异常的权按距计算点的不同范围采用不同的权函数确定，使靠近中心点的权增大，远离中心的权迅速减少。在Shepard局部内插模型中，选R=2.5'，并规定:

内插函数模型为:

则似大地水准面内插的VRS点正常高为:

式中，Hj为通过差分数据解码后提取的VRS点WGS-84椭球大地高。

为评价施加似大地水准面格网改正后WHMCORS系统的实时正常高测量精度，在武汉市内分6个区域，选取联测了二等水准的C级点25点进行测试，测试仪器为 Trimble R6、Leica 1250、Topcon Hiper，差分数据格式分别为CMR、RTCM3.0、RTCM2.3。对测试数据分别进行大地水准面后处理和参数转换，并与已知成果进行比较。三种情况下的正常高与已知成果差值如表1所示。

三种方式正常高与已知成果的比较 表1

表1说明:施加VRS大地高补偿后的实时正常高与大地水准面事后精化正常高相当，其差值小于1 cm;相比参数转换正常高，基于VRS系统的实时正常高外符合精度从±5.92 cm提高至±3.09 cm，实时正常高精度得到明显改善。

6个区域的实时正常高与已知成果的比较统计如图8。不同的区域RTK定位实时正常高外符合精度略有差异，江夏区精度最优，主城区精度最低，主要是由于主城区部分测试点位有遮挡或车辆往来的干扰(如C126、C136、C078等)。所有测试区域平面外符合性精度均优于2 cm、高程精度均优于5 cm。可见基于VRS系统的实时正常高测量在武汉市内精度均匀，不同区域实时精度无显著性差异。

图8 不同测试区域正常高外符合精度比较

另外，不同时长的实时正常高测试精度表明:5 s、30 s、60 s、120 s的定位结果中，120 s定位得到的实时正常高最可靠，在95%的置信度下，精度在4 cm以内。

4 结语

用户管理系统和CORSPLUS软件模块的研制与开发，实现了对WHMCORS用户的实时、可视化管理，为用户提供了快速、高效的Web服务及精密正常高实时定位，保障了系统的连续正常运行和数据安全，对推动WHMCORS系统在武汉城市圈的广泛应用发挥了积极促进作用。

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