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我国CORS发展与技术应用

来源:中国测绘新闻网文章作者: 投稿人: 发表时间:2016年02月19日 【字体:

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天祝(GSTZ)基准工程站

卫星导航定位技术的发展与应用改变了传统的测量技术手段,综合应用GNSS技术、信息技术、网络技术等建设的连续运行基准站网,已成为国家信息化建设的基础设施主要组成部分。连续运行基准站网(CORS,Continuously Operating Reference Station)包含一个或若干个固定的、连续运行的GNSS连续运行基准站,利用现代计算机、数据通信、互联网技术组成的数据传输网络,经过数据中心对数据连续实时地高精度数据处理、数据产品产出和播发,实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的观测值、各种改正数、状态信息,以及其他有关导航定位服务的综合系统。

CORS可服务于国家坐标框架建立与维持,并可满足不同行业用户对高精度、快速和实时定位和导航的要求,为多种现代化信息化管理提供服务。CORS在我国的建设已经如火如荼,而且在国家层面和省(市)层面都已有较大建设规模。其中,国家测绘地理信息系统从1992年开始建设,通过多项国家重大基础设施项目的建设,“十二五”末期在全国范围内形成均匀分布、总体规模360个站,主要满足以下方面需求:维持中国国家三维地心坐标框架的统一、高精度和现势性;提供中国境内实时定位和导航信息;提供高精度连续的时频信号,提供定时、授时的信息;提供所在地区对流层可降水分和电离层总电子浓度等信息,用于天气降水预报和电离层监测;提供所在点位地理位置的三维变化;建立共享机制,实现国家GNSS连续运行基准站数据共享。

目前有27个省(市)根据自身需求,建成了平均站间距40至70公里的省级CORS,其余省份也已列入规划。省(市)系统主要在以下几个方面发挥优势和作用:在控制测量、工程测量、市政管线测量等方面可大大提高测绘精度和效率,降低了测绘劳动强度和成本;可实现实时、有效、长期的形变监测,在灾害预警方面发挥重要作用;在城市诸多领域如气象、车船导航定位、物体跟综、公安消防、测绘、GIS应用等可提供高精度、实时动态导航定位服务;已成为城市信息化的重要组成部分,提供城市空间基础设施的三维、动态、地心坐标参考框架。

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江苏省网

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拉萨站

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省级站

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乌鲁木齐站

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咸阳站

我国CORS建设历程

国家级基准站建设:

(1)20世纪90年代国家局建设站

从1992年到1998年,国家测绘局和美国NGS和NIMA、德国IFAG和GFZ等国际机构合作或独立建设了武汉站、拉萨站、北京房山站、乌鲁木齐站、西宁站、哈尔滨站、西安咸阳站和海口站等8个国家级基准站。其中,武汉、拉萨、北京房山、乌鲁木齐站为国际IGS站。

(2)中国地壳运动观测网络工程

中国地壳运动观测网络工程项目是国家计委1998年批准立项并开工建设,2000年底通过验收投入使用。 由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局四方联合组建项目法人中国地壳运动观测网络工程中心承担建设任务。 

网络工程项目主要包括基准网、基本网、区域网和数据传输与分析处理系统四大部分,分别由25个GPS连续观测站、56个定期复测GPS站、1000个不定期复测GPS站和数据中心与3个共享子系统组成整个网络工程。

(3)中国大陆构造环境监测网络

2007年12月开工建设,2012年3月通过国家验收投入使用。由中国地震局、总参测绘导航局、中国科学院、国家测绘地理信息局、中国气象局和教育部联合建设。 

建成覆盖中国大陆及近海的高精度、高时空分辨率的地壳构造运动监测网络,获取中国大陆地壳运动细部特征,服务于地震预测和科学研究,同时兼顾军事测绘、大地测量和气象预报等综合应用。 

陆态网络是由260个连续观测和2000个不定期观测站点构成的、覆盖中国大陆的高精度、高时空分辨率和自主研发数据处理系统的观测网络。其中基准网是由260个固定连续观测的台站组成,用于连续监测我国一、二级块体及主要块体边界活动断裂带、主要地震重点危险区地壳随时间的变化。

(4)927一期工程

2009年开工建设,2013年验收。927工程(海岛(礁)测绘)是国务院、中央军委批准立项的国家重点专项工程。927一期工程由国家测绘地理信息局、总参测绘局、国家海洋局、海司航保部共同组织实施。工程在我国东南沿海和岛(礁)上建设了50个基准站。

(5)国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程

国家现代测绘基准体系基础设施建设一期工程(简称“测绘基准一期工程”)2012年6月正式开工建设,计划2016年上半年项目验收。测绘基准一期工程建成初具规模的全球卫星导航定位连续运行基准站网和卫星大地控制网,获得高精度、动态三维、稳定、连续的观测数据,提供实时定位和导航的信息,以满足国家对坐标系统和定位的需求。在全国范围建成360个GNSS连续运行基准站,其中新建150个、改造利用60个,直接利用150个。

该项目在现有测绘基准基础设施的基础上,利用现代测绘新技术和空间定位技术,通过新建、改建和利用的方式建立地基稳定、分布合理、利于长期保存的基础设施,形成高精度、三维、动态、陆海统一以及几何基准与物理基准一体的现代测绘基准体系,提升测绘地理信息工作为经济建设、国防建设和科学研究的服务保障能力。

区域基准站网建设:

我国区域级的CORS站建设,在北京、香港、上海、深圳、天津、武汉、昆明、成都等地已建立了城市的服务系统,除西藏外,全国30个省份建成或正在建设覆盖全省的连续运行卫星定位综合服务系统,部分省市基准站网已经开始对社会提供服务。据最新全国基准站调查统计,各地各行业建设的基准站总计有4500个站左右。

技术应用

20世纪90年代,美国建成了GPS卫星导航定位系统,并免费向所有用户开放,人类第一次实现了有限的“随时随地”获取自己的空间位置信息。但是由于美国政府的政策控制和自然环境因素的影响,一般情况下,只采用GPS进行定位,精度很低,可以应用于一般民用,但是不能应用于各种地图的测绘和各种方位相关的地理信息的采集,更不能用于地壳板块形变监测等。为实现快速高精度定位,出现了基准站,作为卫星定位的地面固定参照物。这是CORS产生的原因,也是CORS发展的最初目的。 

由于DGPS技术的发展和RTK测量技术的出现与逐步普及,出现了一些依靠无线电波进行差分改正信息发布的永久性参考站,即RTK单参考站,能够在近距离范围内为用户提供RTD伪距相位差分服务和RTK载波相位差分服务,即现代CORS的雏形。随着互联网技术和计算技术推动CORS的技术进步,CORS的各个基准站联接成为有机网络,并采用数据中心进行数据解算和服务,形成一个有机的系统,这时CORS不仅仅是参考站,而是以基准站为节点组成的系统。CORS目标是以GNSS参考站组成的网络为基础,以数据中心为核心,除提供高精度位置服务外,还提供各种综合服务。随着GNSS应用技术和网络技术的发展,其服务方式和服务范围将不断扩大,并逐渐建立完善的服务体系。

CORS技术应用早期主要应用于大地测量和地球动力学相关的研究和应用。随着GNSS和CORS技术逐渐得到广泛认同,GNSS的应用也具有了跨行业特性。CORS系统的服务也不再局限于测绘领域,它同时可以被用于地壳运动监测、GIS数据采集、机械控制、精密定位监测、气象预报、基础设施巡查、灾害预警、应急救援、精细农业、大众导航定位等其他行业和领域。

技术标准建设

由于地区和行业差异,各部门在建设CORS网时技术要求不尽相同,相关系统之间也不能实现数据共享,有些地区存在重复建设、资源浪费的现象。因此,需要制定相关技术规范,明确规定基准站选址、基建、设备配置、数据管理系统、数据处理系统、产品服务系统等诸多环节的技术要求,并对在数据采集方式、数据存储格式、信号编码和传输格式等大的方面提出统一格式,使基准站网的建设、管理和运行规范化、制度化,改变过去多样化、无统一标准的建设,使各系统在全国范围整体应用上充分发挥其作用,实现节约资源、信息共享,并为大地测量基础设施建设、国家框架基准的维护奠定基础。

针对上述问题,国家测绘地理信息局于2005年颁布了测绘行业标准《全球导航卫星系统连续运行参考站建设规范》(CH/T2008-2005)。在此基础上,国家测绘地理信息局组织人员编制了国家标准《全球导航卫星系统连续运行基准站网技术规范》(GB/T28588-2012),于2012年发布,对基准站网的组成、分类与布设原则以及基准站、数据中心和数据通信网络的建设和技术要求提出了明确的规定。随着国家级基准站网和各省级基准站网陆续完成建设,进入运行维护阶段,国家测绘地理信息局2012年适时出台了《全球导航卫星系统连续运行基准站网运行维护技术规范》(CH/T2011-2012),对基准站网的坐标框架维护、数据管理、设施维护、安全管理、应急保障、应用服务、日常运行管理等内容进行了描述和规定。

基准站网已在全国铺开,基准站网建设和运维方面已有建设规范以及国家级技术规范可供参考。而在基准站网建成之后的测试、运营、应用、服务等方面,虽有部分省市已面向社会提供服务,但目前还处于逐渐成熟的阶段。为此,2015年国家标准化委员会征集了基准站相关标准项目建议书18项,将涵盖建设、运行维护、系统测试、数据格式、数据产品、应用服务以及安全管理等多个方面,旨在满足国家及区域基准站网各个环节的标准规范需求。

发展趋势及特点

(1)相关学科交叉化

从CORS目前进展情况和多功能应用情况说明,CORS可以并已经涉及多种学科领域, 并提供多种学科领域长期以来很难取得的数据,并有可能解决相关学科面临的问题。事实业已证明大地测量学、卫星导航学将与其他学科有更多的交叉,并将更大地影响和促进地球科学、环境科学和行星科学的发展。

从应用层面看,CORS网具有一流的高精度和三维动态的定位,是建立和维持我国大地参考框架并与世界参考框架接轨所必需,其运作很大程度上改变了大地测量事后静态的服务方式,使大地测量能以更快捷、更广泛的直接开放形式服务于建设。从技术层面看,今后空间定位很大程度上要靠信息网络,这将大大推进CORS本身的发展。CORS将与测绘技术、GNSS 技术、通讯技术、网络技术、网格技术、计算机技术等技术,以及与气象、地震、网络、社交、交通等学科有更多的融合,这种技术融合会带来巨大的经济效益和社会效益,不但会提升大地测量相关技术的应用水平,还会衍生一系列具有增值潜力的服务技术的涌现。

(2)资源综合化和共享化

为适应计算机技术、网络技术和相关科学技术的发展,CORS不仅要求提供数字化的测绘产品,更要求通过高速网络向用户实时提供数据和相关的服务。一方面,用户可以利用网络订购数据产品和获取所需要的信息;另一方面,还应向用户提供必要的互操作功能,使用户可以按照自己的需求通过计算机网络来使用相关软件、数据和服务。今后CORS相关的数据、资源、服务要向综合化和共享化方向发展,通过多种空间数据的集成技术,建立多种形式的空间数据共享机制。用户可以利用高效的共享和服务网络,获取实时的空间位置服务。要实现上述目标,需要打破管理体制、网络传输速度和数据使用政策等多方面的限制,建立和完善数据和服务共享机制,大量的数据和成果才能传输、使用和服务。

(3)数据服务规模化和实时化

从国内外CORS项目建设现状看,CORS技术发展存在规模化和实时化两个趋势。随着CORS的建设规模不断扩大,其工程建设基本都是从某个地区(或行业)为起点逐步建设,逐渐与其他地区(或专业)进行网络(或站点)互联,实现数据共享,逐渐形成了跨行业、跨地区、甚至跨国家的大规模CORS网络。

CORS定位服务实时化的基础是实现CORS基准站原始数据的实时传输,通过建立适当的数据服务手段,即可实现厘米级到分米级的实时定位服务。德国、挪威等国家已率先利用实时网络RTK技术建立起国家范围内的实时定位系统,提供区域内厘米级到分米级的实时定位服务。相比国外CORS,我国发展较为滞后。今后需改变各地、各行业CORS独立运行的状态,实现跨地区、跨行业、跨网络的CORS联网,随着国内对CORS的重视和研究逐渐深入,这一问题在未来将得到解决。

(4)高精度定位服务大众化

近年来,与位置服务相关的互联网实现了爆发式增长,地图、导航、微信等应用吸引上亿用户,既为百姓生活提供着极大的便利,也促进了卫星导航系统的深入应用。公众位置服务结合移动通信网络和定位技术,向社会大众提供高精度定位增值业务,通过定位技术获得移动终端的位置信息,提供你在哪里(空间信息)、你和谁在一起(社会信息)、附近有什么资源(信息查询)等基于位置的服务。大众服务广泛应用在交通、物流、医疗、生活等领域中,其服务形式也日趋多样化,多样化的服务形式将极大地拓展位置服务的产业规模与应用领域。

我国CORS网的建设、数据处理、服务等技术快速发展,渐渐趋于成熟,今后的发展主要向多学科融合、海量资源共享、多系统处理、服务范围扩大、服务受众拓展等方向发展。CORS网除了提供坐标框架维持更新、实时动态数据处理与服务外,今后将面向区域、广域范围内的信息共享需求和定位服务需求,提供不同等级精度的卫星导航定位服务和时间服务,为重点行业和应用领域提供个性化服务。CORS网的发展将对促进卫星导航产业发展、提高人民生活水平和提升我国相关领域国际竞争力等起到重要作用。

(作者单位:国家基础地理信息中心)

(中国测绘2016年第1期)