大规模连续运行基准站网的技术体系

大规模连续运行基准站网的技术体系1李健，吕志平，乔书波，李昌贵解放军信息工程大学测绘学院，河南郑州（450052）E-mail: cors@摘要：针对目前各类区域型连续运行基准站网建设存在的问题，提出了大规模连续运行基准站网的概念，并对大规模连续运行基准站网的功能、建设基础、研究内容与应用情况进行了讨论。

分析了解决大规模连续运行基准站网的相关研究的技术难点，给出了基于网格计算技术的初步解决方法，提出了虚拟基准站网（VCORS）的概念，并为建立面向大规模连续运行基准站网的理论、算法和软件系统作了必要的准备。

关键词：GNSS；CORS；VCORS；连续运行参考站；连续运行参考站网；大规模连续运行参考站网中图分类号：P228 文献标识码：A卫星定位连续运行参考站网相关技术的应用与研究，目前是地球观测与导航领域研究的热点之一，国内外各类参考站网正相继建立。

我国国内经历多年的理论研究和具体实践，工程水平相继成熟，也积累了一定的核心算法和服务模式。

但是，面向大规模的基准站网，目前尚无能够提供实时数据处理与服务的技术体系和软件系统，因此到了从整体上进一步研究和集成优化的阶段[1]。

本文将针对目前基准站网存在的问题，对大规模基准站网的功能、研究内容与应用情况进行讨论，分析解决大规模基准站网的相关研究的技术难点，从而为建立面向大规模基准站网的理论、模型、算法和应用软件系统做必要的准备。

1. 大规模连续运行基准站网的概念基准站即连续运行参考站，主要用于对GNSS导航卫星实施连续跟踪从而获取导航定位数据。

由若干（通常3个以上）基准站构成的连续运行参考站网（Continuously Operating Reference Stations ，CORS），是能够对连续运行基准站采集的数据进行综合处理并将处理结果发送给定位用户的卫星导航增强系统，是城市、地区和国家重要的空间信息基础设施[2]。

目前，国内外已经建成了很多CORS系统[3]，国际上诸如IGS（International GNSS Service）站网、美国的CORS[4]、欧洲的EPN（EUREF Permanent Network）等。

国内的CORS基础设施建设有两个层次[5]，第一个层次是国家级的，如陆态工程、地壳运动观测网络工程、沿海无线电指向标差分系统等；第二个层次是区域级的，如部分省级CORS和多个城市构建的CORS系统。

专业级CORS可能属于上述两个层次中的一种。

目前国内的基准站网通常由若干基准站、一个系统中心以及将它们连接起来的通信链路构成，基准站采集的观测数据通过通信链路汇集到系统中心，由系统中心进行综合处理，向用户提供服务。

这是一种集中式的数据处理和服务模式，该模式有结构简单、易于实现的优点。

但是，由于要承担数据处理和服务的全部任务，系统中心容易成为系统服务能力增强与服务类型扩展的瓶颈。

对于一般规模的基准站网，在基准站数目较小、服务类型较为单一、用户数量不多的时候，集中式的数据处理和服务模式是适用的。

随着基准站网建设的不断发展，规模化成为必然的趋势，即在已有的区域型CORS系统的基础上，将各地的CORS系统进行网络互联，形成一个跨地区、跨机构的拥有相当数量基准站、更高层次的连续运行基准站网，即大规模连续运行基准站网。

规模化意味着基准站数目的增多、密度的增大，同时也意味着系统服务能力的增强、对各类软硬件资源整合力度的加大和覆盖地域跨度的增大，1本课题得到地球空间环境与大地测量教育部重点实验室开放基金资助项目（07-03）的资助。

从用户角度看，这将意味着用户数量更大、用户地域分布更广、用户需求更加多样化。

其概略拓扑结构见图1。

图1 大规模CORS整体拓扑图2. 目前基准站网建设中存在的问题连续运行基准站网的规模化，给原来区域型基准站网的集中式的数据处理与服务模式带来了巨大的挑战，具体来说，包括：（1）区域型CORS系统虽然能够完成本系统的建设目标，但各系统基本上是独立运行的，系统之间难以实现数据共享，也无法进行互操作，实现服务模式的协同与共享。

（2）大规模基准站网的地域跨度大，用户、基准站、系统中心之间存在较大的空间距离，势必会增加三者之间的数据传输延迟，从而降低服务的实时性。

（3）大规模基准站网将会产生海量的观测数据，对这些观测数据进行处理，就要求系统中心必须具备强大的处理能力。

（4）不同领域、不同需求的用户群体将会产生各式各样的大量服务请求，为了及时响应这些服务请求，要求系统中心必须具备强大的实时数据处理和服务能力。

可见，集中式的数据处理与服务模式并不适合大规模基准站网，应在此基础上进一步研究大规模基准站网数据处理和服务的新思路、方法和技术，用于各个独立基准站网在实现跨地区、跨机构的网络互联之后的数据处理和服务，进而提高各类空间数据基础设施的利用率。

3. 大规模连续运行基准站网建设的技术基础3.1 广义GNSS的建立目前美国的GPS系统及相应的监测监控网、增强系统（如美国WAAS、欧洲EGNOS、日本MTSAT等）等已完全建立[6]，俄罗斯的GLONASS系统正在积极恢复，欧洲的Galileo 系统和中国的第二代北斗卫星导航系统正在建设阶段。

如果各类计划中的部署工作完成，天空中将有近百颗卫星提供全球定位服务。

广义的GNSS，就是基于上述所有的导航定位卫星、各类增强系统及其相关服务资源，实现所有设施资源、数据资源、信息资源、计算资源的全面共享，进而实现高精度、高可靠性、高灵敏性的定位导航。

大规模基准站网对广义GNSS 的支持成为必然的发展趋势。

3.2 网格技术的发展网格是构筑在互联网基础上的新兴技术，它将高速互联网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，提供计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、设备资源的全面共享[7]。

在过去的近8年时间里，随着跟网格有关的工具（如Globus Toolkit、Condor等）的开发及实用化，以及相关的网格项目（如美国、欧洲、亚太等地区的网格项目）的相继开展与完成，都为将来网格技术和应用提供了坚实的基础。

网格技术的出现使GNSS领域具有挑战性的问题可以在新的平台上解决和实现。

3.3 IPV6及移动通信技术的发展现有IPV4地址的匮乏将使互联网的发展受到严重限制。

IPV6地址协议的启动，将IP 地址空间由232增加到2128，将可以满足现在与未来全球GNSS资源网格化的需求。

另外，连续运行基准站网的目标是面向各个领域的用户群提供导航与定位服务，首先要解决移动通信与移动网络互联。

现代移动IP技术正是适应这种需求而产生的一种新的支持移动用户与因特网连接的互联技术，能够使移动用户在位置变化过程中无需中断正在进行的网络通信，可以很好地实现CORS资源与CORS用户的网络互联、网络数据传输、网络信息共享与网格计算与分析。

4. 大规模连续运行基准站网的基本功能4.1 多模式数据采集与处理能力基准站接收机能够对多种GNSS卫星定位与导航信号、多种增强系统发布的信号进行采集与处理，并能够通过系统中心的处理，能够向多厂家、多型号的流动站接收机提供满足用户需求的差分信息或其它服务信息。

这种具备多模式数据采集与处理能力的基准站和流动站的接收机可作为大规模CORS网格的传感器。

同时，系统也须兼容并满足各类终端设备的服务需要。

如图2所示。

图2 数据采集、处理与服务4.2 资源共享与服务功能 区域型连续运行参考站网的各类资源（包括卫星资源、基准站设施、控制中心设施、网络通信设备、流动站设备、各类软件资源等）在目前仅仅实现了在物理上的互联，但从逻辑上看，这些资源大部分都是孤立的，资源共享与服务交互功能仍未得到解决。

大规模基准站网必须对上述各类资源的共享模式进行改进，利用网格技术建立完善的资源层，通过网格中间件实现广域异构资源的有效共享和管理，进而获取高性能的计算能力，对广义GNSS [8]综合数据进行处理，从而面向广泛的用户群提供信息服务。

4.3 定位服务功能 DGPS/RTK 主要是通过差分改正实现精确动态定位。

网络RTK 是利用现有网络资源进行差分定位数据发布，应用Internet 和移动技术作为高精度动态定位技术的数据传输链路。

目前的CORS 系统一般均提供网络RTK/DGPS 服务。

网络RTK/DGPS 技术可视为从常规RTK 向网格RTK过渡的中间过程，RTK 的发展将使其过渡到网格RTK 。

除了提供DGPS 、RTK、网络RTK等服务功能外，大规模基准站网应根据用户需求灵活调整服务内容，在大规模基准站网的背景下实现集成与演化，见图3。

如面向精密单点定位（PPP）用户，提供精密星历计算与下载服务。

面向事后静态定位用户，提供在线计算服务功能。

面向时间同步需求的用户，可提供精密单站或多站时间同步服务功能。

图3 大规模基准站网的定位技术集成5. 大规模连续运行基准站网的研究内容为了使现有基准站网能够顺利过渡到大规模基准站网，应研究建立一套适合大规模基准站网的分布式、协作式数据处理与服务技术体系，解决基准站网的异构资源管理与共享、数据处理与服务的分布式计算、数据处理各类元服务的重构、面向用户定位需求的无缝漫游与服务切换等一系列技术难题，从而实现大规模基准站网数据处理与服务技术的突破。

5.1 多模式卫星定位导航技术研究对现有多种GNSS卫星定位与导航信号、多种增强系统发布的信号实现采集、处理和信息融合将是GNSS领域的基础理论，也是实现卫星导航信息资源、空间信息资源挖掘的重要手段[8]。

同样，从用户角度看，支持多种定位方式、多种精度需求的定位导航技术在大规模基准站网基础上的实现，也是需要实现的基本技术之一。

5.2 基于网格技术的资源管理与服务模式鉴于大规模基准站网的覆盖区域广、数据量大、用户群落复杂、服务类型多等特点，基于网格技术来解决区域型参考站网向大规模基准站网过渡的瓶颈问题是其解决方案之一。

应对以下问题进行研究：①基于现有区域型基准站网的建设现状，研究一种适合大规模基准站网的分布式数据处理与服务体系结构，使得现有基准站网能够顺利过渡到大规模基准站网。

②研究能够充分利用现有基准站和数据处理中心的数据与计算资源的共享模式，对现有数据采集和计算方式进行适当改化，使得任意基准站采集的数据能被多个数据处理节点同时访问，使得不同基准站网的数据处理与控制中心之间能够实现数据处理与服务的互联互通，进而形成能够跨越区域限制的多节点互联模式。

③研究用户需求与大规模基准站网的各类资源的映射方式，实现各计算节点的数据处理元服务的重构，使之适应分布式计算的数据处理模式，进而充实大规模基准站网用户服务与注册中心的功能。

④在上述体系结构重建、基础设施改造的基础上，根据用户需求、用户定位条件和网络中计算资源的空闲情况，动态确定一组基准站和处理节点，构建“虚拟”基准站网（Virtual CORS，VCORS），实现基准站网的数据处理与服务制品的生成，从而提供与真实的区域型基准站网等效或更高效的服务。