国外连续运行参考站系统发展与启示＊

李川章 向才炳 边少锋

（1.海军工程大学导航工程系 武汉 430033）（2.中国人民解放军第92678部队 天津 300220）

1 引言

连续运行参考站系统（CORS：Continuous Operating Reference System）是在一定的区域范围内建立若干永久性的连续运行的参考站，通过网络互联而构成的网络化GNSS服务系统，以向测绘部门、科研机构、商业用户以及其他个人用户提供连续高精度的GNSS定位服务。CORS已经成为一个国家的数据空间基础设施，在社会各行业如基础测绘、市政建设、国土资源调查、工程施工、交通运输管理、气象观测、地质灾害监测、抢险救灾等诸多行业领域得到了广泛的应用，满足其对位置、导航以及时间的精确需求［1］。国外的政府组织和测绘研究机构在20世纪90年代就开展了CORS系统的研究和建设，在CORS的理论、基础设施建设、系统自动化管理、数据采集、处理和分发等诸多方面均取得了令人瞩目的成果，同时也得到了较好的应用。

2 国外连续运行参考站系统现状

随着GNSS技术、计算机技术、网络和通信技术的发展，建立连续运行参考站系统取代传统的静态定位控制网是今后测绘与实时导航定位的发展趋势。本节主要介绍国外有代表性的国家CORS系统，如美国的NGS CORS、德国的SAPOS和日本的GEONET。在美国CORS的东部区域，大部分站点实现了实时的数据传输，仅需要建立必要的服务手段即可实时定位服务。德国的SAPOS和日本的GEONET建设密度较大，其用户均可以利用实时载波相位差分、网络RTK技术得到实时高精度定位服务。

2.1 美国CORS

连续运行参考站系统（CORS：Continuously Operating Reference Stations）是由美国国家测绘局（NGS）管理的全球卫星定位系统（GPS）参考站网络系统。该系统向用户提供其参考站网的导航卫星信号的载波相位和码伪距观测数据、参考站坐标、参考站移动速率矢量、GPS星历、参考站气象数据等，以支持在美国全境及其他一些国家和地区的三维定位、气象观测以及地球物理的相关应用［2～3］。

GPS用户均可以使用CORS提供的数据以提高其定位精度，使用CORS数据进行事后精密定位可以使用户在国家空间参考系下的水平和垂直定位精度提高到厘米级甚至亚厘米级。

CORS参考站网络是一个多用途的、合作性的网络，参考站主要由政府部门、学术研究机构以及一些私人机构建设，各参考站都是由其所有者独立运行和维护的，各建站的组织机构均与NGS共享其观测数据，而NGS则负责对全网的CORS观测数据进行分析和免费发布。到2011年底，已拥有200多个不同机构合作加入的CORS参考站网络数量超过1800个的参考站站点，而且这个数目还会持续增加。CORS参考站在美国本土的分布如图1所示。

图1 美国本土的CORS站点分布图（右下角为阿拉斯加州）

除美国本土以外，美国还在一些海外国家和地区如加拿大、墨西哥、萨尔瓦多、洪都拉斯、牙买加、巴西、伊拉克、阿富汗建立了CORS参考站。

美国CORS建设的任务有以下几方面。

1）使全部美国领域内的用户能更方便的利用该系统来达到cm级水平的定位与导航。

2）促进用户利用CORS来发展GIS。

3）监测地壳变形。

4）支持遥感的应用。

5）分析大气中的水汽分布。

6）监测电离层中自由电子浓度和分布。

CORS参考站的观测数据可以通过Internet下载，CORS还提供的如下的数据和服务：

1）参考站坐标信息。

CORS采用的全球参考坐标系是IGS08坐标系，采用的国家大地坐标系为NAD83（2011）坐标系。CORS提供的参考站数据包括参考站分别在IGS08坐标系和NAD83（2011）坐标系下的参考站三维坐标和三维速度向量。

2）参考站日志

参考站日志文件记录了相应参考站的接收机和天线的品牌型号、参考站的大致位置、所有人及运行机构。参考站日志文件所记录的参考值位置只是其大致位置，欲获得其精确位置仍需下载使用精确参考站坐标。

3）天线校准参数

提供经过NGS使用验证过的各品牌、型号的GNSS接收机的天线相位中心校准参数。

4）提供在线定位服务（OPUS：Online Positioning User Service）。OPUS提供在线测量解算服务。用户上传自己接收机的原始观测数据，并提供相应的天线类型和天线高参数，就可以免费得到经NGS CORS处理的结果，从而使CORS用户的测量数据的处理工作变得简单。

5）实时GNSS服务。实时GNSS服务向授权用户提供RTK定位服务。

2.2 德国SAPOS

德国卫星定位服务（SAPOS：Satellite Positioning Service of German National Survey）是德国国家测量主管部门联合德国测量、运输、建筑和国防等多个部门建立的一个长期连续运行的差分GNSS定位和导航服务系统。SAPOS建立的目的是用统一的标准和规范指导和建设全部德国范围内GNSS参考站，为政府相关部门和其他相关用户提供统一规范的差分GNSS服务［4］。系统目前建有270个永久GNSS参考站，覆盖德国全境，站间距离为25～60km，SAPOS系统参考站分布如图2所示。与EUPOS一样，SA－POS采用的参考系是欧洲大地参考系1989（ETRS 1989）。

图2 德国SAPOS参考站分布图

SAPOS可以提供几类不同的定位服务：

1）实时定位服务（SAPOS EPS）。SAPOS EPS可以向用户提供定位精度为0.5m～3m的实时定位服务。其码差分改正数据可以通过VHF频段无线电发送，也可以使用RTCM格式数据通过GSM网络或2MHz带宽的无线电发送给用户。SAPOS EPS适用于车载导航、舰船导航、海洋水文、GIS以及其他类似定位精度要求的导航定位应用。

2）高精度实时定位服务（SAPOS HEPS）。SAPOS HEPS可以提供水平1～2cm，垂直2～6cm的高精度RTK定位服务。其载波相位差分改正参数使用RTCM格式数据通过GSM网络或2MHz带宽的的无线电发送给用户，SAPOS参考站网采用区域改正参数方法（FKP）减小距离相关误差，从而提高用户的定位精度和可靠性。SAPOS HEPS可以使用在工程测绘、地籍测绘、高精度GIS应用以及其他对精度要求较高的应用领域。

3）高 精 度 大 地 定 位 服 务 （SAPOS GPPS／GHPS）。GPPS／GHPS是针对高精度大地测量提供的一种事后高精度定位服务，可以使定位精度优于1cm。GPPS／GHPS提供的参考站观测数据均采用RINEX格式，数据可以通过E－mail或FTP等途径获取。SAPOS以1Hz的频率存储观测数据，这些观测数据可以被临时存储至少30天，而最终被永久保存的是15s采样间隔的载波相位观测数据。SAPOS可以根据用户的使用需求，提供采样频率高于1Hz的参考站载波相位观测数据。GPPS／GHPS可以应用于航空摄影测量、激光扫描测量、基础大地测量、德国国家参考系建立和维持、地球动力学等相关领域。

SAPOS是德国国家空间数据基础设施，使德国实现了远距离高精度的导航定位。随着欧洲GALILEO系统的建设，卫星导航定位的精度、可用性和完好性等性能将得到进一步的提升。GALILEO和GPS系统的组合适用也将进一步提高卫星导航的性能，从而进一步提高SAPOS系统的服务性能。

2.3 日本GEONET

日本是一个地质灾害多发国家，因而对地质灾害进行监测和分析显得十分重要。从1993年开始，日本就着手建立GPS连续监测网络。在日本东京和东海地区建立了连续应力监测系统（COSMOS：Continuous Strain Monitoring System），建有110个高密度覆盖的参考站；在COSMOS覆盖区外的日本其他地区建有包含100个参考站的精密测绘与地球物理科学GPS区域阵列（GRAPES：GPS Regional Array for Precision Surveying／Physical Earth Science）。1995年神户大地震后，日本国土地理院增建了400个参考站，与原有的COSMOS和GRAPES融合升级为GPS地球观测网络（GEONET：GPS Earth Observation Network），到目前为止，GEONET共包含约1400个连续参考站，平均密度约为20km，成为目前世界上密度最高的GPS连续参考站系统［7］，如图3所示。

图3 日本GEONET分布图及其参考站结构

GEONET系统参考站一般为约5m高不锈钢塔柱结构，在塔柱顶部放置GPS天线，在塔柱中部分层放置GPS接收机、UPS和ISDN通信设备，数据通过ISDN网进入设在筑波的国土地理院数据处理中心，然后通过Internet发布相关数据。参考站以1HZ的采样速率采集GEONET的观测数据，这些观测数据被实时传送至国土地理院进行临时存储，如果没有地震、火山爆发等特殊地质活动需求时这些数据会在一段时间后被删除，最终只有30s采样间隔的观测数据会被永久保存以进行精确分析。在完成数据下载之后，国土地理院每天会计算一次各测站的坐标；在地震、火山显著活动期间，各测站的坐标的计算频率会被增加到每3h一次以对地质活动进行有效监测；在IGS最终轨道给出之后，GSI会对所有测站的坐标重新计算以得到更精确的计算结果。

GEONET的建立为该地区的地震与火山活动监测分析、地质板块移动监测、气象检测与预报、RTK服务以及其他相关应用提供了良好的基础设施条件。GEONET同时还可以为用户提供实时RTK服务和查分GPS服务，GEONET的VRS－RTK服务已经商业化，主要的运作模式是国土地理院与日本测量协会之间达成协议，国土测量院负责GEONET的运行和维护，向日本测量协会提供RTK数据；而日本测量协会负责RTK数据的监控和分发，与想要经营GPS RTK数据业务的公司开展业务，从而使其RTK数据服务实现商业化。

除了美国CORS、德国SAPOS和日本的GEONET之外，还有很多其他国家和地区也建立了自己的CORS网络，如加拿大的加拿大主动控制网络（CACS：Canadian Active Control System）、澳大利亚的悉尼市CORS网络SydNet等，在此不一一介绍。

3 国际组织连续运行参考站系统

除了单一国家独立建设的CORS网络外，国家与国家之间在连续运行参考站系统的技术标准、网络建设与服务、GNSS多系统融合与协调等方面合作也越来越多，从而为国际组织机构连续运行参考站系统的产生提供了基础和必要性，使得欧洲定位系统（EUPOS）和国际GNSS服务（IGS）的参考站网络规模越来越大，应用越来越广，促进了国际与地区之间的GNSS应用与社会经济的发展。

3.1 欧洲定位系统EUPOS

欧洲定位系统（EOPOS：European Position Determination System）是在2002年的第一届柏林GNSS大会上由与会各国的测绘主管部门、地理信息研究机构以及欧空局等单位联合倡导成立的卫星定位地面差分增强系统。EU－POS成立的目的是用统一的标准和规范向欧洲提供差分GNSS定位服务，扩大服务范围，增强服务性能和提高经济效益［5～6］。

图4 EUPOS成员国及覆盖范围图

EUPOS目前有20名国家的地区会员及观察员成员，包括波黑、保加利亚、捷克、爱沙尼亚、匈牙利、拉脱维亚、马其顿、波兰、罗马尼亚、俄罗斯、塞尔维亚、乌克兰、斯洛伐克、柏林、摩尔多瓦、哈萨克斯坦、立陶宛和斯洛文尼亚等国家和地区。EUPOS系统覆盖了25%的欧盟成员国，超过60%的欧洲疆域以及俄罗斯位于亚洲的领土。EUPOS服务覆盖范围如图4所示。

EUPOS的主管机构是是EUPOS执行委员会（ISC），同时各会员国建立各自的国家EUPOS服务中心（NSC）。各NSC负责其国内参考站网的建设和运行维护，保证差分定位服务的质量和完好性，协调在边境区域的定位服务提供问题，各NSC的参考站建设情况见表1。

表1 EUPOS各成员国参考站建设统计表

EUPOS的参考坐标系是欧洲大地参考系1989（ETRS 1989），各会员国也可以使用其各自的国家大地坐标系。EUPOS的参考站均为永久参考站，各站间距离不小于100km，这样的参考站分布可以保证对各种类型的流动站的可用性和定位精度要求，在城区参考站的分布密度相应的会更高。EUPOS的参考站将充分利用各国现有的参考站以及EUREF、IGS的参考站，也可以在边疆地区实现参考站的跨国共用。目前的参考站连续接收GPS和GLONASS信号并提供相应的差分定位服务，等到GALILEO信号可用时，GALILEO信号将成为EUPOS参考站网提供定位服务的主要标准。与此同时，EUPOS也会促进多系统GNSS的使用，提高用户导航信号的可用性，这在信号遮挡严重的城区环境下显得尤为重要。所有的参考站网均使用网络连接，以将GNSS观测数据传送至相应的网络中心。网络中心对对流层延迟、电离层延迟以及星历误差进行准确建模，生成相应的差分改正数据并分发，从而提高流动站的实时定位精度。

EUPOS提供三种定位服务：

1）差分GNSS（DGNSS）。可以提供定位精度为2m～0.5m的实时差分定位和导航服务，对于静态用户，实时定位精度可以达到0.2m，DGNSS实际的定位精度还跟用户使用的差分接收机的类型有关。

2）网络RTK。可以为用户提供定位精度优于2cm的实时动态定位精度。

3）大地测量服务。通过提供相应的参考站观测数据，从而使事后精密定位精度达到毫米级。

EUPOS差分数据主要使用互联网传送，数据格式为RTCM SC104，并可以通过手机接收这些差分数据。除此之外，还可以采用无线电广播、电视广播信道传送这些差分数据。在精密空中、陆地和航海定位应用时，尤其在舰船编队作战和指挥时通过无线电广播播发差分数据就尤为重要了。

EUPOS目前在中东欧国家已经得到了广泛的应用，随着越来越多的欧洲国家参与和加入EUPOS，EUPOS将成为欧洲地区覆盖范围最大、应用领域最广的区域性GNSS参考站网络。它对欧洲的地理信息产业的发展所起的作用将不可估量。

3.2 国际 GNSS服务（IGS）

国际 GNSS服务（IGS ：International GNSS Service），即以前的国际GPS服务系统。这是一个由200多个成员组成，并实现高精度参考站资源和数据共享的世界性的自愿联盟。IGS致力于提供高质量GNSS标准的数据和产品，用于支持科学研究、多学科应用和科学教育等［1］。IGS包括两个卫星系统，GPS卫星系统和GLONASS卫星系统，通称为GNSS。IGS被认为是最高精度的国际性民间GPS组织。

IGS无偿向全球用户提供各种GPS信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS接收GPS信号的相位和伪距数据，地球自转速率等。这些信息支持了大地测量和地球动力学方面无数的科研项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、地壳运动、高分辨率的推算地球自转速率及其变化等。IGS提供的主要服务和数据有以下几种：

1）轨道数据。按其轨道精度分为三类。一类是最终轨道，要在10～12d后才可以得到，常用于精密定位；二是快速轨道，要在1d以后得到，它常用于大气的水汽含量、电离层计算等。第三类是预报轨道。GPS星钟偏差方面的数据由两个IGS分析中心提供。IGS在近200个永久连续运行的全球跟踪站中，使用的外部频率标准有70多个，其中30个使用氢钟，20个使用铯原子钟，20个使用铷原子钟，其余的使用GPS内部的晶体振荡器。

2）极移和世界时间信息。IGS公布最终的每日极坐标（x，y），其精度为±0.1mas，快报的相应精度为±0.2mas。GPS作为一种空间大地测量技术，本身并不具备测定世界时（UT）的功能，但是，由于GPS卫星轨道参数和UT有关，也和测定地球自转速率有关，而自转速率又是UT的时间导数，因此IGS仍能给出每天的日长（LOD）值。目前，由于IGS各观测站数据传输及数据处理方法的改进，使求定章动项和高分辨率的极移，由过去的1d一次提高到每2h一次。

3）连续运行站的坐标、相应的框架、历元和站移动速度。

4）测定短期运动。

4 国外CORS发展对我CORS建设的启示

连续运行参考站系统的有着巨大的科研价值、经济效益和社会效益，其特点在国外连续运行参考站系统的建设和使用的过程中已经得到了充分的证明。我国作为国际卫星导航系统四大核心供应商之一，也较早的开展了GPS连续运行参考站系统的研究和建设。本节将简要结合我国连续运行参考站网络的建设情况，讨论国外的连续运行参考站系统的建设和发展对我国相应系统的建设和发展的一些启示。

4.1 我国连续运行参考站系统的发展

国家测绘局与NGS、武汉大学、中国科学院等单位通过国际合作项目已先后分别在武汉、拉萨、乌鲁木齐、北京、上海、西安、长春等地建设了GPS永久跟踪站，主要服务于国际GPS动力学服务，其中若干站点已经成为国际陆地参考框架（ITRF）的核心参考站，为ITRF框架的定义做出了应有的贡献［10～12］。

中国地震局与总参测绘局、中国科学院和国家测绘局合作在国内建立了中国地壳运动观测网络。该网络已在国内建设了25个基准站网，部分利用了中国科学院和国家测绘局建设的国际站。

由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局、中国气象局和教育部联合建设的“中国大陆环境构造监测网络”已经建成由260个连续观测站和2000个不定期观测站组成的覆盖中国大陆的高精度、高时空分辨率的观测网络。该网络以GNSS观测为主，辅以甚长基线干涉测量（VLBI）、人造卫星激光测距（SLR）等空间技术，并结合精密重力和水准测量等多种技术手段组成，主要用于监测中国大陆地壳运动、重力场形态及变化、大气圈对流层水汽含量变化及电离层离子浓度变化等，为地震预测、空间天气等科学研究提供基础资料和产品服务，同时兼顾国土测绘、大地测量和气象预报等综合应用。该网络还可以广泛服务于国民经济建设诸多领域，为公路、铁路、航运提供导航服务；为精准农业、采矿、石油勘探、环境管理与研究、保险、电力、通信、建筑、公共安全监控、突发事件应急响应和灾害紧急救助等提供服务；加快中国卫星导航定位产业化发展。中国大陆环境构造监测网络已成为全国最大的连续运行参考站网络。

4.2 启示

国内连续运行参考站网的建设已经达到了一定的规模，也产生了一定的社会和经济效益，然而对比国外的CORS的建设和应用情况，可以发现，我国的CORS在建设和应用的过程中存在着如下的一些问题需要改进。

1）对于参考站网络的建设没有明确的战略规划。对于参考站系统的建设缺乏国家统筹规划和统一协调。参考站建设发展不平衡，东部、东南沿海地区建设快，西部和东北地区建设慢；不同的事业单位以及不同的GNSS服务提供商在同一省份、同一城市重复建站、重复投资；不同单位之间信息和数据无法共享；建站资金消耗大，投资回报低等问题。

2）连续运行参考站网络系统建设缺乏统一标准。在全国建设参考站网络时，对于基准站站址选择、天线墩建设要求、数据采集方式、数据存储格式、信号编码与传输格式、参考站验收方法等没有统一的规范；对于地震、地壳形变监测、测绘、气象观测等诸多应用领域没有制定适合实际应用需求的技术指标。

3）缺乏资源与数据共享平台。各省市和不同行业系统之间的参考站资源无法共享，CORS用户在跨省市作业时都可能出现技术、行业和服务障碍，造成了资源浪费，降低了工作效率。各观测站的历史观测数据管理水平低，公众缺乏获取相应数据的途径。

4）连续运行参考系统的应用开发不足。全国各行业、各省市的连续运行参考站系统的应用范围主要局限于测绘、地震、城市规划、工程建设等有限的行业，尚未充分发挥其精确导航中的应用效能，尚未充分发挥其在国家基础设施建设以及国家经济和社会发展中的基础性和战略性的作用。

5 结语

连续运行参考站系统在国家社会和经济发展中起到越来越重要的作用，成为国家和地区的重大基础设施。美国、德国、日本等国已经建立了覆盖其全境的参考站网络，充分的开发了其在测绘、地质灾害监测、气象等相关科学研究以及国民经济发展等诸多领域的应用，取得了良好的社会和经济效益。我国也已建设了市级、省级以及行业级不同层次的CORS系统，然而我国尚未建立起向全国各行各业提供统一规范服务的国家级CORS系统。随着技术的进步和统一标准的制定，国家级CORS终将形成，从而极大的促进我国相关科学研究和相关行业应用的发展，成为我国至关重要的国家基础设施。

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