[center][size=4][b]信息技术支撑北京GPS服务网[/b][/size][/center]
编者按：随着经济的迅速发展，北京的城市面貌在日新月异地变化，而基于传统的手工测量基础上形成的城市地理空间信息资料管理越来越赶不上城市建设的需要，于是一种新的城市地理空间信息服务系统——北京市全球卫星定位综合应用服务系统应运而生。这是一个跨学科的应用系统，需要现代通信、测绘技术和城市规划学等多领域的知识，而其中的计算机技术更是起到了关键作用。本期我们将集中关注这一新的应用领域,并关注信息技术在这一新兴领域中的应用。
北京市全球卫星定位综合应用服务系统（简称GPS服务网）是北京市“空间数据基础设施”的重要组成部分。它的宗旨是在北京地区建立综合性GPS应用服务网，把卫星定位系统这一高新技术用于北京市城市规划、市政建设、交通管理、城市基础测量和工程测量、气象预报、地震及地面沉降、灾害监测、农业和林业资源环境管理等，实现一网多用，服务于“数字北京”和数字奥运。这一系统本身也是将空间技术、现代通信技术、计算机技术、测绘技术与气象学、水利学、地震学、城市规划、城市交通等多种学科相结合的应用系统。
[b]北京GPS服务网 [/b]
北京GPS服务网将在北京地区建立由28个地面GPS参考站组成的地面卫星连续观测网。此系统由连续运行的GPS参考站、数据通信网及管理中心、监测中心、服务中心和多个用户子系统组成。GPS参考站均匀分布在北京市辖区，管理中心、监测中心和服务中心等设在北京市信息资源管理中心。
系统作为北京市空间信息化基础设施，将向授权用户提供各个参考站的原始观测数据（事后处理应用）和各种实时差分数据，结合用户应用，可以完成城市气象预报、地壳形变监测、城市基准控制、地面沉降监测、资源普查管理等工作。为北京城市现代化管理、生态管理、资源管理、电子政务、领导决策等提供有力支持，进而实现北京市可持续快速发展及“数字北京” 这一首都信息化的战略口号和目标，合理配置和利用现有设施和信息资源，提高城市整体素质和现代化水平，为2008年北京实施“绿色奥运”、“科技奥运”打下坚实的基础。
北京GPS服务网在技术上有几个问题需要解决，包括参考站的数据如何组织; 数据如何集中处理和管理；数据如何发布; 数据如何有高的实时性等。运用先进的信息技术，可以有效地解决上述问题，使GPS服务网发挥应有的功效。
[b]北京GPS服务网中的关键技术[/b]
1. 网络技术使基准站近在咫尺
北京GPS服务网系统结构如图1所示。网中的连续运行参考站分布在北京全市域各地，如何将这些参考站采集的数据有效地组织并传送到位于市中心的数据中心，是建设该服务网首先要解决的问题。利用北京市数据通信运营商提供的公用广域数据网构建的虚拟专网（VPN），在公用广域数据网的覆盖范围能够延伸到各个站点的前提下（需要多个运营商共同支持），可以有效地解决数据传输问题。为满足系统低时延和数据流高稳定性要求，站点与中心建立有永久虚链路；为了屏蔽掉运营商数据网的链路层协议，北京GPS服务网数据传输绑定在TCP/IP协议上，这样传输效率虽然略有降低，但是由于TCP/IP网络协议具有最广的普适性，基于此协议的系统便于配置、管理和开发。
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通常参考站配置高精度双频GPS接收机，这样的接收机可以将观测数据存储到接收机内部闪存上或者通过RS-232串口实时输出。接收机的串口与TCP/IP协议转换器连接，通过VPN，系统中心可以透明地访问接收机串口，类似地，所有基准站设备及其接口都可以“IP”化，因而基准站相对于中心而言近在咫尺。
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2.数据库技术使数据组织灵活有序
为保证精密解算，需要存储并发布参考站采集的原始观测数据。一般参考站采集的原始数据包括卫星原始观测数据、导航数据以及气象数据，按照时序组织成标准格式的文件（Rinex）。这种以文件为基础的数据管理和存储方式，适合于规模较小、实时性要求较低、提供服务内容较少的GPS连续运行参考站网。北京GPS服务网最终在北京建设28个连续运行参考站，每天产生数据约600MB，为北京市政府机关和社会其他用户的各类应用提供及时便捷的空间信息服务。如何科学、有效地存储、管理观测数据，使北京市全球卫星定位综合应用服务系统真正成为北京市的综合空间信息服务平台，是需要认真解决的关键课题之一。而要做到这样规模系统的海量数据常年累月地归档保存，并方便地按需随机抽取，客观上需要一种不同于以文件存储为基础的保存方式。在此背景下，可运用关系数据库来动态管理GPS连续运行参考站网采集的各类数据，在中心配置高可靠的数据库服务器，基准站配置数据库访问客户，通过传输代理机制，实时向中心数据库插入观测数据记录。
这种方式以 IP网络为传输基础，具有自动采集和存储数据的特点，并且实时性好，数据管理简便，数据组织灵活，不仅可以完成海量数据的长期存储，而且便于向各种应用提供高质量的数据服务。
3.Web技术使原始数据发布更加方便
GPS网观测的原始数据汇集到系统中心后，需要实时发布，供授权用户进行后处理，最优可以得到毫米级定位结果。原始数据发布多采用FTP（TCP/IP工具，文件传输协议）方式，数据按照一定采样率，以天为单位，以站点及年月日为文件名打包成标准格式文件，供用户FTP下载，这种传统下载方式是被动的，对用户而言没有交互性，数据包内容、采样率固定。
Web服务是目前主流的分布式计算、应用模式，电子商务的发展使Web服务思想随着Internet的普及而逐渐深入人心。信息在Web服务器端存储与处理，在用户浏览器中表现，用户浏览器与Web服务器之间以HTTP（超文本传输协议）表达服务与服务请求，信息及文本可以在浏览器与Web服务器间相互传送。
用户下载北京GPS服务网观测数据仅需要浏览器和服务系统的URL地址，连接到Web服务器后，Web返回给用户一个HTML页面，允许用户选择参考站站名、数据采样率和观测时段，并把这些信息提交给Web服务器，通知Web服务器激活Web应用从数据库中提出相关信息，并返回用户需要的数据文件的URL地址，供用户下载。图3示意了这种通用、友好、交互的GPS观测数据发布方式。
4.无线蜂窝网使差分数据发布更加可用
提供动态差分数据是北京市GPS服务网的重要功能。传统的差分数据发布主要采用在基准站架设电台，以VHF/UHF无线电波在区内（15公里范围）广播，这种方式的缺点是: 第一，用户端接收电台比较昂贵; 第二，电台实际覆盖范围受限于电台天线架设的高度和区内地形，会存在许多盲区; 第三，用户不方便根据实际情况，如接收卫星状态、无线信号的强度等合理地选择合适参考站; 第四，为了保证服务质量，每个参考站的电台需要一直开通，而不管这个小区内是否有用户。
近几年，无线蜂窝网在国内发展迅猛，几乎覆盖了城市的每个角落，城郊也覆盖了大部分地区。北京GPS服务网“借水行舟”，开发出集中统一的差分数据发布系统，该系统以无线蜂窝网为数据传输平台，以无线话音信道或无线数传信道（如GPRS）为差分数据传输信道，所有参考站从其接收机串口输出的差分数据通过VPN网络，汇集到系统服务中心，用户只需要配置手机，拨号接入到差分数据发布系统，系统根据移动用户作业地域，自动或手动地给用户分配恰当的参考站数据，用户实时接收差分数据后，实现最优到厘米级的测量作业，这样参考站差分数据可以实现最大范围、最好服务质量的全天候发布。
[b]基于北京GPS服务网的
应用服务 [/b]
当代信息技术的综合集成打造了现代的北京GPS服务网，使得全球卫星定位技术在北京进入到了实用化推广阶段。
系统按照提供服务的位移精度划分，可以分为米级精度服务、分米级精度服务、厘米级精度服务和毫米级精度服务。不同种类的服务，用户需要采用不同的终端，采用不同的数据获取手段。
米级精度:米级精度服务主要应用于车辆导航、一般性资源普查（如绿化带、林业带等）或一般性隔离区标定，由于要求定位精度低，接收机一般选用中低档GPS伪距差分接收机，同时为降低通信成本，采用无线公网信道，配置GSM或CDMA手机（要求支持数传），无手机信号的地域可以使用VHF/UHF信道。
分米级精度:分米级精度服务主要应用于中精度资源普查、中小比例尺测绘等。接收机一般选用高档GPS伪距差分接收机，通信信道根据使用地域和便利性可以选择无线公网或VHF/UHF。
厘米级精度:厘米级精度服务主要应用于土地房屋勘测、高精度资源普查、大比例尺测绘等。GPS卫星信号接收单元一般选用GPS双频RTK接收机，通信信道首选无线公网，配置GSM/CDMA手机。
毫米级精度:毫米级精度服务主要应用于地壳形变监测、大气水汽含量分析、电离层监测、建筑物形变监测、城市控制网布点和复测、科学研究等方面。用户需要配置大地测量型精密GPS接收机，参考站数据通过北京GPS服务网提供的Web服务系统下载得到。
应用北京GPS服务网实施精确定位、导航、资源普查、测绘、形变监测等业务，具有以下明显优势：
1.覆盖范围广。系统最终可以覆盖北京全市域。
2.可用性高。系统可以做到365×24不间断提供服务。
3.应用便利。用户只需要准备终端，不需要考虑差分站以及差分站的质量，而且主要通信手段是手机，连接安装简便。
4.数据质量有保证。系统有数据监测报警机制，提示用户合理选择有效作业时段。
5.节省资源。包括用户的架设基站费用、作业时间、作业人工等。
6.作业精度有保证。使用固定基站，可以避免因架设临时基站选站点不当而引入的起算偏差。
7.分工明确。用户可以把精力更多地投入到专业应用中，而空间信息可以由专业的技术队伍来管理。
8.节省频率资源。用户不需要专门申请基站频率，减少了区域电磁污染。
总之，北京市建设GPS服务网，一网多用，可以全面应用于北京城市基础测量、工程测量、资源普查、城市规划、市政建设、交通管理、气象预报、地震及地面沉降、灾害监测、农业和林业资源环境管理等，服务于“电子政务”，并对领导决策提供支持。
[b]背景资料：全球卫星定位系统(GPS)[/b]
全球卫星定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是美国从20世纪70年代开始研制、历时20年、耗资200亿美元于1994年全面建成的。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位、定时功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。
全球卫星定位系统包括空间部分、地面支撑系统（监控站等）、用户设备（接收机）等三部分。空间部分在外太空（19.1公里）有21颗工作卫星、4颗备用卫星。GPS卫星发射多个微波信号（载波L1 1575.42MHz、L2 1227.60MHz，C/A编码 1.023MHz，P编码 10.23MHz等），在微波上还调制了与卫星位置有关的数据信息。在地面（或空间）任何一点，GPS接收机都能够接收这些微波信号，并能够比较出微波从卫星经太空传输到地面接收机的时延，这个时延乘以真空光速，就可以得出测点到观测GPS卫星的距离，如果测点同时测量出自己到3颗以上GPS卫星的距离，建立简单的一组方程就可以算出测点的坐标。由于客观上存在卫星时钟与接收机时钟不一致、微波信号传输受电离层和对流层折射的影响、卫星位置本身的不准确等误差因素，民用GPS单点实时定位精度通常为15米（如果被干扰，精度会更低）。这样的精度除了满足一般的导航定位需求外，不能满足城市信息化建设的需要。
应用差分的方法可以将测量误差影响减到最低。相近的点（20公里左右）会观测到相同的卫星，微波信号传输通过的空间状态也大体相同，我们就可以认为这些点的同类误差是相同的，这样多个测点观测方程联合起来，将有相同未知数的方程相减，误差就可以被消掉，最后就可以得到比较精确的结果。特别是当一个点的位置坐标完全已知时，这个点可以快速地算出所有误差的总量，另一个点可以把这个误差总量拿来直接修正自己的位置坐标，这样省了大量的方程解算时间，从而使差分测量做到实时动态。差分测量分为实时差分和事后差分，根据接收机锁定的微波信号的不同，实时差分技术可以分为码差分（C/A码、P码）技术（RTD）和载波相位（L1、L2）差分技术（RTK）。载波相位差分技术的实时精度可以达到厘米级，而码差分的精度可以达到毫米级，完全可以满足各类空间信息化应用的需要。
因此，要获得更精密的空间信息，在应用GPS系统的基础上，需要向移动接收机提供同时段、相近地域（20公里以内）的差分信息。利用卫星导航定位技术，在一个城市或一个地区根据需求按一定距离建立常年运行的卫星永久跟踪站（参考站），通过数据通信网将参考站的数据集中处理，然后将差分信息发布给用户。用户只需一台接收机，进行野外作业时就可以进行各种精度的准实时、实时的快速定位、事后定位或导航定位。这样由参考站构成的网可以实现系统的数据在网内共享，向政府和社会提供服务。它不但具有全天候、全自动、实时导航定位功能，还可进行天气预报、灾害监测、提供无线通信和电网时间标准和电路检测等作业。因此，当前国内外建立这种GPS卫星定位服务网，代替分散的、短期的、静态的定位测量已是一种趋势。
（计算机世界报 第42期 D10、D11）
