基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺設(shè)計及其應(yīng)用

劉宇宏，陳 龍，王亞鳴

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

隨著中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)域組網(wǎng)的完成，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)展開了。目前初步建成的北斗區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)定位精度25m，2020年建成的北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)精度有望達(dá)到10m，難以滿足精密測繪、地殼和大型構(gòu)筑物形變以及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等專業(yè)領(lǐng)域和航空導(dǎo)航、汽車導(dǎo)航、個人定位等大眾應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呔任恢眯畔⒌男枨?。因此，須用地面精度增?qiáng)方式提高終端的定位精度。連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）作為可行、可靠的面定位增強(qiáng)模式，借助網(wǎng)絡(luò)差分等多種增強(qiáng)技術(shù)，能為終端設(shè)備提供米級至厘米級的實(shí)時增強(qiáng)服務(wù)，是高精度導(dǎo)航定位的有效解決方案［1］。此外，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)生活中作用與地位的日益顯著，在戰(zhàn)時北斗系統(tǒng)也會成為敵方攻擊的主要目標(biāo)，一旦遭受毀傷，就會使依賴于它的載體陷入癱瘓狀態(tài)。此時，借助于地面CORS系統(tǒng)彌補(bǔ)衛(wèi)星導(dǎo)航的不足，保障各類載體導(dǎo)航定位的精度，也將成為新型CORS系統(tǒng)中不可忽視的內(nèi)容。為此，本文對建設(shè)基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺進(jìn)行了研究。

1 平臺總體設(shè)計

1.1 基本結(jié)構(gòu)

基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺主要包括CORS參考站網(wǎng)絡(luò)、控制與數(shù)據(jù)中心和通信鏈路三個主要部分。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

圖1 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺組成Fig.1 Basic structure of Beidou-CORS

所有CORS參考站組成一個互連的網(wǎng)絡(luò)，每個參考站實(shí)時接收導(dǎo)航衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，處理后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送回控制與數(shù)據(jù)中心，并由控制與數(shù)據(jù)中心用多個參考站進(jìn)行聯(lián)合解算，求得差分信息，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)播發(fā)給用戶。控制與數(shù)據(jù)中心還完成對參考站網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面的監(jiān)測、控制和管理。

1.2 通信鏈路

參考站與控制與數(shù)據(jù)中心間通過有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，可考慮電信部門提供的SDH，DDN，VPN，ADSL等數(shù)據(jù)專線服務(wù)。移動用戶與控制與數(shù)據(jù)中心間通過公共移動通信網(wǎng) GPRS，CDMA，3G，WLAN等技術(shù)，可適應(yīng)不同用戶對速率的不同需求。事后用戶和系統(tǒng)內(nèi)部用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)訪問?？刂婆c數(shù)據(jù)中心內(nèi)部通過配置千兆局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與傳輸。比較和分析通過不同通信方式，設(shè)計的內(nèi)外數(shù)據(jù)流接口和通信方式見表1。

網(wǎng)絡(luò)通信安全是整個平臺可靠性的保障，外部用戶或系統(tǒng)通過防火墻訪問平臺，并采用網(wǎng)絡(luò)層加密設(shè)備實(shí)現(xiàn)端至端的加密。此外，控制與數(shù)據(jù)中心還預(yù)留了多種接口，以適應(yīng)通信方式的擴(kuò)展需要［3－4］。

1.3 服務(wù)模式

基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺的一個主要特色是提供了豐富的服務(wù)模式，即包括實(shí)時網(wǎng)絡(luò)RTK、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)RTD、實(shí)時動態(tài)定位、事后靜態(tài)定位、中心實(shí)時位置解算服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)RTK事后精密定位、自主導(dǎo)航電文播發(fā)服務(wù)等多種服務(wù)。不同服務(wù)模式對應(yīng)于不同的服務(wù)精度和服務(wù)對象，因此需設(shè)計開發(fā)不同的解算軟件或修改現(xiàn)有解算軟件，分別建立相應(yīng)的流程控制模型、數(shù)據(jù)處理模型和數(shù)據(jù)管理模型，解決服務(wù)資源的調(diào)度、服務(wù)流程控制和服務(wù)數(shù)據(jù)管理等。

表1 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺內(nèi)外數(shù)據(jù)流接口和通信方式Tab.1 Data stream interface and communication mode of Beidou-CORS

多種服務(wù)模式下平臺工作流程如圖2所示。用戶、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、參考站、控制與數(shù)據(jù)中心共同完成用戶的服務(wù)請求。

圖2 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺工作流程Fig.2 Flowchart of Beidou-CORS

當(dāng)用戶發(fā)出服務(wù)請求后，由服務(wù)網(wǎng)關(guān)接收用戶服務(wù)請求，并從控制與數(shù)據(jù)中心調(diào)入用戶信息，判別用戶服務(wù)權(quán)限。對授權(quán)用戶，服務(wù)網(wǎng)關(guān)將其服務(wù)請求發(fā)送至控制與數(shù)據(jù)中心，實(shí)施具體的服務(wù)。控制與數(shù)據(jù)中心實(shí)時接收參考站采集到的實(shí)時導(dǎo)航信號原始觀測值，并根據(jù)用戶請求的服務(wù)模式，啟動相應(yīng)的服務(wù)流程并生成服務(wù)信息。最終由控制與數(shù)據(jù)中心將服務(wù)信息發(fā)送至用戶。各種服務(wù)模式見表2。

2 平臺關(guān)鍵部分建設(shè)

2.1 參考站

參考站作為Beidou-CORS平臺的重要組成部分，盡可能設(shè)計為無人值守型。參考站跟蹤視野內(nèi)所有衛(wèi)星，自主完成導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、采集、處理、存儲、傳輸和自動監(jiān)測報警，以及遠(yuǎn)程控制與管理等功能。其中：導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、采集、處理、存儲和傳輸是參考站必備的功能，自動監(jiān)測報警和遠(yuǎn)程控制與管理可根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)的要求和實(shí)際選擇。

參考站建設(shè)中需設(shè)計參考站的分布、選址、結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)完好性監(jiān)測等［5］。參考站相鄰站間的距離不宜太遠(yuǎn)。緯度越低的地區(qū)，電離層也越活躍，模型化殘差也越大。多路徑誤差是CORS定位測量中最嚴(yán)重的誤差，取決于天線周圍的環(huán)境。多徑誤差一般為5cm，高反射環(huán)境中可達(dá)19cm。目前，很難區(qū)分多徑誤差和天線相位中心的變化，故參考站選點(diǎn)時需削弱多徑誤差。

參考站主要由室外設(shè)備和室內(nèi)設(shè)備兩部分構(gòu)成，如圖3所示［8］。室外設(shè)備一般包括天線基體（即天線墩）、天線固定裝置、導(dǎo)航接收機(jī)天線、導(dǎo)航信號發(fā)射天線和防雷設(shè)備，主要功能是接收導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)和在戰(zhàn)時發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星模擬信號，同時保護(hù)參考站設(shè)備。室內(nèi)設(shè)備主要包括多模導(dǎo)航接收機(jī)、電涌保護(hù)器、UPS電源、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和機(jī)柜等，主要功能是進(jìn)行室外接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理、存儲和向數(shù)據(jù)中心的傳輸。

選擇參考站接收機(jī)時，因單頻接收機(jī)性能有限，不適于多功能用途的基準(zhǔn)站，故常首選雙頻接收機(jī)。目前，參考站接收機(jī)采用CORS基準(zhǔn)站專用GNSS雙頻多模接收機(jī)。

表2 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺服務(wù)模式Tab.2 Service mode of Beidou-CORS

圖3 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺參考站組成Fig.3 CORS’configuration of Beidou-CORS

2.2 控制與數(shù)據(jù)中心

控制與數(shù)據(jù)中心是整北斗導(dǎo)航CORS綜合服務(wù)平臺的核心，主要由內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理軟件、用戶監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器等組成，對參考站提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、分流、同步、解算、生成等處理，并根據(jù)用戶提出的服務(wù)請求進(jìn)行數(shù)據(jù)融合或信息集成；對參考站和中心的運(yùn)行狀態(tài)和情況進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理；對內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理；對注冊用戶進(jìn)行管理、分析和挖掘；通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布或通信鏈路傳輸向用戶提供相應(yīng)的服務(wù)信息［6］。

控制與數(shù)據(jù)中心的組成如圖4所示，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用業(yè)務(wù)層和服務(wù)渠道層。

a）基礎(chǔ)設(shè)施層利用北斗／GNSS、CORS、公共電信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和過濾篩選，并將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)資源層的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲。

b）數(shù)據(jù)資源層和數(shù)據(jù)處理層制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式，分類建立各類數(shù)據(jù)庫，并處理與交換數(shù)據(jù)。進(jìn)行高精度定位數(shù)據(jù)計算與數(shù)據(jù)挖掘，為支撐上層應(yīng)用的各類應(yīng)用軟件和支撐軟件，實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)同操作。

c）應(yīng)用業(yè)務(wù)層和應(yīng)用渠道層提供位置服務(wù)、通信服務(wù)、授時服務(wù)等關(guān)鍵應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、現(xiàn)場服務(wù)、用戶電話呼叫中心等服務(wù)方式構(gòu)建全面的服務(wù)渠道。

2.3 數(shù)據(jù)處理算法及軟件

數(shù)據(jù)處理算法軟件是整個平臺有效運(yùn)行的保障，直接影響平臺服務(wù)的性能。平臺的主要算法軟件包括參考站的數(shù)據(jù)處理算法與管理軟件、數(shù)據(jù)與控制中心的數(shù)據(jù)處理算法與管理軟件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件和用戶應(yīng)用終端數(shù)據(jù)處理軟件等，各類種軟件功能見表3［7－8］。

參考站數(shù)據(jù)處理算法在接收并處理導(dǎo)航衛(wèi)星信號時，需考慮導(dǎo)航信號兼容捕獲算法軟件對多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性，因此捕獲算法中須能支持信號特性：BPSK，QPSK，BOC等基本信號調(diào)制方式；1.023～10.23Mc／s等多種偽碼速率；不同偽碼周期（511和1 023整數(shù)倍）。

圖4 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺控制與數(shù)據(jù)中心組成Fig.4 Control and data center configuration of Beidou-CORS

表3 基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺各類算法軟件Tab.3 Algorithms and software of Beidou-CORS

由于參考站和流動站得到的觀測值表現(xiàn)為幾何距離以及多種系統(tǒng)誤差之和，當(dāng)僅考慮電離層延遲和對流層延遲誤差，忽略其他系統(tǒng)誤差影響時，則可建立參考站A（固定參考站網(wǎng)絡(luò)中距離流動站最近的一個參考站）與虛擬參考站V間的觀測方程。觀測方程分別在相同衛(wèi)星對間求一次差，由此可得虛擬觀測站觀測值的單差觀測值

式中：λ為載波相位波長；φ為載波相位觀測值；ρ為站星間幾何距離；I為電離層延遲；T為對流層偏差；O為衛(wèi)星軌道偏差；M為多路徑效應(yīng)誤差；ε為接收機(jī)噪聲；上標(biāo)i，j表示衛(wèi)星標(biāo)號，下標(biāo)A，V分別表示真實(shí)及虛擬參考站；Δ，Δ▽分別為單差及雙差因子。

可見，虛擬參考站的觀測值實(shí)際上包括參考站A載波相位觀測值、幾何配置和空間相關(guān)改正數(shù)，其中僅第三項(xiàng)空間相關(guān)誤差項(xiàng)為未知值，需通過建立適當(dāng)?shù)恼`差計算模型進(jìn)行估計。因此，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量虛擬參考站觀測值的核心是精確計算空間相關(guān)改正數(shù)。因虛擬參考站與用戶流動站距離較近，其距離相關(guān)的系統(tǒng)誤差殘差近似相等，由建立雙差觀測方程，電離層延遲、對流層延遲和軌道誤差等與距離相關(guān)的誤差得到消除或較大的削弱，其動態(tài)定位的精度可達(dá)厘米級，且其初始化時間將明顯減少。

實(shí)時網(wǎng)絡(luò)RTK模式下的數(shù)據(jù)處理算法應(yīng)用流程如圖5所示。

空間相關(guān)誤差主要由電離層延遲誤差、對流層延遲誤差和衛(wèi)星軌道誤差組成。因參考站坐標(biāo)精確已知，求得參考站間的基線整周模糊度后，可準(zhǔn)確估計參考站間實(shí)時的對流層和電離層延遲等距離相關(guān)誤差影響，并建立區(qū)域誤差內(nèi)插模型，生成網(wǎng)絡(luò)改正數(shù)發(fā)送給流動站用戶［9］。因此，整周模糊度的實(shí)時正確解算是用戶實(shí)現(xiàn)精密定位的前提。

誤差改正數(shù)解算軟件將所有參考站基于距離相關(guān)的偏差利用內(nèi)插的方法改正到虛擬參考站上。由于虛擬觀測數(shù)據(jù)是基于參考站網(wǎng)絡(luò)生成的，其各項(xiàng)空間相關(guān)誤差分布較均勻，故在用于流動站進(jìn)行定位解算時，由差分能較好地消除相關(guān)誤差項(xiàng)，進(jìn)而獲得高精度的定位結(jié)果［10］。

3 平臺示范應(yīng)用

3.1 面向上海的平臺

圖5 實(shí)時網(wǎng)絡(luò)RTK模式下數(shù)據(jù)處理算法應(yīng)用流程Fig.5 Data processing flowchart of RTK mode

上海作為全球重要的經(jīng)濟(jì)、貿(mào)易和航運(yùn)中心以及特大移民城市，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用的需求迫切而獨(dú)特。面向上海的北斗連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺建成后，可用于上海城市基礎(chǔ)測繪、國土資源調(diào)查管理、市政工程建設(shè)管理、智能交通管理與控制、車載導(dǎo)航和精細(xì)農(nóng)業(yè)等多個應(yīng)用領(lǐng)域，成為上海智慧城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，同時促進(jìn)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)成果應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?，具有廣闊的社會效益和市場應(yīng)用前景。

面向上海市的北斗連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺應(yīng)用示范建設(shè)可分試驗(yàn)驗(yàn)證、區(qū)域完善和全面推廣三個階段分步實(shí)施。目前進(jìn)行的試驗(yàn)驗(yàn)證階段將在上海市區(qū)內(nèi)建成實(shí)驗(yàn)性參考站3～5個和控制與數(shù)據(jù)中心1個，初步形成覆蓋上海市區(qū)的高精度北斗（兼容GPS）導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)和增值服務(wù)，驗(yàn)證平臺性能和軟硬件功能。區(qū)域完善階將段建成參考站10～15個，形成覆蓋整個華東地區(qū)的北斗高精度地面增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)大型基于云計算的位置及服務(wù)數(shù)據(jù)中心，并成為國家位置數(shù)據(jù)中心的異地備份中心。全面推廣階段將建設(shè)面向更廣區(qū)域和更多行業(yè)的商用北斗導(dǎo)航地面增強(qiáng)網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)體系。

上海地區(qū)主要處于中低緯度，設(shè)計的參考站間的距離以40km左右為較合適。覆蓋全市95%以上地區(qū)的參考站15個網(wǎng)分布如圖6所示。其中最長基線60km，最短基線20km。

圖6 面向上海市的北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺參考站網(wǎng)絡(luò)分布Fig.6 CORS network distribution of Shanghai Beidou-CORS

建立一個系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)中心，地點(diǎn)選在上海市內(nèi)。中心由高性能服務(wù)器6臺、磁盤陣列柜1臺及光纖通道設(shè)備組成，采用SAN和雙機(jī)熱備技術(shù)，保障服務(wù)業(yè)務(wù)和監(jiān)控調(diào)度平臺的正常運(yùn)行。所有參考站的數(shù)據(jù)傳輸至陣列中進(jìn)行讀取和存儲，極大地保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全性和保密性。中心不僅可實(shí)現(xiàn)室外高精度定位功能，并且采用數(shù)據(jù)融合和無線通信技術(shù)，向用戶提供基于位置的氣象、醫(yī)療、交通、商業(yè)和其他感興趣的信息等增值服務(wù)，用戶能隨時了解其所處的位置，并可延伸到周圍感興趣的場所或其他移動物體的位置信息等。

3.2 面向未來的平臺應(yīng)用設(shè)想

在未來3～5年內(nèi)，室內(nèi)定位技術(shù)將會有長足的發(fā)展。屆時，可借助于北斗導(dǎo)航CORS綜合服務(wù)平臺的高精度室外定位能力和成熟的室內(nèi)定位技術(shù)與產(chǎn)品，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位的無縫銜接等功能。

低軌小衛(wèi)星中繼星及其組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與通信的一體化和進(jìn)一步發(fā)展天基北斗CORS增強(qiáng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，借助于低軌小衛(wèi)星網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和通信能力，播發(fā)地面CORS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)產(chǎn)生的增強(qiáng)信號，形成一個天基增強(qiáng)與地基增強(qiáng)相結(jié)合、導(dǎo)航與通信相結(jié)合的天地一體的綜合型服務(wù)平臺，從而可面向全國以及全球?yàn)楦鼜V大的用戶提供服務(wù)?；谖恢玫奶斓匾惑w化信息綜合服務(wù)框架如圖7所示。

圖7 基于位置的天地一體化信息綜合服務(wù)框架Fig.7 Location based space and ground information integration service

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于北斗的連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)平臺。與以往的地面增強(qiáng)系統(tǒng)相比，該平臺的集成度高、工作模式豐富、兼容性強(qiáng)、擴(kuò)展性好，其設(shè)計集導(dǎo)航衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的接收與處理、導(dǎo)航增強(qiáng)信號的生成與發(fā)布，以及基于位置的多源信息融合等于一體，可形成數(shù)據(jù)采集、存儲、處理、傳輸和應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈。面向不同的用戶需求，提供實(shí)時網(wǎng)絡(luò)RTK、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)RTD、區(qū)域增強(qiáng)PPP、中心實(shí)時位置解算、網(wǎng)絡(luò)RTK事后精密定位和自主導(dǎo)航電文播發(fā)等多種服務(wù)模式。在滿足北斗導(dǎo)航衛(wèi)星地面高精度增強(qiáng)的同時，兼容GPS；在滿足地面區(qū)域增強(qiáng)的同時，面向未來，可與天基增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)合，形成基于位置的天地一體化信息綜合服務(wù)體系，有廣闊的應(yīng)用前景。

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