北斗高精度服務(wù)保障技術(shù)方案探索

張 丹，余曉敏，王海濤，2

(1. 湖北省基礎(chǔ)地理信息中心(湖北省北斗衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)研究院)，湖北 武漢 430074； 2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074)

20世紀(jì)90年代中期，美國(guó)和蘇聯(lián)先后建成GPS和GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)，歐盟、中國(guó)出于各自的戰(zhàn)略考慮，競(jìng)相發(fā)展本國(guó)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開(kāi)啟了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS多系統(tǒng)互操作的新格局[1]。我國(guó)自主研發(fā)獨(dú)立建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為用戶提供全天候?qū)崟r(shí)定位、短報(bào)文通信、精密授時(shí)等服務(wù)[2]。隨著GNSS技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用普及，建立連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)CORS、提高定位精度，成為實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位的發(fā)展趨勢(shì)。作為國(guó)家數(shù)據(jù)空間基礎(chǔ)設(shè)施，CORS在社會(huì)各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，體現(xiàn)出巨大的科研價(jià)值、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了國(guó)家、各省市地區(qū)CORS的研究和建設(shè)，將CORS發(fā)展成為以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主、兼容其他GNSS系統(tǒng)的多系統(tǒng)集成的地基增強(qiáng)系統(tǒng)[3-7]。2017年下半年，中國(guó)開(kāi)啟覆蓋全球的北斗三號(hào)工程，將進(jìn)一步提高定位精度和完善服務(wù)能力[8]。

定位與地圖是密不可分的，電子地圖是定位結(jié)果的展示應(yīng)用載體，高精度地圖是高精度定位結(jié)果的展示應(yīng)用載體[9]。與普通電子地圖相比，高精度地圖能夠精確到車道，達(dá)到亞米級(jí)的精度，實(shí)現(xiàn)高精度定位結(jié)果的精準(zhǔn)展示和應(yīng)用。當(dāng)前，高精度地圖在自動(dòng)駕駛產(chǎn)業(yè)得到了廣泛和深入的應(yīng)用[10]?；谧詣?dòng)駕駛需求，高精度地圖主要集中在高速公路數(shù)據(jù)的采集、處理和上線，缺少對(duì)鄉(xiāng)村級(jí)道路的關(guān)注[11]。

在北斗產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、技術(shù)創(chuàng)新的戰(zhàn)略機(jī)遇期，作為北斗服務(wù)體系的重要組成部分，北斗高精度服務(wù)深度融合高精度定位和高精度地圖，利用高精度位置服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，提供米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的高精度定位與展示應(yīng)用能力，能夠?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、公共安全等諸多領(lǐng)域提供技術(shù)保障，大幅提升了北斗高精度服務(wù)的能力和應(yīng)用層次[12-15]。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用的不斷推廣，高精度服務(wù)在社會(huì)中的作用將越來(lái)越重要，需要考慮如何運(yùn)用和完善，發(fā)揮其最大效用[16]。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位是公安指揮調(diào)度不可或缺的技術(shù)手段，在公安工作中發(fā)揮著重要作用[17]。由于公安業(yè)務(wù)的敏感性和保密性，依賴國(guó)外衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)存在巨大的安全隱患，因此，在公安業(yè)務(wù)領(lǐng)域推廣使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種必然趨勢(shì)和內(nèi)在要求。公安350M系統(tǒng)是公安指揮調(diào)度的重要手段，該系統(tǒng)雖具有一定的定位功能，但定位精度不理想，無(wú)法滿足公安指揮調(diào)度對(duì)于高精度定位的需求。同時(shí)，作為指揮調(diào)度最核心的視覺(jué)呈現(xiàn)部分，往往由于地圖分辨率低而無(wú)法構(gòu)建兼顧高精度和大場(chǎng)景的防控圈。本文針對(duì)此情況，探索北斗高精度服務(wù)在公安350M指揮調(diào)度的保障技術(shù)方案。

1 服務(wù)分析

1.1 高精度定位

普通衛(wèi)星定位精度通常在10 m以上，為提高定位精度，通常采用差分定位技術(shù)。差分定位也叫相對(duì)定位，是根據(jù)2臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，主要有偽距差分和載波相位差分兩種實(shí)現(xiàn)方式。它們都是利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站及相應(yīng)的控制和服務(wù)系統(tǒng)，采用相應(yīng)的高精度數(shù)據(jù)處理方法，解算出高精度差分?jǐn)?shù)據(jù)，校正初始位置，實(shí)現(xiàn)快速實(shí)時(shí)、高精度定位。

1.2 高精度地圖

利用差分定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度定位。但只有高精度定位，沒(méi)有相匹配的高精度地圖，無(wú)法有效直觀地展示高精度位置。因此，高精度定位需要搭配高精度地圖，體現(xiàn)其精準(zhǔn)性，開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用。利用正射影像數(shù)據(jù)、地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)、原始導(dǎo)航數(shù)據(jù)，制作得到高精度地圖數(shù)據(jù)，按照標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)的方式發(fā)布，以Web地圖服務(wù)的方式運(yùn)行，建立地圖服務(wù)站點(diǎn)，提供一組標(biāo)準(zhǔn)的地圖功能組件，包括高級(jí)查詢、最短路徑、實(shí)時(shí)定位、精準(zhǔn)導(dǎo)航等。當(dāng)需要地圖數(shù)據(jù)或功能服務(wù)時(shí)，可以隨時(shí)隨地訪問(wèn)地圖站點(diǎn)，還可以調(diào)用地圖服務(wù)接口，從而為用戶提供一個(gè)更廣闊的空間。

2 技術(shù)方案

湖北省建設(shè)了全國(guó)首個(gè)省級(jí)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了北斗服務(wù)能力的全省覆蓋，能夠提供不同精度級(jí)別的差分?jǐn)?shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)米級(jí)到厘米級(jí)的精準(zhǔn)定位。湖北省采集全省路網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合全省正射影像數(shù)據(jù)，制作得到了高精度路網(wǎng)地圖，并將其用于高精度導(dǎo)航定位。湖北省公安350M指揮調(diào)度系統(tǒng)基本建設(shè)完成，終端支持北斗定位，利用北斗高精度服務(wù)，可以查看和跟蹤指定區(qū)域的警員、警車精準(zhǔn)定位信息，充分了解當(dāng)前警力在轄區(qū)內(nèi)的分布情況，為指揮調(diào)度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，有效把控全局。下面將詳細(xì)介紹基于高精度定位原理，利用高精度地圖，如何為公安350M系統(tǒng)提供北斗高精度服務(wù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)服務(wù)保障。

2.1 位置服務(wù)

2.1.1 高精度定位實(shí)現(xiàn)

公安350M指揮調(diào)度系統(tǒng)管理手持臺(tái)和車載臺(tái)兩類終端，終端內(nèi)置北斗芯片，可以接收衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)初始定位。首先，終端將初始位置上傳至350M系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)上傳至位置服務(wù)平臺(tái)；接著，位置服務(wù)平臺(tái)接收北斗地基增強(qiáng)的服務(wù)數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)，結(jié)合初始位置，解算得到終端對(duì)應(yīng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)；然后，將差分?jǐn)?shù)據(jù)回傳至終端，終端解算得到精確位置，實(shí)現(xiàn)高精度定位，如圖1所示。

2.1.2 位置服務(wù)平臺(tái)建設(shè)

位置服務(wù)平臺(tái)采用五層架構(gòu)，分別是基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)支撐層、服務(wù)層和應(yīng)用層。以北斗地基增強(qiáng)為基礎(chǔ)，利用一系列軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施，承載各類業(yè)務(wù)模塊的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)海量用戶訪問(wèn)、高并發(fā)、高可用。數(shù)據(jù)層主要包括實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)、歷史位置數(shù)據(jù)、參考站數(shù)據(jù)、用戶與終端數(shù)據(jù)等。服務(wù)支撐層包括分布式協(xié)調(diào)服務(wù)集群、數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)、網(wǎng)關(guān)接入、北斗位置服務(wù)。服務(wù)層包括基礎(chǔ)服務(wù)、位置服務(wù)、業(yè)務(wù)管理和運(yùn)行監(jiān)控。應(yīng)用層包括終端定位設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)，如圖2所示。

2.2 地圖支撐

湖北省開(kāi)展第一次全國(guó)地理國(guó)情普查，采集了全省路網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合全省正射影像數(shù)據(jù)，制作了高精度導(dǎo)航地圖，路網(wǎng)數(shù)據(jù)精細(xì)到鄉(xiāng)村級(jí)。通過(guò)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)提供的高精度位置服務(wù)，移動(dòng)終端在城市道路上的行駛軌跡能夠精確到車道，達(dá)到亞米級(jí)的精度，同時(shí)它在鄉(xiāng)村級(jí)的道路上的行駛軌跡也能與高精度導(dǎo)航地圖上的鄉(xiāng)村道路信息很好地契合，能夠?qū)崿F(xiàn)城市的亞米級(jí)定位和鄉(xiāng)村的精確定位，這是現(xiàn)有商業(yè)導(dǎo)航軟件所達(dá)不到的。

生產(chǎn)流程為：首先提取湖北省第一次全國(guó)地理國(guó)情普查路網(wǎng)數(shù)據(jù)，將提取的國(guó)情路網(wǎng)數(shù)據(jù)套合正射影像數(shù)據(jù)，進(jìn)行通村道路補(bǔ)充采集，得到最新的基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)；其次，對(duì)基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化，導(dǎo)入導(dǎo)航數(shù)據(jù)加工平臺(tái)；然后，參考規(guī)范化后的基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)原始導(dǎo)航路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾偏，提高原始導(dǎo)航路網(wǎng)數(shù)據(jù)的精度；最后，對(duì)規(guī)范化后的基礎(chǔ)路網(wǎng)數(shù)據(jù)參照糾偏后的原始導(dǎo)航路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分處理，獲取增量道路數(shù)據(jù)，依據(jù)導(dǎo)航數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)要求，將增量道路數(shù)據(jù)與糾偏后的原始導(dǎo)航路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及編輯處理。成果如圖3、圖4所示。

2.3 終端配備

在出現(xiàn)緊急狀況時(shí)，公安部門(mén)需要在第一時(shí)間安排人員前往處理，并且要求在出警過(guò)程中實(shí)時(shí)與指揮中心進(jìn)行溝通，由指揮中心根據(jù)事態(tài)的發(fā)展統(tǒng)一調(diào)度各方面的資源來(lái)協(xié)同處理，爭(zhēng)取在最短的時(shí)間解決突發(fā)事件，以保證公安系統(tǒng)工作的高效性。現(xiàn)階段，警務(wù)人員使用的定位終端的精度比較低，定位誤差在十米至幾十米，在出警過(guò)程中不能將準(zhǔn)確的位置上報(bào)給指揮中心，不利于指揮中心進(jìn)行科學(xué)的調(diào)度。為提高調(diào)度的精準(zhǔn)性，配備可接收北斗高精度位置服務(wù)的高精度終端，集成支持差分解算的芯片，通過(guò)差分通訊模塊，實(shí)現(xiàn)與高精度平臺(tái)的通信，獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行位置修正，將定位精度提高到亞米級(jí)，便于精確管理，見(jiàn)表1。

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2.4 安全保障

根據(jù)公安部于《公安信息通信網(wǎng)邊界接入平臺(tái)安全規(guī)范(試行)》要求，外部其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息接入公安信息網(wǎng)，必須通過(guò)公安信息中心邊界接入平臺(tái)，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)公安機(jī)關(guān)從公安信息通信網(wǎng)外采集信息或?qū)ν馓峁┑男畔⒎?wù)，并實(shí)現(xiàn)接入業(yè)務(wù)的安全監(jiān)控與審計(jì)。通過(guò)公安信息中心邊界接入平臺(tái)控制，保障數(shù)據(jù)安全性。

3 總 結(jié)

基于北斗地基增強(qiáng)的差分定位原理，融合多種定位手段，以公安350M指揮調(diào)度系統(tǒng)為接入點(diǎn)，探索了一套有效的北斗高精度服務(wù)保障技術(shù)方案，能夠提高終端定位精度，減少誤判率，節(jié)省人力成本，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)信息安全、自主可控。在此基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展面向各類警種業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和警用終端接口，統(tǒng)一發(fā)布高精度位置服務(wù)，各級(jí)根據(jù)自身需求獲取調(diào)用高精度位置，開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建設(shè)和應(yīng)用思路上的創(chuàng)新，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。