基于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究

杜仲進(jìn)

( 福建省測繪院, 福州 350003 )

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)提供的空間信息服務(wù)(導(dǎo)航、定位與授時(PNT))已經(jīng)在交通導(dǎo)航、農(nóng)林漁業(yè)、氣象測報、通信授時和公共安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用. 由于GNSS發(fā)射的無線電波受到電離層和對流層延遲、地表起伏、凈空環(huán)境和其他信號干擾等影響，造成地表部分區(qū)域存在信號盲區(qū)或者導(dǎo)航定位信號無法有效使用的情況，且定位精度在米級以上，不能滿足高精度定位、形變監(jiān)測和自然資源行業(yè)生產(chǎn)需求，通過構(gòu)建區(qū)域北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，提供高精度位置服務(wù)[1-3]，滿足對高精度定位的公共和商業(yè)服務(wù)需求.

傳統(tǒng)的區(qū)域北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)依托原有的連續(xù)運行參考站 (CORS)資源，提供的相關(guān)位置服務(wù)存在并發(fā)數(shù)量小、數(shù)據(jù)安全防護(hù)隱患、無法有效地實現(xiàn)系統(tǒng)運行維護(hù)、管理、服務(wù)和成果共享. 通過構(gòu)建省級北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)位置服務(wù)平臺，研究“虛擬格網(wǎng)技術(shù)”和“大規(guī)模并發(fā)用戶的位置服務(wù)響應(yīng)技術(shù)”，解決上述存在的問題，對位置服務(wù)平臺拓展行業(yè)應(yīng)用，奠定可靠的基礎(chǔ).

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 虛擬格網(wǎng)技術(shù)

在一定區(qū)域內(nèi)，星歷誤差、大氣延遲誤差和衛(wèi)星鐘差等誤差具有較好的空間相關(guān)性，這些誤差對該區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的影響大致相同，因此定位結(jié)果在該區(qū)域內(nèi)具有相關(guān)性[4-5]. 虛擬格網(wǎng)技術(shù)即利用了上述這種相關(guān)性，通過對區(qū)域北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)，按照一定的格網(wǎng)大小進(jìn)行劃分，利用基準(zhǔn)站的實時觀測數(shù)據(jù)以及基準(zhǔn)站的坐標(biāo)生成格網(wǎng)中心點的虛擬觀測值，構(gòu)建基于虛擬觀測值的差分格網(wǎng)，通過位置服務(wù)平臺進(jìn)行差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)和服務(wù).

本文采用雙差模式建立格網(wǎng)中心點的虛擬觀測值，選擇參考衛(wèi)星ref，則虛擬觀測值計算公式為：

式中： Δ 為單差因子； Δ ? 為雙插因子；s為衛(wèi)星標(biāo)識；A為測站標(biāo)識；v為虛擬格網(wǎng)點標(biāo)識；i為GNSS信號頻率(i=1,2,3 ) ； λi為 對應(yīng)頻點的波長為偽距觀測值；為載波相位觀測值；為衛(wèi)星與接收機(jī)間的幾何距離；為電離層延遲誤差；為對流層延遲誤差.

移動終端設(shè)備根據(jù)概略位置坐標(biāo)確定該設(shè)備所處格網(wǎng)點，并利用最近的格網(wǎng)中心點改正數(shù)據(jù)進(jìn)行實時差分定位，獲取所需的定位結(jié)果信息.

1.2 大規(guī)模并發(fā)用戶的位置服務(wù)響應(yīng)技術(shù)

通過研究位置服務(wù)信息安全技術(shù)、數(shù)據(jù)共享機(jī)制、設(shè)備負(fù)載均衡和彈性管理等技術(shù)，使得位置服務(wù)平臺通過虛擬化技術(shù)整合位置服務(wù)資源，形成一個對外提供綜合資源的池化管理器，通過位置服務(wù)平臺，響應(yīng)大規(guī)模并發(fā)用戶的位置服務(wù)訪問需求.

1) 位置服務(wù)信息安全技術(shù)

位置服務(wù)信息安全技術(shù)對基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸、國際GNSS服務(wù)(IGS)精密數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)處理部分，按照安全防護(hù)技術(shù)路線執(zhí)行，配備單向光閘等硬件設(shè)備，安裝數(shù)據(jù)規(guī)約和內(nèi)容審計軟件，按照網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)要求部署網(wǎng)絡(luò)等級保護(hù)系統(tǒng)[6-7]. 基準(zhǔn)站通過2 M MSTP或SDH廣域?qū)＞€網(wǎng)絡(luò)將實時載波相位和偽距等觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過單向光閘傳輸至系統(tǒng)控制中心，利用計算服務(wù)器資源、網(wǎng)絡(luò)實時動態(tài)(RTK)解算軟件和格網(wǎng)生成軟件，產(chǎn)生一定間距的格網(wǎng)化差分改正數(shù)，經(jīng)過合規(guī)軟件審核后，分別通過數(shù)據(jù)播發(fā)交換子網(wǎng)和數(shù)據(jù)播發(fā)服務(wù)子網(wǎng)，利用位置服務(wù)平臺軟件實現(xiàn)用戶管理和差分改正數(shù)的播發(fā)等功能. 移動終端在接入系統(tǒng)服務(wù)時，將其概略位置上傳至位置服務(wù)平臺，通過位置服務(wù)平臺轉(zhuǎn)發(fā)，獲得對應(yīng)最近格網(wǎng)點的差分改正數(shù). 在上述工作流程中，基準(zhǔn)站實時數(shù)據(jù)流、相應(yīng)坐標(biāo)文件的導(dǎo)入、數(shù)據(jù)計算和格網(wǎng)差分?jǐn)?shù)生成都是按照一個方向傳輸，上述部分沒有雙向通信，保證了基準(zhǔn)站核心數(shù)據(jù)的安全. 圖1為位置服務(wù)信息安全技術(shù)路線.

圖1 位置服務(wù)信息安全技術(shù)路線圖

2) 位置服務(wù)數(shù)據(jù)共享機(jī)制

針對系統(tǒng)提供的不同精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位位置服務(wù)，建立基于差分?jǐn)?shù)據(jù)格網(wǎng)的位置服務(wù)數(shù)據(jù)源共享機(jī)制，保障了基準(zhǔn)站實時數(shù)據(jù)流的安全，增強(qiáng)了系統(tǒng)位置服務(wù)平臺拓寬應(yīng)用能力. 按照所選定的區(qū)域面積和定位精度需求，指定的格網(wǎng)間距為8 km×8 km，格網(wǎng)點數(shù)達(dá)到2 264個. 圖2利用NTRIP協(xié)議，向網(wǎng)絡(luò)RTK計算軟件請求數(shù)據(jù)，保證每個格網(wǎng)點上均有差分?jǐn)?shù)據(jù)獲取，利用電子標(biāo)簽將所有格網(wǎng)點上的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合生成一條實時數(shù)據(jù)流，以格網(wǎng)的形式，利用格網(wǎng)差分系統(tǒng)與位置服務(wù)平臺關(guān)聯(lián)，通過SDK開發(fā)包或者API接口，實現(xiàn)位置服務(wù)數(shù)據(jù)的共享，建立基于差分改正數(shù)據(jù)的位置服務(wù)數(shù)據(jù)共享機(jī)制.

圖2 虛擬格網(wǎng)點生成圖

3) 負(fù)載均衡和彈性管理技術(shù)

負(fù)載均衡是對多臺高性能的計算服務(wù)器組成一個服務(wù)器集，每臺服務(wù)器可以單獨對外或者聯(lián)合其他服務(wù)器一起完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)計算任務(wù). 通過動態(tài)負(fù)載分擔(dān)技術(shù)，將來自外部的任務(wù)請求均勻分配到對稱結(jié)構(gòu)中的某一臺服務(wù)器資源中，服務(wù)器獨立地處理任務(wù)請求. 福建省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)資源采用VMware軟件的可用性解決方案，是一套基于虛擬化環(huán)境并由軟件定義的高可用與災(zāi)難恢復(fù)解決方法，利用VMware vSphere對系統(tǒng)控制中心計算服務(wù)器資源進(jìn)行整體虛擬化，實現(xiàn)計算資源調(diào)用、網(wǎng)絡(luò)資源分配和服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w負(fù)載均衡功能.

2 系統(tǒng)架構(gòu)

利用福建省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)基礎(chǔ)資源，位置系統(tǒng)服務(wù)平臺采用SOA面向服務(wù)的設(shè)計結(jié)構(gòu)，設(shè)計三層架構(gòu)，包括基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺運行層、應(yīng)用服務(wù)層，圖3為系統(tǒng)總體架構(gòu).

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

基礎(chǔ)設(shè)施層包括北斗基準(zhǔn)站網(wǎng)、控制中心軟硬件資源和網(wǎng)絡(luò)通信鏈路系統(tǒng)等，提供衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的采集、數(shù)據(jù)傳輸和存儲，完成數(shù)據(jù)完好性和數(shù)據(jù)質(zhì)量的預(yù)處理等工作.

平臺運行層提供衛(wèi)星觀測載波和偽距數(shù)據(jù)所需軟件的系統(tǒng)環(huán)境，對基準(zhǔn)站實時數(shù)據(jù)流進(jìn)行綜合地自動化處理，形成事后精密定位、基準(zhǔn)站穩(wěn)定性分析(區(qū)域速度場模型構(gòu)建)和位置服務(wù)差分?jǐn)?shù)據(jù)成果[8].

應(yīng)用服務(wù)層接收數(shù)據(jù)處理層提供的系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)、格網(wǎng)差分?jǐn)?shù)據(jù)和其他系統(tǒng)預(yù)警評估信息數(shù)據(jù)等，構(gòu)建位置服務(wù)平臺，實現(xiàn)基準(zhǔn)站運行維護(hù)、管理、服務(wù)和數(shù)據(jù)共享等功能，提供自然資源管理和公共服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用.

3 平臺功能

福建省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)位置服務(wù)平臺，根據(jù)實現(xiàn)功能劃分，包括定位服務(wù)子系統(tǒng)、地圖服務(wù)子系統(tǒng)、系統(tǒng)管理子系統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)、運行監(jiān)控子系統(tǒng)和成果展示子系統(tǒng). 系統(tǒng)功能劃分如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)功能劃分圖

其中定位服務(wù)子系統(tǒng)，依托福建省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，重點解決位置服務(wù)大規(guī)模差分服務(wù)能力，提供不同精度類型的差分?jǐn)?shù)據(jù)，滿足從厘米級到米級多層次的不同應(yīng)用需求，更好地提升應(yīng)用服務(wù)的質(zhì)量及使用體驗. 定位服務(wù)子系統(tǒng)包括核心計算軟件、虛擬化計算資源和差分格網(wǎng)系統(tǒng)等.

地圖服務(wù)子系統(tǒng)利用天地圖服務(wù)，調(diào)取天地圖的地圖服務(wù)，并提供高性能的地圖服務(wù)能力，以滿足行業(yè)應(yīng)用統(tǒng)計的需求，為高精度位置與導(dǎo)航提供權(quán)威、統(tǒng)一、規(guī)范的地理底圖服務(wù)，實現(xiàn)基于地圖服務(wù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示功能. 地圖服務(wù)子系統(tǒng)包括地理底圖服務(wù)、高性能地圖服務(wù).

系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，為平臺各子系統(tǒng)及應(yīng)用系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù). 基礎(chǔ)服務(wù)子系統(tǒng)包括統(tǒng)一接入服務(wù)、身份認(rèn)證服務(wù)和基準(zhǔn)站管理等.

用戶管理子系統(tǒng)提供平臺業(yè)務(wù)相關(guān)管理功能，包括用戶管理、終端管理和終端監(jiān)控等功能，為管理員和用戶提供業(yè)務(wù)管理的Web頁面.

運行監(jiān)控子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對平臺的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對系統(tǒng)各類硬件、服務(wù)性能、資源占用、完好性、連續(xù)性、可用性等進(jìn)行綜合監(jiān)測與評估，統(tǒng)計各類服務(wù)狀況，實現(xiàn)系統(tǒng)故障的實時監(jiān)測，為系統(tǒng)故障快速恢復(fù)提供技術(shù)依據(jù)，為系統(tǒng)運維質(zhì)量評價提供管理依據(jù)，確保系統(tǒng)能夠長期、可靠、穩(wěn)定和自主運行.

成果展示子系統(tǒng)是基于位置服務(wù)平臺的實時監(jiān)控和服務(wù)數(shù)據(jù)，綜合展示平臺的運行維護(hù)和公共服務(wù)的相關(guān)成果，實現(xiàn)系統(tǒng)的高效管理、用戶服務(wù)和成果展示.

4 平臺實現(xiàn)

4.1 平臺運行

福建省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)位置服務(wù)平臺實現(xiàn)系統(tǒng)運行維護(hù)、位置服務(wù)分發(fā)、成果展示和數(shù)據(jù)共享等功能，提供了從厘米級到米級的位置差分服務(wù). 圖5為平臺運行圖.

圖5 平臺運行圖

監(jiān)控中心：監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，包括北斗基準(zhǔn)站狀態(tài)、統(tǒng)計服務(wù)終端接入數(shù)量、差分服務(wù)數(shù)據(jù)使用情況、位置服務(wù)用戶地域分布、超授權(quán)范圍使用和時段使用情況等，具體如圖6所示.

圖6 監(jiān)控中心圖

位置服務(wù)使用頻率統(tǒng)計圖: 統(tǒng)計厘米級位置服務(wù)使用頻率和地域分布，按照終端作業(yè)次數(shù)，以格網(wǎng)的方式進(jìn)行統(tǒng)計繪制，繪制出全省范圍內(nèi)厘米級位置服務(wù)日均和年度頻率的統(tǒng)計圖，如圖7～8所示. 經(jīng)過統(tǒng)計可以得出，福建省沿海地區(qū)、武夷山新區(qū)、龍巖市區(qū)、漳州市市區(qū)和三明市區(qū)范圍內(nèi)位置服務(wù)使用頻率較高，下一步將優(yōu)先保障上述基準(zhǔn)站的持續(xù)穩(wěn)定運行，優(yōu)化該區(qū)域的基準(zhǔn)站分布和調(diào)整基準(zhǔn)站網(wǎng)密度.

圖7 位置服務(wù)使用頻率圖-日均

4.2 位置服務(wù)測試

1) 精度測試

測試內(nèi)容和方法：為了驗證系統(tǒng)位置服務(wù)平臺提供實時位置服務(wù)定位精度性能，在全省范圍內(nèi)選取系統(tǒng)覆蓋范圍及周邊15 km內(nèi)的已有控制點及作業(yè)困難地方，選取全省范圍內(nèi)均勻分布的21個A/B級點，利用GNSS移動采集終端以厘米級實時位置服務(wù)為例，開展實時定位精度測試工作.

圖8 位置服務(wù)使用頻率圖-年度

厘米級實時測量精度測試采用RTK儀器進(jìn)行5次連接和初始化，測試采樣率為1 s，得到固定解(Fixed)即開始記錄測量結(jié)果，連續(xù)記錄50個測量值并同時記錄網(wǎng)絡(luò)連接時間和獲得初始固定解的時間，作為一組測試數(shù)據(jù)，然后網(wǎng)絡(luò)斷開2 min后，重新連接并記錄另外50個測量值，同樣的方法進(jìn)行5次測試. 測試過程中可以選擇以上厘米級格網(wǎng)差分源節(jié)點，進(jìn)行實時外業(yè)數(shù)據(jù)采集[9-10].

測試結(jié)果：系統(tǒng)測試的內(nèi)、外符合精度(標(biāo)準(zhǔn)差)均勻分布，21個測試點厘米級位置服務(wù)均滿足設(shè)計要求(外符合平面≤5.0 cm、高程≤10.0 cm)，如圖9～10所示.

圖9 測試點厘米級位置服務(wù)內(nèi)符合精度統(tǒng)計圖

圖10 測試點厘米級位置服務(wù)外符合精度統(tǒng)計圖

2) 實時并發(fā)數(shù)測試

利用DiocpNtripClient軟件模擬10 000個終端請求差分服務(wù)，終端模擬位置隨機(jī)分布，統(tǒng)計每個模擬終端獲取數(shù)據(jù)的延遲情況和差分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)情況. 測試結(jié)果表明：終端連接速度平均值小于138 ms，最大值為152 ms，測試實際并發(fā)數(shù)量為11 999個，圖11～12，滿足大規(guī)模并發(fā)服務(wù)的需求.

圖11 實時并發(fā)模擬接入圖

圖12 實時并發(fā)模擬登陸界面圖

5 結(jié)束語

本文研究位置服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了福建省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)位置服務(wù)平臺，解決了傳統(tǒng)提供實時定位服務(wù)并發(fā)量小、無法保證基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)安全、無法進(jìn)行有效地數(shù)據(jù)共享和服務(wù)擴(kuò)容等問題，實現(xiàn)了系統(tǒng)運維、管理、服務(wù)和數(shù)據(jù)共享一體化的解決方案，提升了系統(tǒng)對外服務(wù)和應(yīng)用的能力，實現(xiàn)了自動化和精細(xì)化的管理，為下一步位置服務(wù)在自然資源業(yè)務(wù)深度融合和提供社會化應(yīng)用奠定基礎(chǔ).