面向沙吳高速公路的北斗高精度地基增強網(wǎng)應用研究

韋樂香

(廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(簡稱北斗系統(tǒng))是我國加快建設交通強國，發(fā)展數(shù)字交通的重要基礎，也是國家新基建戰(zhàn)略的主要支撐點。進一步加強北斗系統(tǒng)在高速公路領域的應用推廣，提升高速公路的數(shù)字化發(fā)展，滿足數(shù)字施工應用、災害預警、車路協(xié)同等豐富場景應用，實現(xiàn)智慧高速公路建設、運管和養(yǎng)護，是智慧高速公路發(fā)展的重要基礎。

北斗高精度地基增強網(wǎng)提供的地基增強服務是北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對外提供的主要服務之一[1]，是我國發(fā)展數(shù)字化施工應用、安全應急管理與救援、車路協(xié)同網(wǎng)聯(lián)駕駛等多場景應用的重要基礎設施。基于北斗高精度地基增強網(wǎng)系統(tǒng)，智能施工機械可接收北斗增強信號，通過北斗高精度終端、傾角傳感器、壓力傳感器等設備集成應用，實現(xiàn)高速公路建設數(shù)字化施工，達到全方位、立體化、多層次的精細化監(jiān)管，及時發(fā)現(xiàn)和糾正施工現(xiàn)場中存在的突出問題，確保施工全過程處于受控狀態(tài)，從而達到對高速公路建設施工過程高效率、高質(zhì)量的管理。在高速公路車路協(xié)同系統(tǒng)中，基于北斗高精度地基增強網(wǎng)系統(tǒng)，保證行駛車輛可實時獲取精確位置，通過與高精度地圖進行匹配，為車路協(xié)同系統(tǒng)提供判斷支撐。

1 系統(tǒng)方案

南寧沙吳高速公路是廣西交通強國試點和廣西交通運輸科技示范工程、智慧交通一體化示范項目，主要包括北斗高精度增強網(wǎng)工程、全生命周期高精度多模態(tài)空間數(shù)據(jù)工程、車路協(xié)同數(shù)據(jù)互聯(lián)與云管控平臺工程、數(shù)字化施工示范應用等工程的建設，是定位為廣西首條面向車路協(xié)同應用的智慧高速公路。

基于沙吳高速公路數(shù)字化施工和車路協(xié)同系統(tǒng)對北斗高精度信號的需求，需要建設一套覆蓋全路段的衛(wèi)星導航連續(xù)運行基準站(CORS)網(wǎng)絡以及區(qū)域高精度數(shù)據(jù)解算、處理和播發(fā)服務平臺，實現(xiàn)高穩(wěn)定、高可靠、高連續(xù)、可擴展的業(yè)務化運行，并提供多樣性的高精度信號服務。

北斗高精度地基增強網(wǎng)主要由北斗增強站、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及播發(fā)系統(tǒng)和北斗增強服務信息管控及監(jiān)測平臺等組成，為用戶提供廣域增強數(shù)據(jù)產(chǎn)品、區(qū)域增強數(shù)據(jù)產(chǎn)品、后處理高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務[2]。

北斗高精度增強網(wǎng)工程總體布局如圖1所示。

圖1 北斗高精度地基增強網(wǎng)總體布局圖

2 建設內(nèi)容

2.1 北斗增強站

沙吳高速公路的北斗增強站系統(tǒng)由均勻分布的6個高等級衛(wèi)星導航基準站組成，每個基準站的觀測數(shù)據(jù)和傳輸網(wǎng)絡相對獨立，形成覆蓋全路段的連續(xù)運行基準站網(wǎng)絡。本次基準站網(wǎng)絡采用多冗余設計，6個基準站的工作模式可以保證在任意兩個基準站出現(xiàn)故障時仍能正常提供高精度定位服務，且完全覆蓋項目公路，保證良好網(wǎng)型。為滿足國家測繪數(shù)據(jù)保密要求，同步建設基準站網(wǎng)絡信息接收處理系統(tǒng)，對導航衛(wèi)星原始觀測信息進行接收處理、信息存儲和數(shù)據(jù)加密。

結合沙吳智慧高速公路的場景應用和功能需求，以沙吳高速公路為核心，分別在沙井收費站生活區(qū)、那洋互通匝道綠地、玉洞收費站生活區(qū)、扶綏服務區(qū)(南)東南角綠地、江西鎮(zhèn)江西中學樓頂、明陽工業(yè)園建設6座北斗地基增強基準站(表1)。

表1 北斗地基增強基準站分布表

6座北斗地基增強基準站采用BDS/GPS/GLONASS三星八頻GNSS模塊，支持單北斗定位及GNSS聯(lián)合定位。基準站采用基于Linux系統(tǒng)設計的專業(yè)網(wǎng)絡基準站接收機，與數(shù)據(jù)中心服務器操作系統(tǒng)一致，以保證系統(tǒng)安全可靠。

基準站網(wǎng)采取VRS技術組網(wǎng)時，基準站采用Delaunay三角網(wǎng)絡布局均勻分布于沙吳高速公路周邊進行組網(wǎng)服務(圖2)，其中最長邊為27.6 km，最短邊為10 km，平均邊長為18.5 km。在設計的組網(wǎng)網(wǎng)型下，任意一個基站出現(xiàn)故障時，其余站點均可自動組成相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡進行服務，保證服務的穩(wěn)定性。經(jīng)過現(xiàn)場實測，在該網(wǎng)型下，單一站點出現(xiàn)故障時，不會對整個區(qū)域的高精度信號服務質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。

圖2 沙吳高速公路北斗CORS站分布圖

基準站網(wǎng)采取帶狀格網(wǎng)處理算法服務時，6個基站可提供針對沙吳高速公路沿線全覆蓋的精細化格網(wǎng)增強服務。基于車路協(xié)同系統(tǒng)的要求，格網(wǎng)服務可提供實時厘米級定位精度，在200 ms以內(nèi)完成數(shù)據(jù)解算并生成差分改正數(shù)據(jù)播發(fā)至用戶端。在設計的格網(wǎng)模型中，分別計算不同格網(wǎng)大小所對應的計算時間，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 基站格網(wǎng)對應計算時間數(shù)據(jù)表

在充分考慮服務精度、計算能力等因素下，認為3 km大小的格網(wǎng)節(jié)點具備最佳的可操作性。如圖3所示為沙吳高速公路在3 km格網(wǎng)下的覆蓋情況。由圖3可見，整條沙吳高速公路被15個格網(wǎng)完全覆蓋。

圖3 沙吳高速公路高精度衛(wèi)星定位信號格網(wǎng)分布圖

為了保證數(shù)據(jù)實時、穩(wěn)定、安全地進行傳輸，SHAJ和NYHT位于沙吳高速公路兩端沿線，屬于道路主干光纖覆蓋范圍，因此兩地使用沙吳高速公路主干光纖專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。YDSF、FSUI、JXZX、MYGY通過租用的20 M通信運營商專網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心連接，基準站端接入速率≥2 Mbps，數(shù)據(jù)中心端接入速率≥10 Mbps。數(shù)據(jù)中心通過200 M的運營商專線連接互聯(lián)網(wǎng)，提供實時定位服務及靜態(tài)數(shù)據(jù)下載服務，網(wǎng)絡系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，差分數(shù)據(jù)服務采用ntrip協(xié)議。

6個站點分別利用主干光纖網(wǎng)或運營商專網(wǎng)，保證網(wǎng)絡穩(wěn)定性和獨立性，將基準站觀測數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)中心進行解算和播發(fā)。數(shù)據(jù)中心部署至沙吳高速公路數(shù)據(jù)中心機房，通過運營商公網(wǎng)進行數(shù)據(jù)播發(fā)。

2.2 北斗衛(wèi)星導航綜合增強信息處理系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航綜合增強信息處理系統(tǒng)主要包括面向數(shù)字化施工的虛擬參考站(VRS)處理算法，以及面向車路協(xié)同系統(tǒng)的帶狀格網(wǎng)處理算法，生成區(qū)域厘米級至毫米級精度增強信息，形成針對各類終端提供輔助定位信息的服務。

衛(wèi)星導航基準站網(wǎng)絡通過6個北斗地基增強站進行數(shù)據(jù)采集，實時地將衛(wèi)星原始觀測數(shù)據(jù)與RTCM數(shù)據(jù)通過公路主干光纖或運營商專線傳輸至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對各基準站采集并傳輸過來的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量分析和評價，對某些數(shù)據(jù)(如導航)進行多站數(shù)據(jù)綜合、分流，形成統(tǒng)一格式的差分改正數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)中心輸出的數(shù)據(jù)有：

(1)RTCM V2.1/V2.3/V3.1/V3.2偽距差分修正信息：服務于米級定位導航的用戶。

(2)RTCM V2.1/V2.3/V3.1/V3.2相位差分修正信息：服務于厘米級、分米級定位的用戶。

(3)帶狀格網(wǎng)化差分改正信息：服務于沙吳高速公路車路協(xié)同網(wǎng)聯(lián)駕駛用戶。

(4)RINEX V2.1/V3.02原始觀測數(shù)據(jù)：服務于事后毫米級定位的用戶。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，系統(tǒng)通過運營商網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)播發(fā)，為數(shù)字化施工、車路協(xié)同網(wǎng)聯(lián)駕駛提供相應的定位服務。

2.3 北斗增強服務性能監(jiān)測系統(tǒng)

為實時監(jiān)測系統(tǒng)的狀態(tài)，需要將衛(wèi)星導航基準站同時作為固定監(jiān)測站使用，并建設流動監(jiān)測站、檢測站以及觀測數(shù)據(jù)處理平臺，形成衛(wèi)星導航與增強系統(tǒng)服務性能、路側衛(wèi)星導航頻段電磁環(huán)境等的監(jiān)測系統(tǒng)，按需生成衛(wèi)星導航及增強服務完好性信息。北斗增強服務性能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容主要包括以下5個方面：

(1)基準站狀態(tài)監(jiān)測。

(2)衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測。

(3)導航電文信息監(jiān)測。

(4)地面電磁環(huán)境與服務質(zhì)量評估。

(5)信號服務質(zhì)量評估與預警。

2.4 高精度位置綜合信息安全服務管理系統(tǒng)

依據(jù)國家關于高精度導航與位置服務的政策，需要對高精度用戶實行授權分級管理，高精度用戶接入需要進行注冊和應用管理控制，監(jiān)督和管理用戶使用范圍等，確保沙吳高速公路北斗高精度信號應用的安全。

3 系統(tǒng)在沙吳高速公路的應用

3.1 工程測量

基于VRS和RTK技術的高精度、范圍廣、無累計誤差等特點，北斗高精度服務可為沙吳高速公路建設時期的測量施工放樣、路基測量等工程測量提供高精度差分改正數(shù)，提高工程測量的準確性和可靠性。

3.2 數(shù)字化施工

通過為工程機械提供北斗高精度定位信號，實現(xiàn)智能施工機械的高精度定位，在工程機械的施工引導中，準確提供施工所需的實時精確位置和姿態(tài)信息，從而實現(xiàn)施工工藝的數(shù)字化管理和控制。

3.3 車路協(xié)同網(wǎng)聯(lián)駕駛

為智能網(wǎng)聯(lián)駕駛車輛提供高可靠、低時延、高精度差分信號，車輛通過獲取差分信號，獲得實時厘米級的定位精度[3]，車載系統(tǒng)將自身精確位置與高精度地圖進行匹配，精確判斷所在的行駛車道，從而實現(xiàn)對車輛的精確定位。

4 結語

通過融合北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、車路協(xié)同系統(tǒng)以及邊緣計算系統(tǒng)，使得北斗高精度地基增強網(wǎng)能夠為沙吳高速公路的各類用戶提供精確定位、實時定位和移動目標導航等空間位置信息保障服務，建立數(shù)字化、智能化、社會化的高速公路位置服務系統(tǒng)。未來隨著國家新基建戰(zhàn)略的推進，在交通運輸領域將逐步構建更多基于北斗的應用場景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，讓北斗系統(tǒng)高精度導航與位置服務在智慧高速公路行業(yè)中發(fā)揮更多的作用[4]。