面向北斗三號(hào)的湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)

林曉靜，向浩，梁斌

(1.湖北省測(cè)繪工程院,武漢 430074；2.湖北省航測(cè)遙感院，武漢 430074)

0 引言

湖北省連續(xù)運(yùn)行參考站(以下簡(jiǎn)稱HBCORS)于2010 年底建成并投入使用，在全省范圍建設(shè)了81 個(gè)基準(zhǔn)站，集成了氣象專網(wǎng)、地震行業(yè)網(wǎng)和公眾ADSL 網(wǎng)絡(luò)，并建立了省級(jí)控制中心[1].2017 年，湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全省覆蓋[2]，新建加密了10 個(gè)基準(zhǔn)站，升級(jí)/改造了HBCORS 81 個(gè)基準(zhǔn)站，在原有設(shè)施的基礎(chǔ)上加裝北斗設(shè)備，即與HBCORS 共用基準(zhǔn)站觀測(cè)墩、天線、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)數(shù)據(jù)傳輸線纜、交換機(jī)、路由器、機(jī)柜、電力線路和網(wǎng)絡(luò)線路等原有基礎(chǔ)設(shè)施.

湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)通過(guò)建設(shè)基于北斗覆蓋全省的GNSS 連續(xù)運(yùn)行參考站(CORS)，建成省內(nèi)區(qū)域的北斗系統(tǒng)導(dǎo)航與位置服務(wù)平臺(tái)，將北斗定位技術(shù)與測(cè)繪學(xué)、氣象學(xué)、地理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了北斗高精度位置服務(wù)的全省覆蓋，提供了跨部門(mén)、跨專業(yè)的智能化服務(wù)平臺(tái)，大力減輕了相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)信息采集難、更新慢等問(wèn)題，是支撐北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展、智慧城市建設(shè)、智能化社會(huì)服務(wù)的必要基礎(chǔ)施.

2020 年7 月31 日，北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS-3)正式開(kāi)通，BDS-3 是在前兩代的基礎(chǔ)上進(jìn)行建設(shè)，同時(shí)與前兩代又有著重大差別.BDS-3 信號(hào)性能明顯優(yōu)于BDS-2，多徑效應(yīng)、偽距噪聲都有了較大幅度的改善，測(cè)距精度也有了較大提升，由于湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)正處于BDS-2 建設(shè)組網(wǎng)時(shí)期，因此隨著B(niǎo)DS-3 的開(kāi)通，亟需對(duì)湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行整網(wǎng)軟硬件升級(jí)，實(shí)現(xiàn)湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)BDS-3 衛(wèi)星的支持，推進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品和服務(wù)在公共安全、交通運(yùn)輸、防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)林水利、氣象、國(guó)土資源、環(huán)境保護(hù)、公安警務(wù)、測(cè)繪勘探、應(yīng)急救援等重要行業(yè)及領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用.

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及升級(jí)內(nèi)容

湖北省北斗高精度位置服務(wù)平臺(tái)2018 年初步建成并投入試運(yùn)行，各類終端已在平臺(tái)運(yùn)行4 年[3].目前，已經(jīng)形成了以湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)為后臺(tái)，以北斗高精度位置服務(wù)平臺(tái)為前端的服務(wù)架構(gòu).目前，湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)共有91 個(gè)站點(diǎn)，其中北斗接收機(jī)在網(wǎng)運(yùn)行共78 臺(tái)，武漢導(dǎo)航院True CORS R1 計(jì)72 臺(tái)，和芯星通UR370 計(jì)6 臺(tái)，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)管理軟件平臺(tái)為T(mén)rueNET.根據(jù)湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)際需求，在已有軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，完成包括算法模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)工作，使新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)管理平臺(tái)具有同時(shí)支持四星多頻(BDS、GPS、GLONASS、Galileo) 系統(tǒng)的能力.湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)BDS-3 服務(wù)能力提升功能包含以下兩方面：1) 72 臺(tái)True CORS R1 接收機(jī)的板卡硬件升級(jí)與固件包升級(jí)，增加對(duì)BDS-3 的支持；2) TrueNET 平臺(tái)的軟件升級(jí)，包括算法模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，增加對(duì)BDS-3 的支持.

2 湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)BDS-3 功能升級(jí)方法

2.1 接收機(jī)硬件升級(jí)與固件升級(jí)

接收機(jī)硬件升級(jí)主要是更換支持BDS-3 信號(hào)的OEM 板卡，新OEM 板卡核心FPGA (Field Programmable Gate Array)芯片功耗更大且發(fā)熱量變大，需考慮散熱設(shè)計(jì).根據(jù)原有結(jié)構(gòu)三維(3D)圖紙及內(nèi)部OEM 板卡、底板的空間布局，加裝一款散熱片，對(duì)OEM 板卡發(fā)熱量較大的FPGA 芯片進(jìn)行散熱.接收機(jī)軟件升級(jí)需要在北斗新信號(hào)體制BOC (binary offset carrier)調(diào)制[4-6]、多模多頻基帶信號(hào)處理、多系統(tǒng)聯(lián)合定位這三部分做出改進(jìn)和提升[7-8].

2.2 系統(tǒng)管理軟件升級(jí)

湖北省北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的解算軟件是TrueNet平臺(tái)，如圖1 所示本次升級(jí)完成包括算法模塊、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等組件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與開(kāi)發(fā)工作，使新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)管理平臺(tái)具有同時(shí)支持四星多頻(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)系統(tǒng)的能力.

圖1 TrueNET 平臺(tái)架構(gòu)

如圖2 所示，TrueNet 平臺(tái)根據(jù)功能劃分，由數(shù)據(jù)采集(Caster &Ingest)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(GNSS Data Store)，算法引擎(Engine)，代理服務(wù)(Agent)，位置服務(wù)(Location Based Service)以及運(yùn)維節(jié)點(diǎn)(Monitor)部分組成.

圖2 TrueNET 系統(tǒng)管理軟件升級(jí)思路

在升級(jí)支持BDS-3 的同時(shí)，需要保證平臺(tái)的兼容性，滿足對(duì)不同RTCM 類型電文解碼.平臺(tái)軟件需要滿足對(duì)BDS-3 電文的解析，基線解算模塊需要對(duì)BDS-3 頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使BDS-3 頻點(diǎn)數(shù)據(jù)參與基線解算，基線解算模塊支持多系統(tǒng)(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)、多頻率(全面支持BDS B1I、B2I、B3I、B1C、B2a；GPS L1、L2、L5；GLONASS L1、L2；Gallileo E1、E5a、E5b)，支持聯(lián)合解算，并根據(jù)需要顯示BDS-3 相關(guān)的信息.

TrueNet 平臺(tái)升級(jí)在平臺(tái)架構(gòu)流程基礎(chǔ)上，側(cè)重對(duì)以下三大問(wèn)題進(jìn)行了解決：

1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理.BDS-2 衛(wèi)星播發(fā)B1、B2、B3 三個(gè)頻點(diǎn)，BDS-3 衛(wèi)星播發(fā)B1C、B2a、B1I、B3I 四個(gè)頻點(diǎn)，各頻點(diǎn)的頻率也不盡相同.在平臺(tái)數(shù)據(jù)采集模塊(Caster&Ingest)的模塊設(shè)計(jì)中，對(duì)該流程架構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證解算軟件處理北斗系統(tǒng)的策略切實(shí)可行.支持四系統(tǒng)多頻率后，數(shù)據(jù)源(Ingest)模塊可解析更多頻點(diǎn)的數(shù)據(jù).保留按照Ntrip 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)接收BDS-3 接收機(jī)發(fā)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)和星歷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收后，按照RTCM 格式解析處理BDS-3 相關(guān)的頻點(diǎn)數(shù)據(jù).

2) 基線浮點(diǎn)解解算和模糊度固定.支持四系統(tǒng)多頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)解算，充分利用多頻數(shù)據(jù)加快模糊度收斂時(shí)間、提高模糊度固定成功率[9].由于軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分發(fā)生較大的變化，為了高效的支持四系統(tǒng)多頻率，內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理流程和處理策略將非常復(fù)雜，通過(guò)優(yōu)化算法及內(nèi)部機(jī)構(gòu)來(lái)保證解算的有效性及快速性.考慮對(duì)外數(shù)據(jù)接口數(shù)據(jù)交互的可靠性及傳輸性，重點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)解算模塊.

3) 四系統(tǒng)衛(wèi)星的解算及VRS 播發(fā).為了保證解算軟件模塊與Agent 模塊間的接口的高效傳輸，數(shù)據(jù)交互的接口可以實(shí)時(shí)快速展示四系統(tǒng)衛(wèi)星的解算信息.基于NETRTK 模塊生成的參考站網(wǎng)的基線信息(基站原始觀測(cè)量，基線雙差電離層、對(duì)流層延遲殘差信息，子網(wǎng)信息等)以及流動(dòng)站上傳的坐標(biāo)信息，AGENT 模塊進(jìn)行建模進(jìn)而內(nèi)插出流動(dòng)站的VRS(虛擬參考站信息)，經(jīng)RTCM 電文編碼后發(fā)送出去.

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 接收機(jī)回歸測(cè)試

在接收機(jī)批量升級(jí)前，本項(xiàng)目對(duì)升級(jí)后的接收機(jī)進(jìn)行了回歸測(cè)試.

1)開(kāi)展了新增頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)質(zhì)量分析及雙差質(zhì)量分析.圖3 為增加了北斗三頻點(diǎn)B1C、B2a 之后的北斗雙差結(jié)果直方圖，可清晰看到每顆衛(wèi)星的偽距/載波雙差精度及整體結(jié)果，表1 顯示了具體結(jié)果值.

表1 四系統(tǒng)十三頻點(diǎn)偽距/載波雙差結(jié)果

圖3 偽距/載波雙差精度

2) RINEX 原始文件進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量分析，結(jié)果如表2 所示.

表2 四系統(tǒng)十三頻點(diǎn)TEQC 利用率及周跳比結(jié)果

3)整機(jī)性能測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如表3 所示.

表3 升級(jí)后的TrueCORS R1 測(cè)試結(jié)果

表3(續(xù))

3.2 系統(tǒng)測(cè)試

所有站點(diǎn)升級(jí)替換完成后，項(xiàng)目開(kāi)展了野外測(cè)試工作.測(cè)試接收機(jī)使用南方South 銀河一號(hào)，選取了8 個(gè)野外測(cè)試站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算內(nèi)符合精度(水平和垂直)，驗(yàn)證精度是否達(dá)標(biāo).

測(cè)試方法步驟如下：

1)由北斗高精度位置服務(wù)平臺(tái)正常發(fā)送改正數(shù)；

2)正確連接流動(dòng)站的GNSS 天線以及電源，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并在開(kāi)闊天空下，保證流動(dòng)站能夠正常的接收衛(wèi)星信號(hào)和服務(wù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的改正數(shù)；

3)在流動(dòng)站上配置ntrip client，輸入IP/端口/掛載點(diǎn)/用戶名/密碼，并存NMEA 信息；

4)利用采集到的GNGGA 數(shù)據(jù)，分析內(nèi)符合精度：

a)將NMEA 文本轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)、高程；

b)統(tǒng)計(jì)文本的理論歷元數(shù)和實(shí)際觀測(cè)歷元數(shù)；

c)利用測(cè)試腳本，統(tǒng)計(jì)24 h 平面坐標(biāo)、高程的STD 內(nèi)符合精度.

測(cè)試結(jié)果如表4 所示.

表4 系統(tǒng)精度測(cè)試結(jié)果

表4(續(xù))

測(cè)試結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)RTK 實(shí)時(shí)定位精度水平優(yōu)于3 cm，垂直優(yōu)于5 cm；DGNSS 定位精度水平優(yōu)于1 m，垂直優(yōu)于2 m.

本次升級(jí)完成后，對(duì)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)還進(jìn)行了功能測(cè)試，性能測(cè)試，穩(wěn)定性與壓力并發(fā)測(cè)試等，測(cè)試結(jié)果均符合系統(tǒng)要求，限于篇幅限制，本文不再這部分詳細(xì)測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果做展示.

4 結(jié)論

通過(guò)升級(jí)TrueCORS R1 接收機(jī)的板卡硬件升級(jí)與固件包升級(jí)，增加BDS-3 B1I/B3I 部分三代衛(wèi)星信號(hào)接收、全新信號(hào)體制的B1C 和B2a 頻點(diǎn)，以及增加伽利略系統(tǒng)的GAL E1C/E5a/E5b.TrueNET 平臺(tái)整體數(shù)據(jù)流程上實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)采集-基線解算-VRS 生成-差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)到終端的完整過(guò)程，使新開(kāi)發(fā)的平臺(tái)具有同時(shí)支持四星多頻(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)系統(tǒng)的能力.平臺(tái)軟件根據(jù)BDS-3-RTCM 差分電文提案進(jìn)行RTCM 數(shù)據(jù)解碼以支持BDS-3 的B1C、B2a 信號(hào)，擴(kuò)充與BDS 相關(guān)的宏定義，綜合考慮把BDS-3衛(wèi)星作為一個(gè)單獨(dú)的系統(tǒng)參與基線解算(其采用B1C、B2a 作為雙頻基線解算主頻點(diǎn)以區(qū)別與BDS-2的主頻點(diǎn)B1I、B2I)，并修改接口，新增北斗和BDS-3對(duì)應(yīng)的掛載點(diǎn)和RTCM 電文內(nèi)容，使湖北省北斗高精度位置服務(wù)具備了BDS-3 的服務(wù)能力.北斗高精度位置服務(wù)平臺(tái)對(duì)BDS-3 的支持將進(jìn)一步推動(dòng)北斗導(dǎo)航核心技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，推動(dòng)北斗導(dǎo)航與移動(dòng)通信、地理信息、衛(wèi)星遙感、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等融合發(fā)展.基于BDS 的全面建設(shè)完成的背景，完善了湖北省北斗高精度位置服務(wù)平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)了北斗導(dǎo)航服務(wù)的模式和產(chǎn)品創(chuàng)新，以及在重點(diǎn)區(qū)域和交通、減災(zāi)、電信、能源、金融等重點(diǎn)領(lǐng)域開(kāi)展示范應(yīng)用，逐步推進(jìn)北斗的規(guī)?；瘧?yīng)用.