多源北斗位置服務動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

鄒崇堯，厲芳婷，趙 鵬，魏以寬，梁 斌

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國獨立開發(fā)、自主運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能提供高精度、高可靠的導航、定位和授時服務，是我國重要的空間基礎設施。北斗三號系統(tǒng)組網(wǎng)成功后，北斗地基增強系統(tǒng)陸續(xù)進行了北斗三號升級改造，可提供三頻實時精密定位服務。實踐表明，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已成功應用于電力系統(tǒng)、農業(yè)、防災減災、環(huán)境保護等領域，如在國家電網(wǎng)的規(guī)劃、基建、營銷和調度等方面得到融合應用；基于北斗-RTK的農用無人機、無人車、農業(yè)機械等作業(yè)、監(jiān)管工作可極大提高經濟效益；大眾消費領域的智能手機、穿戴設備、車輛終端等應用場景得到拓展；融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等高新技術的北斗+業(yè)務，充分釋放了地理空間位置的應用潛力，實現(xiàn)了高精度定位、時間基準、多源傳感器柔性接入、空間地理信息服務以及工業(yè)數(shù)據(jù)與高精度時空數(shù)據(jù)的融合[1-5]。

隨著北斗位置服務的快速發(fā)展，各領域的應用服務系統(tǒng)和管理平臺相繼開發(fā)實現(xiàn)。多個省級主管部門基于省級CORS建設的北斗高精度位置服務平臺得到充分應用[6-13]。同時，基于北斗位置服務的智慧農業(yè)、交通網(wǎng)絡、輔助駕駛、智慧電力等應用平臺建設實現(xiàn)了北斗定位技術與多源遙感數(shù)據(jù)在行業(yè)部門業(yè)務監(jiān)管服務中的融合應用[14-18]。

目前，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在技術手段、應用場景和產業(yè)化方面都得到了發(fā)展。北斗地面增強系統(tǒng)經過多年發(fā)展，硬件設備豐富，用戶數(shù)量激增；同時帶來了多源設備監(jiān)控管理和不同需求用戶管理問題[19-20]。為保障北斗位置服務能力，亟需提升北斗地基增強系統(tǒng)的日常維護和響應能力[21-22]?；趯鶞收镜浇馑闫脚_間的數(shù)據(jù)流狀態(tài)進行統(tǒng)一監(jiān)控管理、對解算平臺到用戶間的差分數(shù)據(jù)進行監(jiān)控解析、故障排查便捷等需求，本文以湖北省北斗地基增強系統(tǒng)為研究對象，研發(fā)了多源北斗位置服務動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了多源接收機跨網(wǎng)協(xié)同管理問題，實現(xiàn)了北斗地基增強系統(tǒng)的動態(tài)空間化管理。

1 功能需求與設計

1.1 多源北斗位置服務系統(tǒng)服務特征和機制

以湖北省北斗地基增強系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)由3種品牌多種型號的接收機及其分別配置的差分解算平臺組成。其主要特征的轉變包括接收機從單一品牌到多個品牌，數(shù)量快速增加；差分模式從虛擬參考站模式增加到虛擬參考站/虛擬格網(wǎng)差分池模式并行；衛(wèi)星系統(tǒng)從GPS/GLO雙系統(tǒng)升級到GPS+GLO/GPS+GLO+BDS/BDS3等多源節(jié)點。

為了更好地適應這種特征變化，多源北斗位置服務系統(tǒng)的服務機制也進行了升級：服務能力從實時厘米級增加到實時厘米級/亞米級和事后毫米級；服務對象從測繪單用戶逐漸擴展到自然資源、建筑施工、氣象、地震、民生關愛等多用戶；服務數(shù)量從單一終端擴充到百萬級用戶、十萬級并發(fā)。在上述情況下，系統(tǒng)的基礎層、資源層、應用層均新增了大量內容，系統(tǒng)的體量和邊界相應地發(fā)生了巨大變化。為了適應這種變化，需要對各層的關鍵節(jié)點進行一定的監(jiān)控，以實現(xiàn)高效的管理和應急能力。

1.2 GNSS數(shù)據(jù)流管理模塊

現(xiàn)有的北斗地基增強系統(tǒng)因建設時間跨度問題，多采用不同型號的GNSS接收機。通常不同廠家的接收機均配套獨立的解算平臺，且互不兼容。未來接收機數(shù)量仍會逐步增加，因此需要統(tǒng)一的管理手段在統(tǒng)一平臺上進行故障排查。

GNSS數(shù)據(jù)流管理模塊布設于不同解算平臺的前端，通過一套模塊接收所有接收機數(shù)據(jù)，首先對所有數(shù)據(jù)進行初步時間同步，分析數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性；再通過解析數(shù)據(jù)流獲得觀測數(shù)據(jù)質量情況，并記錄相關LOG；最后將接收機、統(tǒng)一端口、數(shù)據(jù)流統(tǒng)一到TSM，在TSM上獲取所有數(shù)據(jù)流。

1.3 GNSS數(shù)據(jù)匯聚解碼模塊

不同的CORS建設采取的播發(fā)方式不同，如HBCORS的位置服務由專網(wǎng)播發(fā)，而在地質災害監(jiān)測領域監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)通常由公網(wǎng)播發(fā)，這就需要在防火墻上映射端口，每個端口對應一臺GNSS監(jiān)測設備。以湖北省十堰地區(qū)為例，現(xiàn)有超過1 000套地質災害監(jiān)測設備，需要開放大量的公網(wǎng)端口，對于CORS網(wǎng)絡安全維護具有較大的隱患。

GNSS數(shù)據(jù)匯聚解碼模塊可使所有設備向防火墻的一個端口傳輸，端口映射至模塊，再由模塊根據(jù)數(shù)據(jù)里的標識解析為N路數(shù)據(jù)，實現(xiàn)僅開放一個公網(wǎng)端口，即可接入海量監(jiān)測數(shù)據(jù)的目的。

1.4 播發(fā)性能監(jiān)控模塊

當用戶終端無法正常固定時，服務端無法準確獲取用戶相關信息，這就加大了運維人力成本，降低了響應效率。播發(fā)性能監(jiān)控模塊可監(jiān)控播發(fā)端流程，包括差分生成延遲、格網(wǎng)生成延遲、用戶網(wǎng)絡鏈接狀態(tài)，解析用戶獲取的差分數(shù)據(jù)情況，方便客戶服務人員從服務端直接定位故障產生的原因。所有數(shù)據(jù)均從接口（網(wǎng)關）獲取，需關聯(lián)獲取用戶信息，并能同步準確獲取用戶的實時位置。

1.5 一站式監(jiān)控演示大數(shù)據(jù)平臺

由于多源接收機和視頻終端等其他終端不統(tǒng)一，需通過各平臺接口（TSM）獲取相關信息，實現(xiàn)統(tǒng)一的基于Web端的展示能力。針對基準站實時狀態(tài)信息、格網(wǎng)信息、數(shù)據(jù)流穩(wěn)定性統(tǒng)計圖/表、基準站故障信息統(tǒng)計、用戶實時/歷史位置狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控窗口嵌入等建立一站式的監(jiān)控演示大數(shù)據(jù)平臺，以解決跨平臺、跨網(wǎng)協(xié)同問題。

1.6 系統(tǒng)架構

本文遵循全面性、可靠性、易用性、可移植性、可擴展性的原則，設計了基礎設施層、數(shù)據(jù)層、平臺層、應用層的系統(tǒng)總體架構，如圖1所示。系統(tǒng)主要功能包括：數(shù)據(jù)監(jiān)控大屏，展示重點關注的監(jiān)控數(shù)據(jù)；測繪功能大屏，多維度展示北斗地基增強系統(tǒng)的服務數(shù)據(jù)；基準站數(shù)據(jù)管理；格網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控；用戶數(shù)據(jù)管理等。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 系統(tǒng)關鍵技術與實現(xiàn)

2.1 基于WebGIS的多源接收機跨網(wǎng)協(xié)同空間化管理方法

針對多源接收機跨網(wǎng)協(xié)同問題，系統(tǒng)以圖形化的形式在WebGIS上展示大屏地圖、基準站、差分格網(wǎng)、電離層指數(shù)、RTK用戶、RTD用戶、視頻監(jiān)控等7個模塊。用戶通過數(shù)據(jù)大屏可快速、直觀地獲取關鍵數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)大屏可展示整合數(shù)據(jù)、解算平臺數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)等關鍵信息。系統(tǒng)借助于直觀的圖表、WebGIS圖形化手段，將數(shù)據(jù)分析與圖形技術相結合，以大屏可視化的方式，將各功能模塊的核心數(shù)據(jù)以圖表的方式呈現(xiàn)，可直觀有效地獲取北斗衛(wèi)星導航與位置系統(tǒng)的整體信息。

2.2 面向多源衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的動態(tài)可視化方法

實時接收RTCM3.X數(shù)據(jù)流，并解析、存儲相關信息，計算全部可視衛(wèi)星的位置，通過前端程序繪制星空圖。整合HBCORS現(xiàn)有的多平臺接收機數(shù)據(jù)資源，訪問RTCM3.X實時觀測數(shù)據(jù)流，記錄數(shù)據(jù)通信日志，解碼數(shù)據(jù)內容，分揀接收機設備監(jiān)測中所用的數(shù)據(jù)流量、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)，計算當前位置可視衛(wèi)星的位置，并將相關信息存儲到數(shù)據(jù)庫方便歷史查詢；同時通過API/WebSocket等方式實時發(fā)布，前端頁面根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)、編號、高度角、方位角等繪制星空圖，直觀展示當前站點接收機設備的衛(wèi)星監(jiān)測情況，如圖2所示。

圖2 多源衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)可視化監(jiān)控

2.3 格網(wǎng)劃分實時健康監(jiān)控策略

為快速定位系統(tǒng)故障，有效查看、監(jiān)控系統(tǒng)健康狀態(tài)，以湖北省為例，將省域范圍劃分為2 893個4′×6′大小的網(wǎng)格區(qū)域，如圖3所示，系統(tǒng)實時監(jiān)控各網(wǎng)格差分數(shù)據(jù)服務質量，可根據(jù)設置的誤差均方根值顯示為不同的顏色，顏色越深表示誤差越大，同時可以h或d為單位查看最近的故障率。

圖3 格網(wǎng)劃分實時健康監(jiān)控

3 系統(tǒng)應用與討論

本文以湖北省北斗地基增強系統(tǒng)為例，通過上述方法，開發(fā)完成了多源北斗位置服務動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了湖北省3套CORS的多源接收機跨網(wǎng)協(xié)同監(jiān)管。系統(tǒng)的主要業(yè)務模塊包括：數(shù)據(jù)大屏，實現(xiàn)地圖展示、基準站監(jiān)管、差分格網(wǎng)監(jiān)管、電離層指數(shù)監(jiān)管、RTK/RTD用戶監(jiān)管等功能；功能大屏，主要實現(xiàn)地圖展示、基準站信息、終端詳情、歷史軌跡、格網(wǎng)詳情等功能；站點監(jiān)管，主要實現(xiàn)站點展示、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能；格網(wǎng)總覽，主要實現(xiàn)格網(wǎng)故障地圖、格網(wǎng)故障率統(tǒng)計分析等功能；終端監(jiān)控，主要實現(xiàn)對終端信息的實時監(jiān)管和歷史查詢；監(jiān)控大屏，主要實現(xiàn)對攝像頭數(shù)據(jù)流的健康監(jiān)控。

系統(tǒng)可在WebGIS上統(tǒng)一接收北斗三號、GPS、GLONASS等國內外設備的衛(wèi)星信號，實時以圖形化的形式展示平臺接收機的設備狀態(tài)，實現(xiàn)多平臺數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)管。系統(tǒng)為省、市（縣）有效銜接、資源利用和數(shù)據(jù)共享提供了有效的平臺，是為經濟社會和自然資源管理提供統(tǒng)一、權威的空間基準的重要基礎。通過系統(tǒng)建設，提高了基準站故障維修維護的響應能力，2022年上半年湖北省全省基準站運行的有效率提升至99.89%。在智能化建設的同時，系統(tǒng)已在智慧機場通勤車輛位置服務監(jiān)管、智慧水利的水下地形測量無人船定位和軌跡分析等領域發(fā)揮了作用。

系統(tǒng)可有效推進北斗衛(wèi)星導航定位高精度位置服務的高端低用，激發(fā)GNSS數(shù)據(jù)多層次利用價值，不僅改善了自然資源行業(yè)部門對位置服務應用需求的解決模式，而且有效降低了數(shù)據(jù)獲取成本，減少了外業(yè)人工工作量，避免了重復作業(yè)，提升了導航定位與位置服務的應用價值，使高精度導航定位服務向運維更加精細化、自動化，業(yè)務服務更加智能化、先進化，應用更加廣泛化、深度化的方向邁進。