基于北斗增強信息的位置服務廣播系統

●　文|中國電信股份有限公司廣州研究院　　　李屹　　朱先飛　　張濤　　楊德利

基于北斗增強信息的位置服務廣播系統

●文|中國電信股份有限公司廣州研究院李屹朱先飛張濤楊德利

摘要：隨著移動互聯網的蓬勃興起，個人移動端的精確定位應用需求猛增。基于北斗的位置服務廣播系統就是將高精度的衛星定位相關信息以低時延、低成本的方式發送至大規模的移動用戶。以滿足用戶精確定位需求的新技術之一。

關鍵詞:衛星定位 廣播 位置服務

一、引言

移動互聯網發展越來越迅猛，個人移動終端普及度越來越高，各種應用對衛星導航位置信息的需求也隨之提升，如何取得更加精準的個人位置信息，滿足用戶對準確位置的需求成為研究重點。本文描述如何將北斗系統廣域實時精密定位的增強信息實時送達到個人移動網絡終端上，如何處理基準站數據與數據處理中心的實時信息傳輸、提供與位置相關的增值應用等問題，這些將成為進一步發展移動互聯網用戶的關鍵。

二、衛星導航增強系統

為獲取更高的衛星導航精度，現行的GPS、北斗等衛星定位系統都可以通過增強信息來進行輔助。

定位系統增強信息是衛星導航系統中為了提高定位準確度提供的附加信息，需要通過基準站計算修正值后發送給相應區域的終端用戶，該終端將直接獲得的增強信息進行修正計算，從而得到更高精度的位置信息。從定位精度上可分為：廣域米級、廣域分米級、區域厘米級等。

1.廣域米級差分增強原理

對基準站實時原始觀測量進行數據處理，獲取基準站單頻差分改正數據（單頻偽距和載波相位改正數），然后播發給基準站周圍的流動站用戶，流動站用戶利用距離自己最近的基準站的單頻差分改正數據對獲得的原始觀測量（單頻偽距和載波相位）進行誤差修正，利用修正后的觀測數據進行解算，解算得到的定位精度會得到顯著提升。

2.廣域分米級差分增強原理

對基準站實時原始觀測量進行數據處理，獲取精密衛星軌道、鐘差改正數、廣域電離層模型、衛星非整數相位延遲（UPD）和單站雙頻非差改正數以及完好性等數據產品，對于單頻載波用戶，直接采用精密衛星軌道、鐘差改正數、廣域層電離模、衛星非整數相位延遲對衛星星歷和載波相位觀測值分別進行校正，再利用校正過的數據進行解算，大幅提升定位精度。對于雙頻載波接收機用戶，有兩種工作模式：工作于精密單點定位模式和工作于網絡RTK模式。

精密單點定位模式原理與單頻載波用戶類似，差異在于雙頻觀測，還可充分利用各種誤差消除模型，但由此帶來初始化時間的問題。

網絡RTK模式也是在充分利用精密衛星軌道，鐘差改正數、廣域層電離模、衛星非整數相位延遲和單站雙頻非差改正數的基礎上，數據綜合處理中心將對整個基準站網的觀測數據可以采用整網聯合結算，或采用劃分子網以及單基線模式進行并行處理，得到測站衛星間雙差模糊度信息。此時，結合由多個測站所組成閉合環對應雙差模糊度之和為0以及基準站坐標精確已知等限制條件對結算得到的測站間雙差模糊度進行檢核，剔除或重新解算存在問題的基準站觀測數據。數據處理中心按照“基于非差觀測的網絡RTK方法”，通過適當添加某些基準信息，將按照現有相對定位方法計算得到的雙差觀測值殘差映射為各基準站與可視衛星間非差觀測值殘差的形式，從而實現對每顆可視衛星的一小塊區域分別進行擬合建模。進一步精化各種誤差。構建的各類誤差改正模型信息采用GSM、GPRS、RDS等廣播方式被實時傳送給內網用戶接收機，大幅提高定位精度。

3.區域厘米級差分增強原理

區域厘米級差分增強目前主要有兩種技術體制，即主輔站技術和虛擬參考站技術。兩種技術體制都需要利用通過區域站綜合結算的精密衛星軌道、鐘差改正數、電離層模型、對流層模型等區域誤差改正數，在雙頻觀測的基礎上，利用區域網絡進行整網結算。其中主輔站技術以離用戶最近的基準站作為主站進行相對定位；而虛擬參考站技術則利用用戶概略位置，在用戶真實位置旁邊虛擬一個參考站，利用該虛擬參考站與用戶流動站進行相對定位結算，最終提升用戶定位精度。

衛星導航增強系統可以幫助用戶更加快捷準確地進行定位，但實現過程的重點是如何將正確的北斗增強信息及時準確地廣播到各終端中。本文研究內容就是基于北斗增強系統信息廣播的服務平臺，為用戶的終端提供位置服務應用。

三、北斗系統移動廣播系統平臺

北斗增強系統移動廣播系統平臺就是將獲取的不同地面參考站傳送來的北斗系統增強信息通過優化處理，廣播給相應用戶、對應終端的平臺。

業務受控的北斗系統增強信息廣播系統由三個部分組成：增強信息移動廣播管理模塊、數據廣播模塊、終端用戶及其他各種移互應用。系統功能架構如圖1所示。

圖1　北斗增強信息移動廣播系統功能架構圖

·數據廣播模塊：主要包括移動數據傳輸能力及3G數據廣播能力，互聯網能力主要包括大容量組播能力，內容分發與傳送能力。

·增強信息移動廣播管理模塊：主要包括用戶管理、廣播調度管理引擎和能力匯聚網關。用戶管理主要實現權限和密鑰管理，廣播調度管理引擎控制能力匯聚網關實現可控廣播。

增強信息移動廣播系統的工作流程為：增強信息移動廣播管理模塊負責接收北斗系統實時精密定位的增強信息廣播數據，并通過數據廣播模塊通過移動網能力及互聯網能力分發給終端；同時也能接收位置服務應用的定位請求，通過策略控制和負載均衡調度，向終端轉發定位請求，并把終端的計算結果返回給應用。

增強信息移動廣播系統中最關鍵的步驟是如何將增強信息廣播給終端，目前使用的兩種廣播技術是基于信令通道數據廣播技術和基于網絡通道數據廣播技術。

1.基于信令通道數據廣播技術

目前主流的廣播服務有基于WCDMA和CDMA的技術，其本質原理均為基于信令通道數據廣播技術，是一種在移動網絡中通過基站維度建立廣播承載通道的技術，使得定位信息在移動廣播網絡中的傳輸更高效。

基于信令通道數據廣播承載通道建立以后，可向指定基站/扇區提供定位信息廣播服務，通道資源可以動態協調：有數據流時根據帶寬要求動態分配；無數據流時，承載通道釋放，以節約資源。

但是由于本方案需要通過升級改造無線、PDSN/BSN以及接入網設備等硬件設備，同時需要占用已經緊缺的頻率資源，可能會對其他服務產生影響，因此很難在短時間內大規模實現。

隨著4G網絡的普及，4G網絡可以改善其占用通道的缺點，使得基于信令通道的廣播技術得到更好的發展。

2.基于網絡通道數據廣播技術

基于網絡通道數據廣播技術通過位置能力開放系統獲得廣播數據后，通過廣播管理服務器將需要廣播的數據注入到IP網絡，通過IP網絡的組播技術，下發至各個網絡邊緣相關PDSN，最后經過無線的數據網，實現將數據下發到相應手機終端。

用戶使用該業務前，需要使用基于精密位置信息終端SDK實現的位置業務終端軟件，先在位置能力開放系統進行注冊，注冊成功后，該手機可接收位置信息的廣播信息

此方式實質上利用了IP網絡中的受控組播的方式。在IP廣域網中開展廣播，對全網影響巨大，顯然不現實，而通過受控組播的方式來實現對所需終端提供定位廣播則是較好的選擇。該技術成熟可靠，既能達到節省骨干帶寬，又能同時發送至眾多終端的目的。適合短時間內大規模推廣應用，推薦使用該技術建設系統。

四、基于位置的廣播現場試驗

通過對之前方案關鍵技術的研究，進行了基于位置的網絡信道數據廣播技術的現場試驗（江蘇、廣東等地），用于驗證本方案的可行性和實用性。

試驗模擬找尋周邊用戶的場景：

1）區域：400km2；

2）用戶：100萬活躍用戶；

3）系統把熱點區域劃分為200×200個邊長約100m的網格，即在緩存進程中表示為200×200的二維數組；

4）假設用戶每移動100m發一個位置變更請求。顯然，早上7點到9點上班高峰為用戶移動最頻繁時段，假設平均每人上班路程為5km，則系統每秒要處理6944個位置變更請求，而每次位置變更請求時都需要從定位信息移動廣播系統中請求定位信息；

5）假設這100萬用戶在這兩小時里有10萬人提交了搜索周邊用戶的請求（半徑1km），平均每人提交5次。則系統平均每秒要處理69次搜索周邊用戶的請求，其中包括請求自己的定位信息，以及周邊用戶的定位信息。

系統存儲的主要信息是用戶的位置跟蹤信息。傳統的解決方案是采用關系型數據庫保存這些信息。但這種基于關系型數據庫的解決方案存在以下幾個問題：

1）定位系統產生的記錄數量巨大，每天每臺終端設備都會產生大量的定位信息；每條記錄內容較少，根據業務需要位置跟蹤信息可能要保存很長一段時間；

2）某一位置跟蹤信息都是屬于某一個特定的用戶/手機的，不同用戶/手機之間的位置跟蹤信息不存在關聯；

3）對歷史位置跟蹤信息的處理基本對某用戶/手機某段時間內所有的定位信息進行批量處理，對單個歷史定位信息進行查詢和操作的需求很少。

因此，傳統的RDBMS數據庫用于保存和處理定位信息并不是很適合。本項目采用了一種分布式緩存，利用分布式數據架構，為應用提供可靠的數據存儲和快速的數據訪問。根據定位業務的特點，建立針對定位業務具體特征進行優化，為各種移動定位業務提供通用的，可定制的公共存儲服務，降低應用開發門檻，提升定位服務質量軌跡建模就是將這些點按照時間順序連接起來，并且根據道路、建筑等環境特征，構造一條用戶實際走過的路線。

除了在一些關鍵時段，比如學生上下學的時候，采用高采樣率，例如每隔5s采集一次學生的位置。但高采樣率帶來的是通信和存儲代價的增加。例如，如果5萬用戶每5s采集一次地理位置，那么1小時內，產生的數據量為3600萬條記錄，按每條記錄0.1k計算，產生3.6G數據量，如果用戶規模再擴大，這些對網絡帶寬和存儲資源的占用是巨大的。

因此，研究的一個重點是在定位數據低采樣率情況下軌跡的重建技術。

由于用戶軌跡總是存在一定的限制條件，以及相關的上下文因素，例如絕大部分是在正常道路上行走的；以及在兩個位置之間消耗的時間這些都可以作為縮小搜索空間的限制條件。本實驗就是在這些合理的假設前提下，通過地圖匹配等技術來實現軌跡的重建。

測試任務包括：

場景一：單純模擬位置變更請求；

場景二：單純模擬搜索周邊用戶請求；

場景三：模擬位置變更請求和搜索周邊用戶請求的組合情況；

場景四：單純模擬搜索周邊用戶請求，允許誤差結果；

場景五：模擬位置變更請求和搜索周邊用戶請求的組合情況，允許結果有誤差。

通過測試得到測試結果如表1所示。

表1　測試結果

注：1.因為服務器具有8顆邏輯CPU，所以總CPU使用率理論上最高可達到800%。

2.壓力程序部署在同一臺服務器上，也會占用部分CPU資源；這里的引擎CPU使用率是指位置搜索引擎占總CPU使用率的比例，如700%×55%說明在該服務器上位置搜索引擎的占用率為總CPU使用率乘以引擎CPU使用率。

在此場景下定位信息移動廣播系統的性能如下（圖2）：

圖2　定位信息移動廣播系統測試結果

平均定位信息接收時間： 60ms；

最大定位信息接收時間： 79ms；

最小定位信息接收時間： 40ms。

通過測試結果我們可以看到，本方案中采用基于網絡通道數據廣播技術完全可以滿足目前應用對位置的要求。

根據測試結果的數據，針對全國部署的基于北斗增強信息廣播的位置服務應用平臺需要根據活躍用戶密度情況進行合理的分配。例如在沿海發達地區，用戶人數密集、使用頻率高，服務器壓力大，那么就需要按省或者市來建設系統；而在西北等土地面積廣闊，用戶分布散，使用頻率低的地方可以按大片區建設系統，以達到合理利用資源的目的。