基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)升級探索

劉 建，李 勝，劉邢巍，吳 寒

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121；2.重慶市地理空間信息工程技術(shù)研究中心，重慶 401121）

基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)升級探索

劉 建1，李 勝1，劉邢巍2，吳 寒2

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121；2.重慶市地理空間信息工程技術(shù)研究中心，重慶 401121）

選取重慶市5個基準(zhǔn)站開展了基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)升級改造，融合了BDS﹑GPS﹑GLONASS多星多頻數(shù)據(jù)，提高了定位精度；同時，用戶公共觀測衛(wèi)星數(shù)量明顯提升，縮短了用戶初始化時間，提高了作業(yè)效率，提升了重慶市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系信息化應(yīng)用服務(wù)水平，為下一步全市全面開展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)改造升級提供了經(jīng)驗(yàn)。測試結(jié)果表明，改造后的系統(tǒng)可有效解決山地城市局部地區(qū)衛(wèi)星定位困難的問題，改造后的三星網(wǎng)絡(luò)RTK平面精度為3 cm，空間三維坐標(biāo)精度優(yōu)于5 cm，RTK的精度水平﹑全天可用性和可靠性均能滿足工程測繪技術(shù)要求。

GNSS；CORS；衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)；北斗

重慶市全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（CQGNSS）在十一五﹑十二五期間不斷建設(shè)與完善，2012年建成了由35個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）基準(zhǔn)站組成的框架基準(zhǔn)，作為重慶市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系的重要組成部分，已為城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)﹑城鄉(xiāng)測繪﹑國土資源調(diào)查﹑氣象監(jiān)測﹑精密變形監(jiān)測﹑地理調(diào)查等提供了連續(xù)的空間基準(zhǔn)與導(dǎo)航定位服務(wù)，滿足了城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對地理空間信息社會化應(yīng)用的需求。隨著新技術(shù)﹑新方法﹑新手段以及新儀器設(shè)備的出現(xiàn)，加之重慶市屬于典型的山地城市，建成區(qū)內(nèi)高樓林立﹑建筑密集，原有雙星/單星基準(zhǔn)站覆蓋區(qū)域流動站存在衛(wèi)星觀測數(shù)目少﹑定位慢的問題，且原有CORS系統(tǒng)允許用戶同時登錄的數(shù)量僅為100個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足實(shí)際需求。

利用中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）對亞太地區(qū)正式提供服務(wù)的契機(jī)，研究建立山地城市測繪基準(zhǔn)的理論體系﹑技術(shù)方案和實(shí)現(xiàn)方法，解決重慶市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)建立﹑維持和應(yīng)用服務(wù)過程中所涉及的精確性﹑統(tǒng)一性﹑用戶限制﹑信息化綜合服務(wù)等難題，促進(jìn)國家測繪基準(zhǔn)維持和更新的現(xiàn)代化以及我國新一代CGCS2000坐標(biāo)系的推廣應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。本文僅選取5個基準(zhǔn)站開展基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)改造升級探索，為下一步全市全面開展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)改造升級尋求經(jīng)驗(yàn)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自2003年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)建設(shè)以來[1-3]，目前已覆蓋亞太地區(qū)。在北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)過程中，其衛(wèi)星鐘性能﹑測距碼性能﹑定位精度和可靠性等指標(biāo)也得到了逐步驗(yàn)證[4]。尤其是從近期的導(dǎo)航定位實(shí)踐中可知，BDS的定位﹑導(dǎo)航和授時（PNT）服務(wù)性能均已基本達(dá)到或超過設(shè)計(jì)性能指標(biāo)[5-7]。四川﹑湖南﹑黑龍江等國內(nèi)其他省份的相關(guān)學(xué)者在BDS與GPS﹑GLONASS的融合﹑兼容﹑互操作性上做了大量的實(shí)踐探索，并分析和驗(yàn)證了可行性[8-11]。開展基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)改造升級，旨在應(yīng)用我國BDS和自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)軟硬件，以擺脫對美國GPS等國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及相關(guān)軟硬件的依賴。

2 升級改造過程

2.1 基準(zhǔn)站升級改造

CQGNSS基準(zhǔn)站原有的GNSS天線一部分能接收多星座衛(wèi)星信號，一部分只能接收單星座衛(wèi)星信號；一部分GNSS接收機(jī)僅能接收單星數(shù)據(jù)，一部分接收機(jī)僅能接收雙星數(shù)據(jù)。因此，需對部分基準(zhǔn)站進(jìn)行改造升級，尤其是單星接收機(jī)，需更換多星天線和多星設(shè)備，在原有能支持北斗信號的GNSS天線和接收機(jī)之間加設(shè)信號分發(fā)器，加裝北斗接收機(jī)與原有系統(tǒng)并置運(yùn)行，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基準(zhǔn)站升級改造結(jié)構(gòu)圖

2.2 北斗高精度數(shù)據(jù)處理中心建設(shè)

數(shù)據(jù)處理中心是BDS的核心，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)﹑軟件系統(tǒng)等組成，與各基準(zhǔn)站之間依靠專網(wǎng)鏈接。北斗數(shù)據(jù)處理中心建立在原有CQGNSS控制中心局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，加裝了北斗服務(wù)器和軟件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心功能。本次改造通過構(gòu)建重慶市北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)共享站數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)﹑北斗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和用戶分發(fā)系統(tǒng)的研發(fā)。

2.3 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取傳輸?shù)闹匾Ｕ希ㄟ^數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時獲取數(shù)據(jù)并分發(fā)給用戶。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是以太與光纖的組合網(wǎng)絡(luò)，控制中心主干網(wǎng)絡(luò)采用百兆以太網(wǎng)絡(luò)，基準(zhǔn)站采用MPLS VPN光纖網(wǎng)絡(luò)鏈接控制中心。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 北斗導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

整個系統(tǒng)分為VPN區(qū)域﹑控制中心﹑以太網(wǎng)區(qū)域和控制中心Internet接入?yún)^(qū)域。工作流程分為外網(wǎng)工作流程和內(nèi)網(wǎng)工作流程：

1）外網(wǎng)工作流程。系統(tǒng)將數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器放在硬件防火墻的DMZ區(qū)（停火區(qū)）。外網(wǎng)除了具備一般的上網(wǎng)功能外，主要負(fù)責(zé)在各GPRS/CDMA/GSM用戶（一個或多個用戶）發(fā)出請求后，和外網(wǎng)發(fā)布服務(wù)器通過防火墻和內(nèi)網(wǎng)核心交換機(jī)后，向數(shù)據(jù)處理服務(wù)器提取數(shù)據(jù)；GPRS/CDMA/GSM用戶就通過Internet（經(jīng)過防火墻和外網(wǎng)路由器）直接發(fā)送。

2）內(nèi)網(wǎng)工作流程。各北斗基準(zhǔn)站通過衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)后，再通過VPN線路﹑路由器和內(nèi)網(wǎng)核心交換機(jī)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街魈幚矸?wù)器上。數(shù)據(jù)處理工作站通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理服務(wù)器里的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理﹑管理和存儲。數(shù)據(jù)處理工作站通過內(nèi)網(wǎng)路由器對各基站的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理。

2.4 北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)實(shí)時處理子系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)實(shí)時處理子系統(tǒng)是BDS的核心部分，該系統(tǒng)在原有CQGNSS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過添加軟硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)處理。通過對所接收的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供相應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)和定位功能服務(wù)。數(shù)據(jù)處理功能主要包括：①以C/S模式實(shí)時接收各基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，經(jīng)同步處理后進(jìn)行實(shí)時基線解算，計(jì)算區(qū)域電離層﹑對流層等實(shí)時延遲量和基線殘差等參數(shù)。②對電離層﹑對流層實(shí)時延遲量進(jìn)行模型化處理，建立區(qū)域電離層﹑對流層模型；根據(jù)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)﹑精密衛(wèi)星鐘差估計(jì)基準(zhǔn)站接收機(jī)鐘差參數(shù)。③根據(jù)用戶概略位置建立模型，采用殘差內(nèi)插等方法計(jì)算改正數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼后以RTCM3.2格式播發(fā)給用戶使用。④利用基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)﹑精密軌道和鐘差等參數(shù)實(shí)時計(jì)算基準(zhǔn)站精密坐標(biāo)，并對基準(zhǔn)站坐標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控。北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理流程主要包括數(shù)據(jù)自動下載﹑數(shù)據(jù)預(yù)處理和質(zhì)量評估﹑區(qū)域誤差模型建立﹑質(zhì)量控制及評估﹑數(shù)據(jù)自動播發(fā)等，如圖3﹑4所示。

3 聯(lián)網(wǎng)測試與數(shù)據(jù)分析

對升級改造后的基準(zhǔn)站網(wǎng)分別在GPS+GLONASS﹑BDS和GPS+GLONASS+BDS情況下的定位精度情況﹑系統(tǒng)的綜合指標(biāo)﹑時間可用性﹑兼容性以及空間可用性進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：

1）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK在整個覆蓋區(qū)域內(nèi)精度穩(wěn)定，在衛(wèi)星觀測條件較好的情況下，與現(xiàn)有系統(tǒng)精度和初始化時間相當(dāng)；在衛(wèi)星觀測條件較差的情況下，使用北斗衛(wèi)星可縮短定位初始化時間。

2）GPS+GLONASS系統(tǒng)下內(nèi)符合精度：X方向?yàn)?.008 m，Y方向?yàn)?.016 m，Z方向?yàn)?.011 m；BDS系統(tǒng)下內(nèi)符合精度：X方向?yàn)?.016 m，Y方向?yàn)?.028 m，Z方向?yàn)?.014 m；BDS+GPS+GLONASS系統(tǒng)下內(nèi)符合精度：X方向?yàn)?.008 m，Y方向?yàn)?.016 m，Z方向?yàn)?.010 m。對內(nèi)符合精度的統(tǒng)計(jì)表明，系統(tǒng)中的RTK定位精度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3）GPS+GLONASS系統(tǒng)下外符合精度：X方向?yàn)?.011 m，Y方向?yàn)?.025 m，Z方向?yàn)?.015 m；BDS系統(tǒng)下外符合精度：X方向?yàn)?.021 m，Y方向?yàn)?.042 m，Z方向?yàn)?.018 m；BDS+GPS+GLONASS系統(tǒng)下外符合精度：X方向?yàn)?.019 m，Y方向?yàn)?.032 m，Z方向?yàn)?.024 m。對外符合精度的統(tǒng)計(jì)表明，系統(tǒng)性能可靠，可用于工程測繪。

4）網(wǎng)內(nèi)初始化平均時間為15 s，網(wǎng)外初始化時間為25 s。在遮擋較為嚴(yán)重的地段，利用三星系統(tǒng)作業(yè)的初始化時間明顯小于原有雙星系統(tǒng)，初始化時間的縮短能大幅提高野外作業(yè)效率。

5）整個測試表明，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可有效解決山地城市局部地區(qū)衛(wèi)星定位困難的問題，改造后的三星網(wǎng)絡(luò)RTK平面精度為3 cm，空間三維坐標(biāo)精度優(yōu)于5 cm；RTK的精度水平﹑全天可用性和可靠性均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖3 基準(zhǔn)站衛(wèi)星信號圖

圖4 北斗基準(zhǔn)站組網(wǎng)解算圖

4 結(jié) 語

選取重慶市5個基準(zhǔn)站開展了基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航定位服務(wù)系統(tǒng)升級改造，升級后的CQGNSS融入了國內(nèi)外最新研發(fā)的技術(shù)成果，可利用多星數(shù)據(jù)發(fā)揮導(dǎo)航定位服務(wù)作用。經(jīng)過一系列的測試表明，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了BDS﹑GPS﹑GLONASS多星服務(wù)，可為用戶提供不同精度要求的實(shí)時差分導(dǎo)航定位和高精度動態(tài)定位，為下一步全市基準(zhǔn)站改造升級打下了基礎(chǔ)。

[1] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展﹑貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)[J].測繪學(xué)報(bào),2010,39(1):1-6

[2] 李霖,邢小雨,李國忠.北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于測繪地理信息服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系分析[J].測繪通報(bào),2015(3):6-11

[3] 夏爽.基于北斗雙星定位的被動算法研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2006

[4] 張全德,張燕平.測繪基準(zhǔn)體系建設(shè)的探討[J].測繪通報(bào),2005(4):1-4

[5] 武軍酈,周建軍.構(gòu)建GNSS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)實(shí)現(xiàn)測繪基準(zhǔn)現(xiàn)代化[J].測繪通報(bào),2008(10):46-48

[6] 羅靈軍,徐永書,夏定輝,等.重慶市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)(CQGISS)建設(shè)[J].測繪科學(xué),2007(6):164-166

[7] 楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基本導(dǎo)航定位性能初步評估[J].中國科學(xué):地球科學(xué),2014,44(1):72-81

[8] 吳寒,許超鈐,劉邢巍.基于CORS的現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)體系應(yīng)用[J].全球定位系統(tǒng),2016,41(3):89-92

[9] 陳俊勇,黨亞民,張鵬.建設(shè)我國現(xiàn)代化測繪基準(zhǔn)體系的思考[J].測繪通報(bào),2009(7):1-5

[10] 施立群,張旭東.基于NBCORS的寧波市現(xiàn)代測繪基準(zhǔn)建設(shè)成果融合應(yīng)用研究[J].城市勘測,2012(4):91-94

[11] 姚一飛,王浩,趙東發(fā).北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)綜述[J].科技致富向?qū)?2011(5):10

[12] 施闖,趙齊樂,李敏,等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究[J].中國科學(xué):地球科學(xué),2012,42(6):854-861

P228.4

B

1672-4623（2017）09-0032-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.011

2017-02-20。

劉建，碩士研究生，主要從事遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用研究。