兼容BDS的FZCORS升級改造方案探索

黃 磊

(福州市勘測院 福建福州 350001)

0 引言

北斗衛星導航系統是我國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，并于2012年底正式提供導航定位服務。該系統完成后，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導航、授時服務并兼具短報文通信功能。

“北斗地基增強系統”是以北斗衛星導航系統為主，兼容其他GNSS系統的地基增強系統。該系統可以解決國家在高精度定位領域的安全隱患，是開拓北斗精密定位應用的必備設施，是提高北斗系統服務能力和競爭的必要手段。

隨著北斗衛星導航系統的快速發展，對已建的單星、雙星或者三星CORS系統的升級改造勢在必行，從而大大提高在城市等復雜區域的作業效率。

FZCORS自2011年建成并運行以來，就為福州市測繪事業的發展做出了巨大貢獻。為福州市基礎地理空間框架的管理和維護提供更堅實的基礎，本文擬探索“兼容BDSR FZCORS”升級改造方案。

1 FZCORS系統現狀分析

FZCORS由9個連續運行參考站組成，分別位于福州市軟件園、福清、閩清、連江、長樂、羅源、永泰、江陰、平潭。GNSS站點接收機、控制中心數據處理軟件均為拓普康，站間距最長為70km，最短為25km，平均站間距約為43km。該系統自2011年建成并運行至今，在提高測繪作業效率和生產效益方面發揮了重大的作用，從根本上改變了傳統的作業模式，為福州城市測繪事業的發展做出了巨大的貢獻。隨著GNSS技術的不斷發展，系統用戶群對測繪服務內容需求的不斷提升，用戶規模的不斷擴大，現有系統已不能充分滿足已有和潛在用戶的需要。

同時，為了改善系統的服務內容和質量，有必要對FZCORS現有的系統進行升級改造，亟待改造、解決和完善的內容主要有以下4個方面。

1.1 GNSS設備硬件升級改造

系統現有9個站點，站點接收機和天線主要由GPS&GLONASS雙星參考站接收機系統構成，尚沒有支持北斗系統的三星或四星參考站點，有必要對FZCORS的設備進行升級改造為多星參考站接收機和多星扼流圈天線，實現支持北斗的地基增強系統，以解決主城區高層建筑物多等帶來的衛星遮擋問題，從而有效利用現有的三星系統資源，同時應兼顧站點設備對歐洲Galileo衛星系統的兼容性。

1.2 控制中心數據處理軟件升級改造

在站點硬件升級改造的基礎上，如果實現系統三星網絡RTK服務，還需要對控制中心的軟件進行升級改造。由于現有FZCORS采用的TopNet軟件只能提供雙星網絡差分改正數，尚不具備三星網絡解算的能力。為了充分保障福州地區含北斗多星系統網絡的服務能力，必須升級FZCORS系統現用的網絡參考站軟件平臺，以具備多星網絡的解算和服務能力，為系統用戶提供真正意義上的區域性多星網絡RTK服務，同時應充分考慮改造后系統軟件對現有參考站點設備和系統用戶的良好兼容性。

1.3 系統實現多星網絡RTK服務

在福州地區多星網絡系統軟硬件升級改造的基礎上，FZCORS系統將為用戶提供區域性的多星網絡RTK服務。在多星網絡覆蓋的區域，用戶RTK外業測量時，在傳統房角、樹下等雙星系統作業相對困難的地區，支持多星系統(GPS & GLONASS & Beidou&Galileo)流動站仍能進行正常的測量作業。系統實現多星網絡RTK服務將進一步擴展流動站的作業區域可用性、空間可用性和時間可用性，大大提高流動站的初始化時間，從而為系統注冊用戶提供更便捷、周到的服務。

1.4 用戶管理升級改造

(1)擴展系統并發用戶容量：隨著GNSS定位服務在各行業應用的不斷拓展和深入，FZCORS系統用戶群呈縱深方向的發展趨勢，系統不單要為用戶提供貼心、高品質的數據服務，同時對系統允許接入的并發用戶數量也提出了更高的要求，有必要對系統支持的并發用戶數進一步擴容。該升級改造，可通過增加或更換服務平臺的方式實現，進一步提高對大批量用戶的管理能力，為FZCORS系統用戶的進一步擴容提供保障條件。

(2)用戶使用位置及記錄查詢服務：為了進一步方便系統管理和用戶應用FZCORS系統便捷性，同時充分利用現有的資源，可通過二次開發的方式，建立在數據庫的基礎上，實現系統管理員及用戶可以查看用戶的使用記錄，如按使用周期、登錄次數等查詢用戶的使用情況。同時，將現有的地圖數據庫融入到FZCORS系統，用戶可通過在線地圖查詢所處位置周邊的參考站站點、控制點及水準點分布情況等信息。系統管理員也可實時在線查看用戶的使用位置，便于對用戶的使用情況進行實時監控和管理。

2 系統升級改造實施過程

在FZCORS本次北斗地基增強系統升級改造方案中，需要充分考慮現有系統、國家基準站點、陸態網基準站點及周邊城市乃至省級CORS系統的兼容性問題。

(1)系統控制中心采用具有良好兼容性的數據處理軟件，參考站點的接收機具有良好的兼容性，在系統建設的基礎上充分利用現有的資源，避免系統建設過程中的重復投入。

(2)預留與福州周邊已有CORS系統的接口，通過控制中心間聯網實現與周邊系統或國家系統進行數據交換。采用TCP/IP、Ntrip等數據交換協議，保證與周邊系統數據交換時的兼容性。

(3)系統升級改造的同時，按照統一的標準設計FZCORS的各個子系統，同時在新建基準站選址上，在基準站數量、站間距的設計上應充分考慮與周邊系統的共享和融合。

FZCORS系統升級改造方案的實施流程主要涉及控制中心的軟硬件升級和參考站設備升級兩大步驟，具體的實施流程如圖1所示。

圖1 FZCORS系統升級改造流程示意圖

2.1 系統升級目標和原則

FZCORS系統升級的目標是：將使FZCORS系統由目前的只支持GPS與GLONASS的雙星CORS系統，升級成為支持GPS、GLONASS與北斗以及將來支持Galileo及更多運行衛星的多星CORS系統，為終端用戶提供更穩定、更先進的服務，同時提供更多的服務，滿足不同用戶的多種需求。

FZCORS系統的升級以“確保系統平穩、無縫過渡”為基本原則，在升級過程中不中斷用戶服務，在系統的過渡階段，新舊兩套系統并行運行，過渡完成后移除舊有系統，新系統全面獨立運行；以“技術先進、經濟適用”的原則，在滿足系統目標的前提下，充分利用系統已有的資源，以最小的成本完成系統的升級；以“全局考慮、周密嚴謹”的實施準則，進行系統的具體的升級過程前，通盤考慮如何進行系統的升級、升級過程中可能出現的問題，以及如何應對出現的問題及其解決方法，以確保系統的順利升級。

2.2 控制中心軟硬件的升級

FZCORS系統若實現福州區域性的多星網絡RTK服務，在選點參考站點設備增加和更新的同時，控制中心軟件也需做相應的升級改造，以實現控制中心具備多星網絡解算和提供多星網絡RTK服務的能力。

為保障福州地區北斗試驗網的順利實施，同時對FZCORS系統現有的運行不會產生直接或重大的影響，擬在系統測試期間，FZCORS中心單獨準備一套服務器，獨立安裝和運行多星網絡參考站軟件,待充分驗證全新網絡參考站系統穩定性、可靠性等方面的基礎上，再考慮將FZCORS現有系統進行全面升級。 過渡時期中心服務器架構如圖2所示。

在過渡時期結束后，撤銷拓普康服務軟硬件，最終只留升級改造后的系統運行，如圖3所示。

圖2 過渡時期中心服務器架構

圖3 最終中心服務器功能架構

2.3 參考站設備的升級

綜合上節對FZCORS系統的現狀分析，為了控制和減少系統改造風險，擬采用穩步推進的方式進行系統的北斗升級改造。

首先，有必要分兩期進行北斗實驗網的系統測試工作，待充分驗證多星參考站網絡系統可靠性、空間可用性和時間可用性等相比現有雙星系統系統有很大程度提高的基礎上，再對福州全區的CORS全部升級。

參考站點改造一期：預先購置3～5套專業型多星參考站接收機及其配套的扼流圈天線，用于福州地區首期北斗試驗網的站點布設。有針對性地選擇3～5個通訊條件較好的站點，將現有站點的天線更換為新購置的扼流圈天線，采用分頻器的方式，保留站點現有參考站接收機和新的多星參考站接收機共用多星天線，在保證FZCORS現有系統正常運行的同時，為北斗試驗網測試工作的開展提供便利的條件，過渡時期站點結構如圖4所示。采用該方案，可以實現福州部分區域的多星站點網絡全覆蓋，在充分利用FZCORS現有資源基礎上，快速實現區域性北斗試驗網的站點布設工作。

圖4 過渡時期站點結構圖

參考站點改造二期：待福州地區局部的多星網絡服務應用的優越性和便利性充分得到驗證并成熟后，再考慮后續一次性改造FZCORS其余站點，以最終實現多星參考站網絡系統的全市覆蓋。

2.4 關鍵技術手段

2.4.1中心軟件并行運行

為保證在升級過程中不中斷用戶服務，擬實施新舊兩套系統并行運行，具體的處理方法如下：站點升級是將原有拓普康天線使用新的天線替換，原有的拓普康接收機繼續在該站點運行，只是使用功分器將新天線接過來的GNSS信號同時送給拓普康接收機和新接收機，這樣拓普康接收機繼續給拓普康服務器軟件提供站點的GPS實時觀測數據，而由新的接收機給新的控制中心軟件提供GNSS實時觀測數據。這樣，實現拓普康服務器軟件和新的控制中心軟件分別在兩臺服務器上的同時運行。

2.4.2更換天線對RTK用戶的影響

更換某一站點的天線和接收機后，確定是否對外業的RTK用戶的定位有影響。這樣可以判定，如果有影響，那么影響最大的位置就是該站的位置。

針對這個問題，具體的處理方法如下：在被更換站點的天線附近用三角架固定一個RTK流動站，在更換天線前獨立測量該點的坐標10次，該點設備不動，更換完天線和接收機后，繼續10次獨立的觀測，通過數據的分析評價更換天線和接收機是否對外業的RTK作業有影響。

2.4.3天線更換后相位中心的一致性

對于原有站點的接收機和天線在更換后，由于天線型號的變化，這樣會造成天線相位的變化，從而導致坐標系統的時間序列可能會發生突跳。

針對這個問題，具體的處理方法如下：擬在更換天線前確保原有接收機內記錄完整的采樣率為30s原始觀測數據持續一周以上，最好兩周；然后更換該站點的天線，并記錄更換天線的時間。這樣再在接收機內記錄采樣率為30s原始觀測數據持續一周以上，最好兩周。

將這將近4周以上的觀測數據，使用GAMIT軟件進行處理，生成相應的時間序列，觀測站點的時間序在更換設備的時刻是否發生突跳，如果沒有發生突跳，這樣不用處理。如果發生突跳，則將這個變化投影到該點的不同的坐標分量上，從而將突跳修正。

3 系統改造后成效

通過上述參考站接受設備、控制中心軟硬件、用戶管理等方面的升級改造，相比FZCORS現有雙星系統的性能，在以下幾個方面將會有非常顯著的提高：

(1)提高系統的空間可用性

充分利用了現有的北斗衛星系統資源，在傳統雙星系統作業非完全遮蔽區且困難的區域，如房角、樹下等將更容易獲得更可靠的測量成果，大大拓展了FZCORS系統的可用空間和服務區域；

(2)提高流動站的初始化時間

相比傳統條件下流動站在30s左右或需更長時間獲得初始化的區域，采用多星網絡參考站系統后，可以在15s乃至更短時間內獲得可靠的初始化定位成果。

(3)提高系統的時間可用性

近兩年是電離層活動劇烈的高發時段，相比傳統意義上雙星電離層改正模型，由于多星網絡參考站系統增加了對北斗系統的支持，在系統誤差評估方面提供了更多的可資利用的冗余條件，所以在對電離層乃至對流層對GNSS定位誤差影響的評估方面有更大程度的優化和改進。即使之前在雙星網絡系統下流動站固定仍然困難的工作時段，采用多星系統后將有非常明顯的改善直至徹底消失。

(4)提高網絡系統的站間距水平

傳統意義上的城市雙星參考站點布設，一般35km～50km是比較合理的布局，在電離層更加活躍的低緯度地區，理想的參考站間距一般建議控制在40km左右。采用三星網絡系統，在參考站點的間距布設方面也有非常顯著的提高，福州境內的站間距一般布設40km～50km即可?？紤]到FZCORS已有站點的密度和平均站間距約40km水平，如果全區均改造為四星系統的接收機，則意味著FZCORS系統的參考站站點具有非常好的冗余度，即使個別站點因通訊或設備故障掉線，仍不會對FZCORS系統的整體服務性能有明顯的影響。

(5)站點和用戶管理性能的提高

全新的參考站軟件，采用優化的數據庫管理結構，在系統站點資源管理、注冊用戶管理、系統服務的時間響應等方面均有非常顯著的提高和改善，為進一步保障FZCORS面向社會各領域的運營服務提供了堅實的保障。

4 結語

本文針對FZCORS目前的運行狀況進行了分析，結合實際需求及升級改造原則，提出了FZCORS兼容BDS等多星系統的升級改造方案。分別從參考站接受設備、控制中心軟硬件、用戶管理等方面，指出了對系統升級改造過程的相關要求、注意事項以及關鍵技術，并指出系統改造后在空間可用性、時間可用性、初始化時間等多方面將會有顯著提高，為FZCORS升級改造的具體實施打下了基礎。

參考文獻

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