BDS/GPS格網虛擬化偽距差分和偽距改正數差分的差異化實現

張晶晶，陳現春，秘金鐘，方書山，成 兵

(1.四川省第一測繪工程院， 四川 成都 610100; 2.中國測繪科學研究院，北京 100086)

差分定位技術由于算法簡潔，且可使用戶實時獲取亞米級高精度定位，得到了廣泛應用，也成為實時定位技術研究的熱點。

文獻[1—6]對差分定位技術進行了詳細研究，包括單基站差分、多基站差分及兩種差分模式定位效果的對比，單系統GPS差分、北斗/GPS/GLONASS多系統融合差分技術研究；同時，隨著數據傳輸編碼RTCM協議的不斷完善，文獻[7]研究了用戶端偽距差分RTCM3X和偽距改正數差分RTCM2X不同定位模式的差異。

傳統網絡RTD服務模式因需傳輸基準站坐標信息，故存在基準站坐標泄露的安全隱患。且傳統RTD服務模式以統一對外服務端口發布所有數據源，面向所有用戶提供服務，當RTD服務數據源數量增多和用戶量增加時，該種服務模式可承載的并發用戶有限。因此，保障基準站坐標的安全性，且同時可以為海量用戶服務，已成為北斗民用差分位置服務迫切需要解決的難題。文獻[8]提出了網格虛擬參考站方法，使用網格偽距差分技術[8-10]已初步解決了偽距改正數RTCM2X差分定位的問題，但目前還未有格網化的偽距差分RTCM3X的研究，不能滿足目前用戶終端設備對RTCM2X和RTCM3X兩種服務模式的需求。因此，本文重點研究格網虛擬化偽距差分RTCM3X的實現技術，以及同時具備RTCM2X和RTCM3X兩種服務的BDS/GPS差分數據服務系統的實現技術，并通過測試驗證本文提供的方法，保障基準站坐標信息安全的有效性和服務海量用戶的能力，以期為北斗的大眾化、社會化應用提供一些技術參考。

1 格網虛擬化差分定位原理

格網虛擬化差分定位基于多基站差分定位原理，將基準站覆蓋區域按照一定經緯度規則劃分格網，利用格網內的多基準站，計算格網中心點差分數據，并將格網中心點的差分數據發送至該格網區域內的用戶,用戶利用此數據進行增強定位，獲得實時亞米級高精度定位。根據定位終端接收的數據類型和定位算法的不同，格網虛擬化差分定位分為2種：①RTCM2.3編碼格式的格網虛擬化偽距改正數差分方法；②RTCM3.2編碼格式的格網虛擬化偽距差分。

1.1 格網虛擬化偽距改正數差分定位原理

格網虛擬化偽距改正數差分方法的原理：利用格網內的多個基準站的偽距改正數，通過合適的內插模型[10-13]，計算格網中心點的偽距改正數及其變化率。將格網中心點的偽距改正數及其變化率進行RTCM2.3格式編碼，發送至用戶，用戶利用此數據進行差分定位。

格網虛擬化偽距改正數差分服務端數據處理原理如式(1)所示，以某個基準站的某顆衛星為例

ΔR=P-εREC+εS,c-εtrop-εearth-εR,c-R

(1)

式中,ΔR表示某顆衛星的偽距改正數；P表示基準站觀測的衛星偽距；εREC表示相對論效應；εS,c表示衛星鐘誤差；εtrop表示對流層誤差；εearth表示地球自轉誤差；εR,c表示接收機鐘誤差；R表示利用基準站準確坐標和衛星位置，計算的幾何偽距。

基于式(1)計算基準站偽距改正數，并通過內插模型計算格網中心點的偽距改正數及其變化率，發送至用戶。

1.2 格網虛擬化偽距差分定位原理

格網虛擬偽距差分方法的原理為通過計算發送歷元時刻的格網中心點與衛星之間的幾何距離，并對幾何距離進行相對論效應、衛星鐘差改正數、地球自轉誤差、對流層誤差修正。修正后的偽距作為格網中心點的虛擬偽距觀測值；并對此格網中心點的虛擬觀測值進行RTCM3.2編碼后發送至用戶，用戶利用此數據進行差分定位。

格網虛擬化偽距差分服務端數據處理原理如式(2)所示，以格網中心點的某顆衛星為例

P=R+εREC-εS,c+εtrop+εearth

(2)

式中，P表示格網中心點觀測的衛星偽距(觀測值)；εREC表示相對論效應；εS,c表示衛星鐘誤差；εtrop表示對流層誤差；εearth表示地球自轉誤差；R表示利用格網中心點準確坐標和衛星位置，計算的幾何偽距。對式(2)中的P值進行RTCM3.2編碼后發送至用戶，用戶進行差分定位。

2 格網虛擬化差分服務系統實現

格網虛擬化差分服務系統包括基準站數據管理與預處理模塊、RTCM2.3偽距改正數差分服務模塊、RTCM3.2偽距差分服務模塊、差分數據源對外服務模塊。系統架構如圖1所示。

圖1 面向海量用戶的格網虛擬化差分服務系統

其中，基準站數據管理與預處理模塊部署于數據中心服務器，實現基準站實時數據流的管理、解析與預處理，并且對服務區域按照一定規則劃分格網。RTCM2.3偽距改正數差分服務模塊、RTCM3.2偽距差分服務模塊負責差分數據的生成，并將差分數據播發到對應的差分數據源服務器。差分數據源通過統一對外服務器，實現為大眾提供實時亞米級定位服務。

本文系統的差分數據處理流程如圖2所示。系統格網虛擬化差分數據處理流程主要包含以下步驟：①對基準站實時數據流進行解析、預處理，并對服務區域進行格網劃分；②分別計算并編碼RTCM2.3偽距改正數差分數據、RTCM3.2偽距差分數據；③為每個格網的差分數據分配獨立數據通信通道，并將RTCM2.3偽距改正數差分數據、RTCM3.2偽距差分數據分別推送至對應服務器；④將差分數據源播發至統一對外服務模塊，用戶通過訪問統一對外服務模塊獲取所需差分數據并實現亞米級定位。

圖2 格網虛擬化差分服務的數據處理流程

3 試驗與驗證

3.1 格網虛擬化差分模式保障基準站坐標信息安全的有效性測試

采用RTKLIB軟件的數據解析工具，接收系統生成的RTCM2.3偽距改正數差分數據、RTCM3.2偽距差分數據，并進行解析。格網虛擬化差分模式的RTCM2.3數據解析結果如圖3所示，RTCM3.2數據解析結果如圖4所示。

圖3 格網偽距改正數差分數據編碼

如圖3所示，格網虛擬化偽距改正數差分數據采用RTCM2.3編碼規則，發送的數據為格網中心點各衛星的偽距改正數，不涉及基準站坐標及基準站改正信息。

圖4 格網偽距差分數據RTCM3.2編碼

如圖4所示，格網虛擬化偽距差分使用RTCM3.2編碼[14-15]，RTCM3.2編碼格式的數據是格網中心點的坐標信息(測試的格網中心點緯度為31.5°N，經度為103.5°E，大地高為0 m)。格網中心點坐標不涉及基準站的坐標信息，可有效保障基準站坐標等信息的安全。

綜上，格網虛擬化差分方法播發至用戶的數據是格網中心點的差分數據，而非基準站的坐標及其相關改正數據。因此，格網虛擬化差分的模式可有效保障基準站數據的安全。

3.2 格網虛擬化差分模式用戶承載量測試

使用HP Loadrunner軟件模擬用戶登錄，測試系統的并發用戶承載量。本次測試環境如下：①硬件環境為64 GB內存，64位操作系統的單臺服務器，服務器含有2顆E5-2630型CPU；②網絡環境為20 M網絡帶寬。

本次使用HP Loadrunner軟件分別測試格網虛擬化差分模式并發用戶量和傳統RTD模式并發用戶量，測試結果分別如圖5和圖6所示。

圖5 格網虛擬化差分模式并發用戶量測試

在此測試硬件環境下，如圖5所示，格網虛擬化差分定位服務模式可承載的用戶并發數量達到5000個。如圖6所示，傳統RTD模式的并發用戶量約4000個。因此，在相同硬件環境下，格網虛擬化差分定位服務模式較傳統網絡RTD服務模式的用戶并發數量提高約25%。

圖6 傳統RTD模式并發用戶量測試

綜上所述，格網虛擬化差分服務系統的格網差分數據服務器與用戶服務完全分離，有效降低了差分數據服務器端的計算冗余性，提升了通信效率，提高了系統的用戶承載量。

4 結 語

經驗證，本文提出的格網虛擬化RTCM3.2偽距差分實現技術切實可行，且同時具備RTCM2X和RTCM3X兩種服務的BDS/GPS差分數據，服務系統的實現技術有效。格網虛擬化差分技術可保障基準站坐標信息安全，且能夠提高系統并發用戶的承載量，可廣泛應用于國家及各省市CORS網絡RTD服務中。隨著網絡通信技術的發展，以及GNSS數據產品的不斷豐富和完善(包括網絡RTK服務數據、網絡RTD服務數據、原始數據、精密產品數據等)，多類型數據產品基于同一平臺提供共享服務將是以后的研究方向。