基于CORS的分米級GNSS差分定位云服務研究

郝建明，楚 彬，敖敏思，谷守周

(1. 湖南省測繪科技研究所，湖南 長沙 410004； 2. 中國測繪科學研究院湖南分院，湖南 長沙 410004； 3. 中國測繪科學研究院，北京 100830)

隨著無線傳輸技術、移動互聯網技術、空間信息與移動通信技術的不斷發展，衛星導航應用進入了由測繪專業領域向大眾應用領域的快速發展時期。同時，由于移動終端性能的日趨完善，移動終端也慢慢開放原始觀測數據，人們對位置服務的需求呈現出高精度、多終端、多領域的特點[1]。近年來我國在高精度GNSS差分定位服務領域進行了大量研究探索，主要表現在：①在定位方法上，傳統分米級差分定位服務主要是通過建立區域衛星連續運行參考站(CORS)，實時不間斷獲取各基準站的偽距觀測值，利用基準站已知坐標解算該站上GNSS衛星相應的偽距改正數，以此修正流動站的偽距觀測值。這種方法充分利用了流動站與基準站間的位置關系，較好地消除了大氣誤差影響，定位算法簡單、效率高，但須將基準站坐標播發給用戶進行內插改正數，存在國家基準站坐標的安全隱患[2]。②在CORS服務模式上，目前各個省級CORS網服務系統大多采用由數據中心直接面向終端客戶提供服務的方式，即數據處理中心對基準站實時觀測數據進行解算生成用于高精度定位的改正數產品，并響應用戶數據及其他相關業務請求的功能，服務產品形式以觀測數據為主，如播發改正數、提供原始觀測數據等，服務主要面向測繪專業用戶[3]。這種服務模式在終端用戶向服務器請求服務時，服務器同時面臨改正數計算和業務請求處理的雙重壓力，不適應高并發請求的應用場景。同時，用戶往往需要對數據進行處理加工，需要一定的測繪數據處理基礎，不利于向非測繪行業推廣。因此，本文針對傳統分米級定位服務中安全性低、高并發訪問差和專業門檻高的問題，提出并設計一種基于CORS的分米級差分定位云服務模式。在傳統差分定位方法的基礎上，采用虛擬格網用戶生成改正數的形式，并通過解算服務器與業務服務器分離的云服務模式，解決用戶高并發服務請求及數據安全性的問題；同時，以應用程序接口(API)和軟件開發工具包(SDK)的方式提供面向開發者的分米級位置服務接口，滿足大量級、多領域、低門檻的高精度位置服務需求。

1 服務架構設計

1.1 服務整體架構

本文結合省級衛星導航位置服務公共平臺建設需求，構建了基于CORS的分米級GNSS差分定位云服務架構，如圖1所示。通過將CORS連續運行基準站實時觀測數據推送至解算服務器，解算服務器結合偽距觀測值和基站的真實坐標，根據反距離權重插值法內插出每個虛擬格網偽距差分改正數，并將格網差分改正數推送至業務服務器。用戶端無需與解算服務器進行交互，解算服務器不受用戶并發數限制，能夠實現高并發訪問情況下的快速擴容，滿足超大量級終端位置服務需求。將涉密環境的解算服務器與不涉密環境的業務服務器進行隔離，符合安全保密規定，能夠有效確保數據安全。同時，業務服務器將解算服務器生成的分米級改正數產品以API和SDK的形式提供位置改正服務與數據處理服務，降低了專業技術門檻。

1.2 服務請求響應

平臺數據請求服務主要包括用戶、應用系統、定位終端、業務服務器、解算服務器5個部分。定位終端發起數據請求，服務端作身份驗證并響應終端請求，匹配相應改正數產品結合實時觀測數據進行解算，并將解算后的高精度位置返回給應用系統，應用系統面向用戶提供分米級位置服務。通過建立定位終端與云端業務服務器之間的數據連接，由業務服務器將改正數產品推送至定位終端，定位終端結合原始觀測數據完成差分解算，并調用SDK返回至用戶系統。具體數據服務請求流程如圖2所示。

2 定位理論與方法

2.1 反距離權重插值法

反距離權重插值法方法的原理為：將流動站附近的CORS站改正數通過加權平均值的方法內插出流動站的偽距改正數，計算流動站與基準站之間距離的倒數，利用各站所求的倒數對各基準站進行定權[2]。

反距離權重插值法是從流動站與CORS站距離的倒數確定權值，在一定意義上考慮了CORS站位置對差分改正數的影響。且該方法模型簡單，不受CORS站數量限制，當局域范圍內CORS站數量有限時，使用該方法較為適合。

2.2 GNSS網格偽距差分定位

GNSS網格偽距差分定位是在GNSS網絡偽距差分定位方法的基礎上，考慮基準站坐標的安全性、基準站信息合理利用性，以及用戶差分數據量的負擔而進行的改進，與原始偽距差分定位方法相比具有用戶差分數據量小、安全性高和信息合理等優點[4]。該方法主要是在省域范圍內，將湖南省區域按照一定的原則劃分為若干規則格網，并應用反距離權重內插數學模型計算各網格中心所在點的偽距差分改正信息；若干網格差分信息通過網絡鏈路對外播發，用戶則只需要在使用該差分信息前確定自己所處的網格，按照指定端口接收本網格差分信息，對自身觀測的定位結果進行必要的修正處理，即可實時獲取所在位置的精確坐標。網格中心點偽距改正數生成模型如圖3所示。

2.3 終端差分定位方法

使用兩臺接收機進行同步觀測時，站間差分能夠有效消除衛星軌道誤差及衛星鐘差，同時還能大幅度削弱電離層延遲和對流層延遲誤差，從而提高定位精度。通常情況下，基準站坐標已知，流動站可以接收基準站播發的改正信息完成差分定位。差分定位數學模型為

Ax=L+ΔL+ε

式中，A為系數陣；x為坐標參數和接收機鐘差構成的未知參數陣;L為原始偽距觀測值構成的常數陣；ΔL為參考站播發的偽距改正信息構成的改正數常數陣;ε為觀測噪聲。由最小二乘可得

3 測試分析

本次試驗區域為湖南省境內，利用湖南省122個GNSS基準站生成網格中心點改正數，劃分為49個網格，網格起始緯度為24°00′N，起始經度為108°00′E。針對本文研究的基于CORS的分米級GNSS差分定位云服務模式，依托湖南省位置服務云平臺(HNCORS)，從丟包率、外符合精度、高并發訪問3個方面進行測試。丟包率和外符合精度測試主要采取靜態測試和動態測試兩種方式，驗證終端手持機GNSS偽距差分模塊的定位精度和穩定性。靜態測試地點為湖南省測繪科技研究所樓頂固定觀測墩，采用華辰北斗CC20手持機一部，手機用來發射4G熱點。動態測試路段為長沙市周邊公路，采用零基線方式，將1臺接收機天線通過吸頂安放到汽車的頂部，天線通過功分器分流，連接1臺Trimble R9接收機和1臺華辰CC20手持機。高并發訪問測試主要是通過設置不同并發用戶數，測試事務執行情況、平均響應時間、資源占用情況。

3.1 丟包率測試

丟包率測試是指測試所丟失數據包數量占所發送數據組的比例。靜態測試中丟包率測試是將CC20手持機保存的原始觀測數據解算歷元數與差分結果歷元數進行對比得出；動態測試丟包率利用天寶R9采集動態觀測數據，利用手持機實時差分定位結果，將實時成功定位歷元數與從車輛開始到結束所經歷的歷元數進行比較，計算網格坐標差分方法的丟包率，反映了一段時間段內流動站差分定位的成功率。測試選取4個靜態觀測點和一次動態觀測結果，對其丟包率結果進行統計，結果見表1。

表1 丟包率統計結果

根據表1中丟包率統計結果，靜態測試網格偽距差分定位解算率最高為98%，靜態測試丟包率在7.89%左右，解算率達到90%以上，解算結果較好。測試結果中產生丟包率的主要因素是測試區域內高架橋數量多、房屋遮擋、無線網連接不穩定、流動站接收衛星信號失鎖和街道路段的行道樹遮擋等。

3.2 外符合精度測試

單位權中誤差表達式為

式中，Δi為某差分方法某一方向單位歷元差分定位結果與已知準確值之差；n為觀測歷元數。此項指標稱為外符合測試，反映差分定位的精度。靜態測試中將RTK解作為準確值；動態測試中使用TBC軟件結算出準確坐標值。將每個歷元求得的經緯度、高程(B/L/H)或協議坐標系坐標(X，Y，Z)與真實坐標作差求各方向偏差，最后求得外符合精度。

本文進行了大量的靜態測試和動態測試，這里僅展示4個靜態觀測點和1次動態觀測結果，其余測試精度均與這幾個點的測試精度相當。對N、E、U方向上的外符合精度結果進行統計分析，結果見表2。圖4、圖5分別為其中靜態測試3和動態測試中外符合精度情況。

表2 網格偽距差分N、E和U方向偏差單位權中誤差統計 m

由表2中的測試結果可以看出，手持機GNSS網格偽距差分定位結果水平方向(N、E方向)單位權中誤差(RMS)在0.6左右，定位精度達到分米級，垂直方向(U方向)定位精度優于1 m，達到亞米級，且定位結果具有較好的收斂性和穩定性。

3.3 高并發訪問測試

高并發訪問測試工具使用LoadRunner+Agent，測試服務器操作系統為Windows Server 2008，內存(MEM)為16 GB，通過設置100～10 000區間內的并發訪問用戶數，對其事務執行情況、平均響應時間、資源占用情況進行統計，見表3。

表3 用戶并發訪問測試統計

根據表3中用戶并發訪問測試統計結果，當并發用戶量在1000以內時，各頁面訪問操作正常；隨著并發用戶數的不斷增長，平均響應時間趨于穩定，而資源占用情況呈現出線性增加的趨勢，服務器壓力不斷變大。因此，本文將云服務器作為業務服務器，可以有效緩解本地解算服務器的業務請求壓力，實現大量級用戶訪問的快速擴容。

4 結 語

本文在傳統GNSS網絡偽距差分定位方法研究的基礎上，通過研究虛擬格網用戶生成改正數的形式，研發了省級GNSS網格偽距差分定位模塊，提出并設計了一種基于CORS的分米級差分定位云服務模式。通過解算服務器與業務服務器分離的云服務模式，解決了傳統CORS服務中基準站數據安全風險大、用戶并發訪問數量受限、高精度位置服務專業門檻高等問題。以湖南省位置服務平臺(HNCORS)建設為例，采取靜態測試和動態測試兩種方式，以丟包率、外符合精度、高并發訪問測試為指標，對研發的基于虛擬格網偽距差分定位模塊進行測試。結果表明，網格偽距差分定位解算率在90%以上，定位精度達到分米級，有效緩解了本地解算服務器的業務請求壓力，實現了大量級用戶訪問的快速擴容，在車道級車輛監控、艦標監控和行業數據調繪等高精度位置服務應用中具有廣泛的應用前景，也可為其他省級CORS網高精度位置服務云平臺建設提供參考。