分布式CORS資源協同服務技術實現

譚明建 ，張 熙 ，石 鑫

（1. 四川省測繪產品質量監督檢驗站，成都 610100；2. 四川省第一測繪工程院，成都 610100；3. 四川省導航與位置服務工程技術研究中心，成都 610100）

0 引言

20世紀90年代中期以來，連續運行基準站網（continuously operating reference stations， CORS）從美國和歐洲開始發展并向全球推廣，我國也相繼建立了不同層次的衛星導航定位基準站網[1-2]。隨著“移動互聯網”“物聯網”的快速發展，與位置服務相關的智能交通、智慧物流、智慧旅游、精準農業等行業和領域發展迅速，各類用戶對地理空間數據的需求愈加強烈[3]，特別是隨著國家“一帶一路”“長江經濟帶”“軍民融合”等重大戰略的實施，經濟活動、人文交流在省（市）間的交流愈加頻繁，不再局限于某一固定地區，相應對位置服務的要求也逐步提高，要求提供跨省（市）的、不同精度級別的位置服務，滿足行業、大眾等不同用戶的應用需求。目前，各省（市）連續運行基準站網均處于獨立提供服務的局面[4]，少數省（市）間開展了數據共享合作，但由于服務共享的技術障礙[5]，未開展跨網服務合作。在此背景下，基于連續運行基準站網的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system， BDS)導航與位置服務迫切需要從各省（市）分散服務模式向區域、全國服務共享的模式轉變，未來的 CORS呈現互聯共享的趨勢[6-7]。

本文基于省（市）現有連續運行基準站網軟硬件資源，圍繞BDS高精度導航與位置服務跨區域應用需求，研究高精度定位數據跨網服務關鍵技術環節，建立全球衛星導航系統(global navigation satellite system， GNSS)連續運行基準站跨網服務平臺，以期實現數據共享、結構優化、標準統一的分布式CORS資源協同服務。

1 現有 CORS系統介紹及跨區域高精度定位服務面臨的問題

現有 CORS服務系統主要由基準站網、數據通信鏈路及數據中心組成（如圖1所示），用戶通過互聯網直接向數據中心請求服務，數據中心收到用戶的服務請求后向用戶發送定位數據。目前各省（市）的 CORS系統均獨立提供服務，即用戶只能在其開戶省（市）范圍內請求高精度定位服務，當用戶業務活動至另一省（市）時，只能在當地注冊CORS賬號才能獲得當地的CORS服務。

圖1 CORS系統組成

各省（市）獨立提供 CORS服務的現狀不能滿足相關行業的發展需求。目前全國大部分省份均已建成 CORS服務系統，將這些基準站或部分省（市）基準站（如長江經濟帶地區）聯合成一張網統一對外提供服務，可實現全國或部分地區的跨省（市）高精度定位服務能力，但在實施過程中會面臨如下幾個問題：

1）服務模式變化大、改造成本高。需要每個省（市）增設與綜合數據處理中心的數據專線，將各省（市）基準站實時觀測數據統一傳送至綜合數據處理中心進行處理并統一對外提供服務，這樣完全改變了現有的服務模式，改造成本相對較大。

2）數據處理壓力大。各省（市）或部分省（市）的基準站數據均交由某一綜合數據處理中心處理時，會造成較大的數據處理壓力，現有的處理軟件尚不具備此項能力，或需要額外購買軟件廠商的擴展服務。

3）服務壓力大。若全國或某幾個省（市）統一對外提供服務，會面臨大量用戶同時接入的問題，服務壓力較大，需要增加硬件及軟件的投入。

4）用戶管理難度大。現有的賬號開戶及用戶管理施行屬地管理制度，統一服務后會面臨諸多問題。

2 分布式CORS資源協同服務技術

各省（市）現有CORS服務資源在軟硬件環境上均已非常完備，如何充分地利用這些資源并以最小的改造程度實現跨省（市）的高精度定位服務，是跨區域高精度定位服務具體實現必須要考慮的問題。一種解決方案是研發一套跨網位置服務平臺，將其部署在各省（市）數據中心，負責省（市）間的差分數據協調及對外服務，當用戶活動至鄰省（市）時，先由跨網位置服務平臺向鄰省（市）請求用戶所需的差分數據，再將請求到的差分數據發送給用戶，從而實現本省（市）用戶在鄰省（市）的高精度定位。省（市）數據中心之間的交互將獨立的CORS網絡聯通，形成分布式CORS資源的協同服務，實現了跨區域高精度定位服務的提供。該方案只需在各省（市）現有數據中心部署跨網位置服務平臺，無需做其他改造，用戶請求服務時與現有CORS服務操作一致，實施起來非常方便。

2.1 總體架構

如圖 2所示，通過跨網服務平臺實現省（市）間差分定位數據的協調，用戶連接跨網服務平臺請求位置服務，跨網服務平臺根據用戶的位置自動協調當地的差分定位數據，以此實現跨網高精度位置服務。加入協同服務的省（市）需要相互共享接邊區域的基準站數據，共享基準站的選取應考慮大氣分布情況，因為電離層、對流層的空間相關性與服務質量密切相關[8-10]，共享基準站選取完畢后還需對網形結構進行定量評價[11]，同時進行坐標基準的統一[12]。

2.2 GNSS連續運行基準站跨網服務平臺設計

按照圖2的架構開發了“GNSS連續運行基準站跨網服務平臺”（如圖3所示）用于分布式CORS資源協同服務。平臺由差分數據管理及服務系統、GNSS連續運行基準站跨網服務管理系統及數據庫3部分組成。其中：GNSS連續運行基準站網跨網服務管理系統為運維人員提供可視化管理界面，將必要信息寫入數據庫；差分數據管理及服務系統為無界面程序，主要功能包括用戶登錄驗證，差分數據協調、管理、切換等跨區域位置服務數據協調相關內容；數據庫主要存儲 GNSS連續運行基準站網跨網服務管理系統配置的各類參數及用戶信息等。

圖3 GNSS連續運行基準站跨網服務平臺組成及差分數據協調過程

省（市）跨網服務平臺之間的差分數據交互參照 Ntrip協議，協調過程如圖 3(b)所示，差分數據源包括本省（市）現有服務軟件（如天寶、華測等廠商提供的服務軟件）及鄰省（市）跨網服務平臺。用戶只向其注冊地服務平臺請求差分數據，平臺建立差分數據資源池統一管理請求到的差分數據，每個差分數據可覆蓋一定范圍，范圍內用戶均可利用該差分數據進行高精度定位，若用戶出現跨網活動，平臺以client身份自動到相應省（市）

服務平臺協調用戶所需差分數據。以圖 3(b)中的 B省為例，其用戶在A省請求差分定位服務，B省服務平臺檢測到用戶所處位置在A省后，首先向A省服務平臺協調差分數據，得到從 A省服務平臺發送的差分數據后再轉發給用戶，用戶就實現了在A省的跨網高精度定位。

3 系統功能實現

GNSS連續運行基準站跨網服務平臺（如圖4所示）由差分數據管理及服務系統、管理界面（GNSS連續運行基準站跨網服務管理系統）及數據庫組成，差分數據管理及服務系統主要負責差分數據在省（市）間的協調及管理，并對外提供服務界面，管理界面負責整個平臺相關參數設置及服務配置等，包含參數配置、差分數據源管理、用戶管理、服務監控、服務統計5大功能模塊。

圖4 GNSS連續運行基準站跨網服務管理系統

管理界面中的差分數據源管理模塊是整個系統的核心模塊，運維管理人員可根據需要配置、管理不同精度的服務，如實時動態差分法(real-time kinematic，RTK)、實時偽距差分（real time differential， RTD）服務，并根據服務精度配置差分數據有效距離，該距離設置好后，差分數據管理及服務系統會在差分數據資源池中以此距離在用戶周圍搜索差分數據。

用戶接入平臺獲取服務后，系統可對其進行實時監控，管理人員可方便地查看所有在線用戶的分布情況，清楚的了解本省（市）用戶使用外省（市）差分數據情況以及外省（市）用戶使用本省（市）差分數據情況。

服務統計模塊可展示平臺服務的整體使用情況，以 IP：PORT（各省 CORS服務界面）為單位進行服務統計，通過指定查詢年、月等信息，系統自動查詢數據庫數據并生成相應報表及統計圖。

4 實驗與結果分析

為檢驗分布式CORS資源協同服務的定位性能，本文基于GNSS連續運行基準站跨網服務平臺進行了相關測試，測試內容主要包括跨網與不跨網用戶的固定時間、定位精度、差分齡期等指標的對比。服務部署情況如下：將現有四川省CORS服務作為現有服務（服務A），新增2臺服務器分別部署GNSS連續運行基準站跨網服務平臺，其中一臺作為省內平臺服務（服務B，模擬本省GNSS連續運行基準站跨網平臺服務），一臺作為省外平臺服務（服務C，模擬外省GNSS連續運行基準站跨網平臺服務），以此實現分布式CORS資源協同服務的測試環境搭建。以服務A為參考，分析服務 B、服務 C的定位性能。為評定定位精度，選取某坐標已知的控制點進行測試，測試設備為中海達i-RTK2。

分3種方案進行測試（如表 1所示）：方案1，接入服務 A；方案2，接入服務 B，測試 GNSS連續運行基準站跨網服務平臺的省內服務；方案 3，接入服務C，測試GNSS連續運行基準站跨網服務平臺的跨網服務。

表1 測試方案

每種方案均記錄設備初始化時間（30次，取平均值），同時記錄設備 10 min內差分齡期的變化情況，利用設備初始化完成后10 min定位結果進行精度分析，采樣間隔為1 s。測試現場如圖5所示。

圖5 測試現場

3種測試方案的定位精度分布情況見圖6、圖7、圖 8。

圖6 方案1定位精度分布情況

圖7 方案2定位精度分布情況

圖8 方案3定位精度分布情況

3種測試方案的平均初始化時間、平均差分齡期以及精度統計情況見表2。

表2 測試結果統計

從圖6及表2中可以看出：3種方案的精度相差不大，平面精度互差在1 cm內，高程精度互差在2 cm內；在平均初始化時間上，方案1初始化時間最短，為12，方案2為15，方案3為17 s，可以發現，現有CORS服務在初始化時間上具有一定優勢，這是因為現有CORS服務是直接面向用戶發送差分數據，而跨網服務平臺需要向現有CORS服務協調差分數據再將數據轉發給用戶，這個過程會存在一定的網絡時延，且跨網用戶的差分數據會經過 2次中轉，所以時延會稍大一點；在平均差分齡期上，方案1最短，為2，方案2、方案3均為3 s，與初始化時間類似，跨網服務平臺存在一定網絡時間消耗，所以差分齡期要大一點。

綜上所述，GNSS連續運行基準站跨網服務平臺可提供跨省（市）的高精度定位服務，在定位精度上與現有CORS服務相當，在初始化與差分齡期方面較現有CORS服務要稍長一點（初始化時間多5 s左右，差分齡期多為1～2 s），但不影響用戶的定位精度。

5 結束語

本文基于現有 CORS服務資源，提出了一種分布式 CORS資源協同服務的解決方案，該方案在對現有 CORS服務改造程度最小的情況下實現了跨省（市）的高精度位置服務，定位精度與現有CORS服務相當。基于該方案研發了 GNSS連續運行基準站跨網服務平臺，平臺將現有各省（市）CORS服務作為差分數據源，通過接入多個省（市）的差分數據源將分布于各地的現有 CORS資源整合，實現分布式CORS資源的協同服務。本文的研究走通了省（市）CORS網服務共享的整個技術流程，并完成了相關軟件系統的研發，對相鄰省（市）間的CORS資源協同服務具有一定參考價值。