分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

譚明建 ，張 熙 ，石 鑫

（1. 四川省測(cè)繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站，成都 610100；2. 四川省第一測(cè)繪工程院，成都 610100；3. 四川省導(dǎo)航與位置服務(wù)工程技術(shù)研究中心，成都 610100）

0 引言

20世紀(jì)90年代中期以來，連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)（continuously operating reference stations， CORS）從美國(guó)和歐洲開始發(fā)展并向全球推廣，我國(guó)也相繼建立了不同層次的衛(wèi)星導(dǎo)航定位基準(zhǔn)站網(wǎng)[1-2]。隨著“移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”“物聯(lián)網(wǎng)”的快速發(fā)展，與位置服務(wù)相關(guān)的智能交通、智慧物流、智慧旅游、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等行業(yè)和領(lǐng)域發(fā)展迅速，各類用戶對(duì)地理空間數(shù)據(jù)的需求愈加強(qiáng)烈[3]，特別是隨著國(guó)家“一帶一路”“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶”“軍民融合”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、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(qū)，相應(yīng)對(duì)位置服務(wù)的要求也逐步提高，要求提供跨?。ㄊ校┑?、不同精度級(jí)別的位置服務(wù)，滿足行業(yè)、大眾等不同用戶的應(yīng)用需求。目前，各?。ㄊ校┻B續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)均處于獨(dú)立提供服務(wù)的局面[4]，少數(shù)省（市）間開展了數(shù)據(jù)共享合作，但由于服務(wù)共享的技術(shù)障礙[5]，未開展跨網(wǎng)服務(wù)合作。在此背景下，基于連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system， BDS)導(dǎo)航與位置服務(wù)迫切需要從各?。ㄊ校┓稚⒎?wù)模式向區(qū)域、全國(guó)服務(wù)共享的模式轉(zhuǎn)變，未來的 CORS呈現(xiàn)互聯(lián)共享的趨勢(shì)[6-7]。

本文基于?。ㄊ校┈F(xiàn)有連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)軟硬件資源，圍繞BDS高精度導(dǎo)航與位置服務(wù)跨區(qū)域應(yīng)用需求，研究高精度定位數(shù)據(jù)跨網(wǎng)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，以期實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)。

1 現(xiàn)有 CORS系統(tǒng)介紹及跨區(qū)域高精度定位服務(wù)面臨的問題

現(xiàn)有 CORS服務(wù)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信鏈路及數(shù)據(jù)中心組成（如圖1所示），用戶通過互聯(lián)網(wǎng)直接向數(shù)據(jù)中心請(qǐng)求服務(wù)，數(shù)據(jù)中心收到用戶的服務(wù)請(qǐng)求后向用戶發(fā)送定位數(shù)據(jù)。目前各?。ㄊ校┑?CORS系統(tǒng)均獨(dú)立提供服務(wù)，即用戶只能在其開戶省（市）范圍內(nèi)請(qǐng)求高精度定位服務(wù)，當(dāng)用戶業(yè)務(wù)活動(dòng)至另一省（市）時(shí)，只能在當(dāng)?shù)刈?cè)CORS賬號(hào)才能獲得當(dāng)?shù)氐腃ORS服務(wù)。

圖1 CORS系統(tǒng)組成

各?。ㄊ校┆?dú)立提供 CORS服務(wù)的現(xiàn)狀不能滿足相關(guān)行業(yè)的發(fā)展需求。目前全國(guó)大部分省份均已建成 CORS服務(wù)系統(tǒng)，將這些基準(zhǔn)站或部分省（市）基準(zhǔn)站（如長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶地區(qū)）聯(lián)合成一張網(wǎng)統(tǒng)一對(duì)外提供服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)全國(guó)或部分地區(qū)的跨?。ㄊ校└呔榷ㄎ环?wù)能力，但在實(shí)施過程中會(huì)面臨如下幾個(gè)問題：

1）服務(wù)模式變化大、改造成本高。需要每個(gè)?。ㄊ校┰鲈O(shè)與綜合數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)專線，將各省（市）基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳送至綜合數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行處理并統(tǒng)一對(duì)外提供服務(wù)，這樣完全改變了現(xiàn)有的服務(wù)模式，改造成本相對(duì)較大。

2）數(shù)據(jù)處理壓力大。各?。ㄊ校┗虿糠质。ㄊ校┑幕鶞?zhǔn)站數(shù)據(jù)均交由某一綜合數(shù)據(jù)處理中心處理時(shí)，會(huì)造成較大的數(shù)據(jù)處理壓力，現(xiàn)有的處理軟件尚不具備此項(xiàng)能力，或需要額外購買軟件廠商的擴(kuò)展服務(wù)。

3）服務(wù)壓力大。若全國(guó)或某幾個(gè)省（市）統(tǒng)一對(duì)外提供服務(wù)，會(huì)面臨大量用戶同時(shí)接入的問題，服務(wù)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(xiàn)有的賬號(hào)開戶及用戶管理施行屬地管理制度，統(tǒng)一服務(wù)后會(huì)面臨諸多問題。

2 分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)技術(shù)

各省（市）現(xiàn)有CORS服務(wù)資源在軟硬件環(huán)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(shí)現(xiàn)跨?。ㄊ校┑母呔榷ㄎ环?wù)，是跨區(qū)域高精度定位服務(wù)具體實(shí)現(xiàn)必須要考慮的問題。一種解決方案是研發(fā)一套跨網(wǎng)位置服務(wù)平臺(tái)，將其部署在各?。ㄊ校?shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)?。ㄊ校╅g的差分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)調(diào)及對(duì)外服務(wù)，當(dāng)用戶活動(dòng)至鄰?。ㄊ校r(shí)，先由跨網(wǎng)位置服務(wù)平臺(tái)向鄰省（市）請(qǐng)求用戶所需的差分?jǐn)?shù)據(jù)，再將請(qǐng)求到的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給用戶，從而實(shí)現(xiàn)本?。ㄊ校┯脩粼卩徥。ㄊ校┑母呔榷ㄎ?。?。ㄊ校?shù)據(jù)中心之間的交互將獨(dú)立的CORS網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，形成分布式CORS資源的協(xié)同服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域高精度定位服務(wù)的提供。該方案只需在各?。ㄊ校┈F(xiàn)有數(shù)據(jù)中心部署跨網(wǎng)位置服務(wù)平臺(tái)，無需做其他改造，用戶請(qǐng)求服務(wù)時(shí)與現(xiàn)有CORS服務(wù)操作一致，實(shí)施起來非常方便。

2.1 總體架構(gòu)

如圖 2所示，通過跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)?。ㄊ校╅g差分定位數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)，用戶連接跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)請(qǐng)求位置服務(wù)，跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)根據(jù)用戶的位置自動(dòng)協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)氐牟罘侄ㄎ粩?shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)高精度位置服務(wù)。加入?yún)f(xié)同服務(wù)的省（市）需要相互共享接邊區(qū)域的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)，共享基準(zhǔn)站的選取應(yīng)考慮大氣分布情況，因?yàn)殡婋x層、對(duì)流層的空間相關(guān)性與服務(wù)質(zhì)量密切相關(guān)[8-10]，共享基準(zhǔn)站選取完畢后還需對(duì)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[11]，同時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)基準(zhǔn)的統(tǒng)一[12]。

2.2 GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

按照?qǐng)D2的架構(gòu)開發(fā)了“GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)”（如圖3所示）用于分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)。平臺(tái)由差分?jǐn)?shù)據(jù)管理及服務(wù)系統(tǒng)、GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)管理系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫3部分組成。其中：GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)跨網(wǎng)服務(wù)管理系統(tǒng)為運(yùn)維人員提供可視化管理界面，將必要信息寫入數(shù)據(jù)庫；差分?jǐn)?shù)據(jù)管理及服務(wù)系統(tǒng)為無界面程序，主要功能包括用戶登錄驗(yàn)證，差分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)調(diào)、管理、切換等跨區(qū)域位置服務(wù)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)相關(guān)內(nèi)容；數(shù)據(jù)庫主要存儲(chǔ) GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)跨網(wǎng)服務(wù)管理系統(tǒng)配置的各類參數(shù)及用戶信息等。

圖3 GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)組成及差分?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)調(diào)過程

?。ㄊ校┛缇W(wǎng)服務(wù)平臺(tái)之間的差分?jǐn)?shù)據(jù)交互參照 Ntrip協(xié)議，協(xié)調(diào)過程如圖 3(b)所示，差分?jǐn)?shù)據(jù)源包括本省（市）現(xiàn)有服務(wù)軟件（如天寶、華測(cè)等廠商提供的服務(wù)軟件）及鄰?。ㄊ校┛缇W(wǎng)服務(wù)平臺(tái)。用戶只向其注冊(cè)地服務(wù)平臺(tái)請(qǐng)求差分?jǐn)?shù)據(jù)，平臺(tái)建立差分?jǐn)?shù)據(jù)資源池統(tǒng)一管理請(qǐng)求到的差分?jǐn)?shù)據(jù)，每個(gè)差分?jǐn)?shù)據(jù)可覆蓋一定范圍，范圍內(nèi)用戶均可利用該差分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行高精度定位，若用戶出現(xiàn)跨網(wǎng)活動(dòng)，平臺(tái)以client身份自動(dòng)到相應(yīng)省（市）

服務(wù)平臺(tái)協(xié)調(diào)用戶所需差分?jǐn)?shù)據(jù)。以圖 3(b)中的 B省為例，其用戶在A省請(qǐng)求差分定位服務(wù)，B省服務(wù)平臺(tái)檢測(cè)到用戶所處位置在A省后，首先向A省服務(wù)平臺(tái)協(xié)調(diào)差分?jǐn)?shù)據(jù)，得到從 A省服務(wù)平臺(tái)發(fā)送的差分?jǐn)?shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，用戶就實(shí)現(xiàn)了在A省的跨網(wǎng)高精度定位。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)（如圖4所示）由差分?jǐn)?shù)據(jù)管理及服務(wù)系統(tǒng)、管理界面（GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)管理系統(tǒng)）及數(shù)據(jù)庫組成，差分?jǐn)?shù)據(jù)管理及服務(wù)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)差分?jǐn)?shù)據(jù)在?。ㄊ校╅g的協(xié)調(diào)及管理，并對(duì)外提供服務(wù)界面，管理界面負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)相關(guān)參數(shù)設(shè)置及服務(wù)配置等，包含參數(shù)配置、差分?jǐn)?shù)據(jù)源管理、用戶管理、服務(wù)監(jiān)控、服務(wù)統(tǒng)計(jì)5大功能模塊。

圖4 GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)管理系統(tǒng)

管理界面中的差分?jǐn)?shù)據(jù)源管理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，運(yùn)維管理人員可根據(jù)需要配置、管理不同精度的服務(wù)，如實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法(real-time kinematic，RTK)、實(shí)時(shí)偽距差分（real time differential， RTD）服務(wù)，并根據(jù)服務(wù)精度配置差分?jǐn)?shù)據(jù)有效距離，該距離設(shè)置好后，差分?jǐn)?shù)據(jù)管理及服務(wù)系統(tǒng)會(huì)在差分?jǐn)?shù)據(jù)資源池中以此距離在用戶周圍搜索差分?jǐn)?shù)據(jù)。

用戶接入平臺(tái)獲取服務(wù)后，系統(tǒng)可對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)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?。ㄊ校┯脩羰褂猛馐。ㄊ校┎罘?jǐn)?shù)據(jù)情況以及外?。ㄊ校┯脩羰褂帽臼。ㄊ校┎罘?jǐn)?shù)據(jù)情況。

服務(wù)統(tǒng)計(jì)模塊可展示平臺(tái)服務(wù)的整體使用情況，以 IP：PORT（各省 CORS服務(wù)界面）為單位進(jìn)行服務(wù)統(tǒng)計(jì)，通過指定查詢年、月等信息，系統(tǒng)自動(dòng)查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)并生成相應(yīng)報(bào)表及統(tǒng)計(jì)圖。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為檢驗(yàn)分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)的定位性能，本文基于GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容主要包括跨網(wǎng)與不跨網(wǎng)用戶的固定時(shí)間、定位精度、差分齡期等指標(biāo)的對(duì)比。服務(wù)部署情況如下：將現(xiàn)有四川省CORS服務(wù)作為現(xiàn)有服務(wù)（服務(wù)A），新增2臺(tái)服務(wù)器分別部署GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，其中一臺(tái)作為省內(nèi)平臺(tái)服務(wù)（服務(wù)B，模擬本省GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)），一臺(tái)作為省外平臺(tái)服務(wù)（服務(wù)C，模擬外省GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)），以此實(shí)現(xiàn)分布式CORS資源協(xié)同服務(wù)的測(cè)試環(huán)境搭建。以服務(wù)A為參考，分析服務(wù) B、服務(wù) C的定位性能。為評(píng)定定位精度，選取某坐標(biāo)已知的控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為中海達(dá)i-RTK2。

分3種方案進(jìn)行測(cè)試（如表 1所示）：方案1，接入服務(wù) A；方案2，接入服務(wù) B，測(cè)試 GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的省內(nèi)服務(wù)；方案 3，接入服務(wù)C，測(cè)試GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)的跨網(wǎng)服務(wù)。

表1 測(cè)試方案

每種方案均記錄設(shè)備初始化時(shí)間（30次，取平均值），同時(shí)記錄設(shè)備 10 min內(nèi)差分齡期的變化情況，利用設(shè)備初始化完成后10 min定位結(jié)果進(jìn)行精度分析，采樣間隔為1 s。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3種測(cè)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(cè)試方案的平均初始化時(shí)間、平均差分齡期以及精度統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

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(nèi)，高程精度互差在2 cm內(nèi)；在平均初始化時(shí)間上，方案1初始化時(shí)間最短，為12，方案2為15，方案3為17 s，可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有CORS服務(wù)在初始化時(shí)間上具有一定優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)楝F(xiàn)有CORS服務(wù)是直接面向用戶發(fā)送差分?jǐn)?shù)據(jù)，而跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)需要向現(xiàn)有CORS服務(wù)協(xié)調(diào)差分?jǐn)?shù)據(jù)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，這個(gè)過程會(huì)存在一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，且跨網(wǎng)用戶的差分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過 2次中轉(zhuǎn)，所以時(shí)延會(huì)稍大一點(diǎn)；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(shí)間類似，跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)存在一定網(wǎng)絡(luò)時(shí)間消耗，所以差分齡期要大一點(diǎn)。

綜上所述，GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)可提供跨?。ㄊ校┑母呔榷ㄎ环?wù)，在定位精度上與現(xiàn)有CORS服務(wù)相當(dāng)，在初始化與差分齡期方面較現(xiàn)有CORS服務(wù)要稍長(zhǎng)一點(diǎn)（初始化時(shí)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(jié)束語

本文基于現(xiàn)有 CORS服務(wù)資源，提出了一種分布式 CORS資源協(xié)同服務(wù)的解決方案，該方案在對(duì)現(xiàn)有 CORS服務(wù)改造程度最小的情況下實(shí)現(xiàn)了跨省（市）的高精度位置服務(wù)，定位精度與現(xiàn)有CORS服務(wù)相當(dāng)?；谠摲桨秆邪l(fā)了 GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站跨網(wǎng)服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)將現(xiàn)有各?。ㄊ校〤ORS服務(wù)作為差分?jǐn)?shù)據(jù)源，通過接入多個(gè)?。ㄊ校┑牟罘?jǐn)?shù)據(jù)源將分布于各地的現(xiàn)有 CORS資源整合，實(shí)現(xiàn)分布式CORS資源的協(xié)同服務(wù)。本文的研究走通了?。ㄊ校〤ORS網(wǎng)服務(wù)共享的整個(gè)技術(shù)流程，并完成了相關(guān)軟件系統(tǒng)的研發(fā)，對(duì)相鄰?。ㄊ校╅g的CORS資源協(xié)同服務(wù)具有一定參考價(jià)值。