北斗/GNSS地基增強系統跨網漫游服務技術研究與實現

劉洪海

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引 言

全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)是能在地球表面或近地空間提供全天候定位、導航和授時(positioning，navigation and timing，PNT)服務的空基無線電導航定位系統。GNSS在國家安全、國民經濟建設和社會發展中有重要作用，各大國家紛紛研制各自國家的衛星導航系統，如美國GPS、中國北斗(BDS)、俄羅斯GLONASS和歐盟Galileo。發展至今，GNSS已在航空航天、國防安全、交通運輸、水利電力、防災減災、地球科學、通信、氣象等領域廣泛應用。GNSS自身受多種誤差影響，提供的定位精度通常只有 5 m～ 10 m，不能滿足高精度定位需求。經過學者們多年研究，提出兩種常用方法使得GNSS定位精度能達到分米級、厘米級甚至毫米級。一種是精密單點定位(precise point positioning，PPP)[1，2]，另一種是地基增強[3]。目前，大多數國家和地區均建有衛星導航定位地基增強系統(業界也稱CORS)，我國各省市建立的北斗/GNSS地基增強系統向社會提供網絡RTK、網絡RTD等高精度定位服務[4]。高精度定位服務只能在基準站網覆蓋區域內，跨網服務需要到當地的CORS平臺進行注冊，連接到另外的服務平臺來獲取CORS服務。由于缺乏國家層面的統籌規劃，各省市CORS系統互相獨立，省市接邊區域存在CORS服務縫隙或重疊等問題。

隨著傳統基建和新基建的不斷推進，跨區域經濟和人文交流愈加頻繁，高速鐵路、高速公路、油氣管道、輸電線路等長距離、跨區域重大工程對大跨度高精度定位的需求增加，基礎測繪、智慧交通、數字物流等行業對無縫定位、跨區域漫游服務的需求增加。千尋、移動等企業、行業相繼建設了全國性的CORS系統并提供服務。作為基準服務系統的省級CORS系統，應積極響應衛星導航定位“一張網”建設，迫切需要從區域服務模式向跨區域服務漫游的模式轉變?；鶞式y一、計算機網絡技術發展、國家和地區政策驅動、數據標準化等都為這種轉變創造了條件，現也有相關研究推動跨網漫游服務的實現。

李昌貴等提出虛擬CORS的概念，研究和探討了虛擬CORS關鍵技術，嘗試進行CORS網絡互聯[5]。楊浩和李敏分析了CORS系統間軟硬件的差異，針對CORS系統間信息資源共享的異構問題和解決方案進行了研究[6]。陽力等討論了CORS并網的幾種模式和需要解決的諸多問題[7]。辜聲峰等討論了FCM聚類算法和CORS子網拓撲結構，通過合理共享基準站實現分區服務[8]。張揚等從鄰省基準站接邊、系統異構、通信聯網等方面探討了省級基準站共享關鍵技術，為省級CORS聯網提供思路[9]。袁鵬研究了省級CORS組網互聯互通中系統差異、通信網絡、數據轉發方式、通信協議等關鍵問題，探討了服務共享模式[10]。張晶晶等提出一種虛擬通信媒介模式的CORS跨網服務無縫切換通信模型，實現了CORS跨網服務[11]。譚明建提出一種分布式CORS資源協同服務解決方案，并設計研發了GNSS連續運行基準站跨網服務平臺[12]。陳豪等提出一種分布式+中心化的協同服務方案，并研發了協同服務平臺和節點程序，為區域CORS協同服務提供參考[13]。

2 CORS跨網漫游方案

跨網服務模式有兩種。一是共享基準站數據，實現相鄰CORS聯合組網，文獻[6～10]采用的這種方式。但由于各省市地區政策不同，難以實現大規模并網，往往只是在接邊地區實現基準站數據共享來擴大各省市CORS覆蓋范圍。共享基準站的方式需要在數據中心與鄰省數據中心或者基準站與鄰省數據中心之間建立數據傳輸線路。另一種是共享CORS服務，依托互聯網、各省市現有播發網絡和漫游平臺實現跨網漫游服務，如文獻[11～13]都是以此進行的研究。這種方式無須對現有CORS系統做較大改動，服務形式保持不變，用戶自動實現跨網漫游服務。這種去中心化、分布式服務方案較千尋、移動等全國統一平臺更靈活、服務方式多樣。

2.1 總體架構

各省CORS基準站通過專線將數據匯聚至各省的數據中心并進行解算。位置服務管理平臺和播發服務器處于外網供用戶訪問和播發漫游數據，解算服務器處于內網，外網和內網之間架設網閘。各省CORS只需對接服務平臺、簽署跨網服務協議，通過超級賬號+白名單的方式請求對方高精度定位服務。漫游用戶通過通信網絡向服務器發送請求，根據用戶所處的位置自動播發或轉發對應省的差分數據，用戶使用差分數據進行高精度定位?？缇W漫游服務總體架構如圖1所示。

圖1 跨網漫游服務總體架構

2.2 跨網漫游服務平臺設計與實現

平臺分為業務管理模塊和漫游服務模塊，業務管理模塊包含用戶注冊、賬號管理、資質認證、訂單管理、合同管理、服務申請、作業記錄、漫游配置等。其中漫游配置中管理員可以對漫游節點、漫游區域和用戶漫游權限進行管理。

(1)漫游節點配置：在跨網漫游平臺中增加CORS服務Ntrip協議的IP和端口，實現了CORS服務可配置管理，配置漫游服務登錄協議超級賬號和CORS連接信息(IP、端口)即可自動獲取源列表，以及連接對應的CORS服務。

(2)漫游區域管理：可以對漫游區域進行配置，針對不同省市、不同區域、不同類型的用戶配置不同的漫游區域。漫游區域最小單位為地級市，最大單位為省，通過選擇添加省(市)實現漫游用戶作業區域限定。

(3)用戶漫游權限配置：可以針對不同的用戶開放不同的漫游權限，包括漫游時間、坐標系、可用源列表、漫游區域等。

業務流程如圖2所示，以用戶在A省注冊為例，用戶訪問跨網漫游服務平臺進行注冊和添加賬號，獲得對應的漫游權限。用戶使用A省的IP、端口和源節點配置定位終端獲取服務，用戶驗證通過后，跨網漫游服務平臺根據用戶終端發送的概略位置和邊界判斷用戶是處于A省還是B省。若用戶位于A省，則直接通過差分數據播發模塊向用戶提供定位服務。若用戶位于B省，數據中心對漫游用戶進行漫游鑒權，鑒權通過后以B省CORS的接口信息和協議超級賬號向B省數據中心請求跨網高精度定位數據，并通過A省播發模塊轉發給用戶，從而實現用戶無感切換的跨網漫游服務。

圖2 跨網漫游服務平臺業務流程圖

3 跨網漫游測試

3.1 跨網漫游平臺功能測試

(1)賬號權限管理測試：用戶端賬號漫游源列表、漫游區域、漫游時間、坐標系等功能正常，管理員端對用戶漫游權限、漫游區域、漫游時間、坐標系等進行配置和編輯功能正常。

(2)漫游區域參數配置測試：漫游服務配置功能新增、編輯、刪除等功能正常，漫游用戶權限配置、漫游區域分組、漫游區域選擇等功能正常。

(3)差分數據播發模塊測試：漫游省份數據獲取、數據交換、數據切換、數據播發功能正常，用戶能正常使用漫游服務即代表上述功能正常。

測試結果為跨網漫游平臺各項功能均完備和正常。

3.2 跨網漫游服務定位性能測試

(1)測試內容

為測試CORS漫游服務定位性能，分別在B省、C省、D省開展了實地測試，測試內容主要包括A省注冊用戶在B、C、D省使用A省CORS和B、C、D省CORS的初始化時間、差分齡期、定位內符合精度等內容。

初始化時間：用戶從開始連接CORS至獲得厘米級定位服務(固定解)的時間。

差分齡期：差分數據通過數據鏈路傳送至流動站的時間，其值越小越好。差分齡期計算方法是通過模型進行差分數據預測，模型外推總是有一定的誤差，且外推步長越大，預測的誤差也越大，所以需要測試漫游和非漫游用戶差分齡期的情況。

定位精度：測試流動站一段時間內的內符合精度，反映各歷元坐標值的離散程度，即精度，本測試中分為南北方向(N)、東西方向(E)、高程方向(U)。

(2)測試方案

①用戶在B省選定漫游測試地點，使用三腳架安置流動站接收機，對中整平。

②連接A省CORS信息(稱“漫游”)：新建工程，流動站連接A省CORS，斷開重新登錄，重復30次，記錄初始化時間。連續采集固定解 30 min，采樣間隔 1 s，同時記錄 30 min內差分齡期的變化情況，導出數據。

③連接B省CORS信息(稱“本地”)：新建工程，流動站連接B省CORS，斷開重新登錄，重復30次，記錄初始化時間。連續采集固定解 30 min，采樣間隔 1 s，同時記錄 30 min內差分齡期的變化情況，導出數據。

④記錄接收機型號。

⑤將①-④中的步驟在C省、D省重復進行，整理統計測試數據。

(3)測試結果

測試結果 表1

統計B、C、D三省測試初始化時間，各省漫游和本地初始化時間對比如圖3、圖4、圖5所示。統計平均差分齡期和 30 min定位內符合精度，各省統計結果見表1。對比漫游和本地的初始化時間，B省分別為 21.3 s和 17.2 s，漫游比本地多 4.1 s；C省分別為 16.9 s和 12.1 s，漫游比本地多 4.8 s；D省分別為 10.2 s和 6.4 s，漫游比本地多 3.8 s。在差分齡期上，B省漫游和本地平均差分齡期分別為 1.13 s和 1.07 s；C省漫游和本地平均差分齡期分別為 1.31 s和 1.26 s；D省漫游和本地平均差分齡期分別為 1.51 s和 1.44 s。B、C、D省內符合精度三個方向上差異較小，可忽略。

圖3 B省初始化時間對比

圖4 C省初始化時間對比

圖5 D省初始化時間對比

4 結 論

本文在分析CORS跨網服務現狀的基礎上，提出了一種CORS跨網漫游服務方案，該方案無須對現有CORS系統做較大改動，不增加用戶負擔，不改變現有CORS系統服務形式，即可實現跨網漫游無感切換服務。基于該方案設計和實現了跨網漫游服務平臺，對平臺進行測試得到以下結論：

(1)漫游初始化時間略大于本地初始化時間。在B、C、D省的測試中，平均初始化時間漫游均略大于本地 3 s～5 s。漫游用戶接入A省CORS后需要判斷其所在省份，再通過互聯網調用相應省份的差分數據進行轉發，此過程較本地用戶會有一定的時間延遲，不影響用戶正常使用。

(2)漫游與本地差分齡期一致。漫游和本地平均差分齡期一致，兩者的差異不影響用戶使用，滿足實時定位服務的實效需求。

(3)定位精度一致。漫游用戶和本地用戶所使用的差分數據來源一致，理論和實際都表明漫游和本地在N、E、U三個方向上的定位精度一致。