關于CORS實時高精度自主解算平臺的研究

馮振儉

關于CORS實時高精度自主解算平臺的研究

馮振儉

（南寧市自然資源信息集團有限公司，廣西 南寧 530021）

隨著北斗三號組網建設進入收官階段，以北斗為核心的GNSS應用市場將迎來高速發展期，然而，現有CORS系統受算法局限，難以滿足海量用戶高并發應用的需求，制約了CORS系統的全面推廣應用。文章提出了建立CORS實時高精度自主解算平臺的技術路線，從平臺總體架構、CORS分布式服務子系統、CORS網絡RTK解算子系統三個方面闡述了平臺的設計思路，優化了CORS系統數據解算算法，解決了CORS海量用戶高并發應用的問題。

CORS；自主解算；平臺

引言

近年來我國的國民經濟持續處于高速發展狀態，各類用戶對穩定可靠的高精度位置服務的需求增長迅猛，雖然目前基于區域CORS的網絡RTK能夠向用戶提供厘米級的定位精度，但是目前市面上的大多數軟件在海量用戶同時在線時，由于算法本身的局限，服務器壓力劇增，必然會出現服務器崩潰、服務中斷等問題。因此，面對海量用戶的并發請求，必然需要研發新一代算法，具備多線程、分布式計算的能力，以高效率、高穩定性解決海量用戶并發的問題。

1　研究目標及內容

基于國家北斗高精度定位系統，研發和建立國產自主的CORS實時高精度自主解算服務云平臺，能夠在精度和穩定性達到國際同類軟件的水平，滿足CORS安全升級改造工作中軟件要求，能通過云技術為海量級用戶提供穩定可靠的高精度定位導航服務，同時在滿足安全規定的前提下還支持開放接口將高精度服務數據共享應用至其他政府部門。

CORS實時高精度自主解算服務云平臺建設主要包括CORS分布式服務子系統建設和CORS網絡RTK解算子系統建設兩部分。其中，CORS分布式服務子系統建設支持分布式部署架構，可以在云服務器上進行拓展與部署，支持海量并發用戶，該子系統包含系統基礎功能、專業服務接口、系統主控中心以及格網服務模塊。CORS網絡RTK解算子系統建設支持VRS模式，支持格網化虛擬參考站生成、存儲、播發。該子系統包含觀測數據與實時產品的接收功能、數據預處理功能、數據解算功能、改正數儲存功能、改正數脫密功能。

2　平臺架構設計

2.1 分布式服務子系統架構設計

CORS分布式服務子系統采用三層B/S結構，基于ASP.NET技術開發系統應用平臺，整個系統分為應用層、邏輯層和數據層。各部分功能作用如下所述，其框架結構如圖1所示。

圖1 分布式服務子系統框架結構圖

應用層：主要面向應用用戶，包括管理員用戶、普通用戶以及前端接收機等，用于處理與用戶的前端交互界面。

邏輯層：一是對各類數據請求進行相應的處理，包括負責向數據層發送數據請求或從數據層取得有關數據進行統計查詢、顯示，進行坐標參數轉換；二是主動監控CORS系統各部分的工作狀態，包括用戶位置、軌跡、定位狀態和基站狀態等；三是生成系統的管理日志，并實時存儲到數據庫中去。

數據層：用來定義、維護、訪問和更新數據并管理和滿足應用服務對數據的請求，該層負責解析業務邏輯層所發出的數據請求，執行相關的操作。

分布式服務子系統的邏輯結構主要由CORS基準站、DreamNet服務器和南寧市測繪基準網站服務器以及各種類型的用戶（包括RTK測量用戶、多終端管理用戶等）構成，它們通過有線（以太網）和無線（通信鏈路）進行實時鏈接和數據傳輸。

2.2 CORS網絡RTK解算子系統架構

北斗CORS網絡RTK解算子提供基于VRS技術的CORS運維管理功能，在DreamNet服務器與接收機用戶/WEB用戶之間加入一臺服務器，用戶直接與本服務器進行連接享受各種服務。ORS基準站與服務器之間通過專線網絡進行連接，網站服務器和DreamNet服務器處于同一局域網內，通過路由器進行數據交換，GIS用戶、RTK用戶和移動端用戶通過無線通訊基站與向服務器發送請求，而瀏覽器用戶直接通過以太網向服務器請求數據。其網絡拓撲圖如圖2所示。

圖2 北斗CORS網絡RTK解算子系統結構圖

2.3 平臺數據流設計

CORS基站接收衛星信號并將數據實時發送到DreamNet服務器，DreamNet服務端進行實時解算并建立覆蓋范圍內的高精度模型。測量用戶在接入南寧市北斗位置綜合服務系統后，將觀測值按照NMEA的格式實時傳輸給網站服務器，網站服務器將數據流轉發給DreamNet服務器進行計算，DreamNet服務端計算完成后，將VRS虛擬觀測值返回到網站服務器，網站服務器再以RTCM的格式播發給用戶，RTK用戶即可根據改正數得到實時高精度坐標。此外，系統提供了Web和Android客戶端兩種方式的系統管理平臺，Web端用戶通過Http協議與服務器交互進行查詢和管理操作，Android端用戶通過Webservice（SOAP/Http協議）與服務器進行交互。

3 CORS分布式服務子系統設計

北斗CORS分布式服務子系統支持分布式部署架構，可以在云服務器上進行拓展與部署，支持海量并發用戶。同時也支持將高精度數據推送至其他政府部門并監管使用狀態。北斗CORS分布式服務子系統的核心在多線程高并發解算，其中多線程技術主要在解算模塊，以及對外播發模塊中完成，實現位置服務的穩定可靠、高精度。在核心的解算模塊中，可以使用多線程技術實現星歷，同時獲取多系統多頻原始觀測值、相關配置參數等信息，減少解算時間，提高算法效率，進而減少差分延時，提高用戶固定率。在播發模塊使用多線程技術，支撐海量用戶請求及VRS數據的分配，大大降低播發端的壓力及提高播發效率。

4 CORS網絡RTK解算子系統

網絡CORS解算子系統支持VRS模式和格網化虛擬參考站的生成、存儲、播發。該子系統包含觀測數據與實時產品的接收模塊、數據預處理模塊、數據解算模塊。

4.1 觀測數據與實時產品接收模塊

4.1.1 數據獲取

系統能實現從IGS、CODE等外網服務器上下載數據，準備進行解算需要的一些文件。如果軟件系統部署在內網，無法連接外網服務器，需要在一臺外網服務器中部署數據獲取部分的軟件，然后用同步軟件將文件同步到內網服務器。數據獲取部分需要實現支持數據解碼、支持觀測數據自動和手動下載、支持星歷數據自動和手動下載（包括精密星歷、DCB文件等等）、支持觀測數據定時和實時數據傳送、支持NTRIP和TCP/IP協議的觀測數據流的獲取、支持FTP協議和HTTP協議的觀測數據文件的獲取。同時，需要保證觀測數據文件存儲的完整性，類似于Storage Integrity，測站數據下載中斷恢復后，需要能補充或者恢復繼續下載。

4.1.2 數據檢查

軟件系統需要對進行解算的數據進行檢查。這包括衛星系統類別、衛星數量、觀測值類型、起止時間、數據完好率、采樣率、周跳率、多路徑影響和信噪比等信息的檢查，進行實時或定時的計算分析，支持以圖表或者文件等形式輸出檢查結果。在發現數據質量出現問題的時候，需要支持提供告警功能。需要支持GPS/BDS/GLONASS等多衛星導航系統的數據質量檢查，提供統計分析功能，支持按站和按時間兩種方式統計質量情況。

4.1.3 數據存儲

軟件系統需要支持對觀測數據、星歷數據、結果數據等數據的存儲。這包括支持RINEX等多種文件格式，支持不同時間系統的選擇和不同采樣率（1 s、15 s、30 s）的采樣率設置，具備格式轉換、重采樣、歸檔和推送等功能，支持以圖表或文件等形式輸出存儲狀態，支持虛擬格網點的存儲，支持多時間系統或目錄格式存儲，以及格網點存儲配置（設置點位坐標、采樣率等，需要支持RINEX格式里的o文件、d文件以及壓縮格式文件等），以及支持多站數據存儲同時配置。

4.2 數據預處理模塊

由于地面流動用戶在接收導航衛星信號的過程中需要保持對特定的衛星的連續跟蹤，但是跟蹤的過程中難免出現衛星信號被建筑物、植被等遮擋，或跟蹤衛星出現故障，或受到與定位導航信號頻率相近的其它電磁波干擾的情況，接收機可能會出現失鎖，其內部的整周計數器無法連續計數；接收機持續性地測量載波相位值時，由于某些因素使得整周計數出現問題，測得的相位觀測值相比準確值出現幾個整數周的跳躍，稱為周跳[1]。進行周跳探測的方法有多種，具體有多項式擬合法[2]、高次差法[3]、電離層殘差法[4]等。當信號被接收機重新鎖定后，載波相位觀測量的整周部分必然錯誤，但是不到一周的小數部分任然保持正確。在正式解算之前需要將周跳探測出來，并加以標記，這就是數據預處理的主要操作。

4.2.1 M-W法

M-W法的實質是通過雙頻的寬巷相位觀測值和窄巷的偽距觀測值的線性組合，將寬巷模糊度作為統計檢驗量，如式1所示：

其中N、λ分別表示寬巷觀測值的整周模糊度、寬巷觀測值的波長，1、2、1、2、1、2分別表示雙頻偽距、相位觀測值，以及觀測值所在頻點的頻率。從式（1）可以看出檢驗量不受基線長度、電離層以及接收機運動狀態的影響。需要注意的是當兩個頻率上的載波發生相同大小的周跳，M-W失效。

4.2.2 電離層殘差法

電離層殘差法是美國學者Goad在1986年提出的，它主要是考察不同歷元之間電離層殘差的變化[5]。該方法認為在電離層較穩定的情況下，若沒有周跳發生，相鄰歷元的電離層殘差統計量應該比較穩定，不會出現階躍的情況，于是通過檢驗各個歷元電離層殘差值，達到周跳探測的目的。

本文在軟件實現的時候采用電離層二次差作為統計量，基于實時探測模式探測周跳，即同時存儲三個歷元、-1、-2的觀測數據，其中表示當前觀測歷元，當歷元疑似為周跳時，等待歷元+1的觀測數據，然后構建計算歷元-1、、+1的電離層二次差，判斷歷元是否確實出現周跳。其原理如下：

若不考慮多路徑效應、觀測噪聲等因素的影響，當前觀測歷元的雙頻載波相位之差為：

同理可得歷元-1的雙頻載波相位之差，若歷元未發生周跳，由()與(-1)的差值可得：

表示歷元與歷元-1的電離層殘差一次差。

同理可得(-1)與(-2)的差值：

4.3 數據解算模塊

數據解算處理模式支持多種定位模式，包括單站模式、RTD模式、RTK模式、網絡化模式和VRS模式。支持站點、衛星導航系統、高度角、星歷、鐘差和解算模型等參數設置。支持精密星歷、IONEX、DCB等文件的讀取，具備選擇不同的網解模式，支持多種電離層和對流層模型的選擇、實時顯示解算狀態、以數據流或文件等方式輸出結果。站點坐標解算模塊支持實時和事后觀測數據的計算，支持選擇多種解算方式，支持以圖表或者文件等形式輸出解算結果。

5 結束語

北斗CORS實時高精度自主解算服務云平臺的研發可有效提高測繪作業效率，降低測繪作業成本，研究成果可應用于高精度導航定位、精密監測等城市建設、城市管理等諸多領域，極大地節約了政府服務部門行政成本和測繪企業的運營成本。

[1]王仁謙，朱建軍. 利用雙頻載波相位觀測值求差的方法探測與修復周跳[J]. 測繪通報，2004(6): 9-11.

[2]李江衛. GPS 相位觀測值中周跳的探測與修復算法研究[D]. 武漢: 武漢大學，2004.

[3]嚴新生，王一強，白征東，等. 聯合使用高次差法和TurboEdit 法自動探測修復周跳[J]. 測繪通報，2007(9): 5-9.

[4]王維，王解先，高俊強. GPS 周跳探測的方法研究[J]. 武漢大學學報(信息科學版)，2010，35(6): 687-290.

[5]彭磊，任立華，黃真輝. 多頻電離層殘差法用于周跳的探測與修復[J]. 測繪工程，2014(12): 35-38.

Research on Real-Time High Precision Autonomous Calculating Platform of CORS

As the construction of Beidou 3 network enters the final stage, the GNSS application market with Beidou as the core will usher in a period of rapid development. However, the existing CORS system is limited by algorithm, and it is difficult to meet the demands of massive users for high concurrent applications, which restricts the comprehensive promotion and application of the CORS system. This paper puts forward the technical route of establishing CORS real-time and high-precision autonomous calculating platform, expounds the design idea of the platform from three aspects of the overall platform architecture, CORS distributed service subsystem, and the CORS network RTK solution operator system, optimizes the data solution algorithm of CORS system, and solves the problem of high concurrent applications of CORS massive users.

CORS; independent calculating; platform

P22

A

1008-1151(2022)10-0014-03

2022-05-30

馮振儉（1989－），男，南寧市自然資源信息集團有限公司注冊測繪師，從事自然資源信息化前沿技術研究和成果轉化工作。