多源北斗位置服務動態監控系統的實現與應用

鄒崇堯，厲芳婷，趙 鵬，魏以寬，梁 斌

（1.湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074）

北斗衛星導航系統是我國獨立開發、自主運行的全球衛星導航系統，能提供高精度、高可靠的導航、定位和授時服務，是我國重要的空間基礎設施。北斗三號系統組網成功后，北斗地基增強系統陸續進行了北斗三號升級改造，可提供三頻實時精密定位服務。實踐表明，北斗衛星導航系統已成功應用于電力系統、農業、防災減災、環境保護等領域，如在國家電網的規劃、基建、營銷和調度等方面得到融合應用；基于北斗-RTK的農用無人機、無人車、農業機械等作業、監管工作可極大提高經濟效益；大眾消費領域的智能手機、穿戴設備、車輛終端等應用場景得到拓展；融合了物聯網、大數據、云計算等高新技術的北斗+業務，充分釋放了地理空間位置的應用潛力，實現了高精度定位、時間基準、多源傳感器柔性接入、空間地理信息服務以及工業數據與高精度時空數據的融合[1-5]。

隨著北斗位置服務的快速發展，各領域的應用服務系統和管理平臺相繼開發實現。多個省級主管部門基于省級CORS建設的北斗高精度位置服務平臺得到充分應用[6-13]。同時，基于北斗位置服務的智慧農業、交通網絡、輔助駕駛、智慧電力等應用平臺建設實現了北斗定位技術與多源遙感數據在行業部門業務監管服務中的融合應用[14-18]。

目前，北斗衛星導航系統在技術手段、應用場景和產業化方面都得到了發展。北斗地面增強系統經過多年發展，硬件設備豐富，用戶數量激增；同時帶來了多源設備監控管理和不同需求用戶管理問題[19-20]。為保障北斗位置服務能力，亟需提升北斗地基增強系統的日常維護和響應能力[21-22]。基于對基準站到解算平臺間的數據流狀態進行統一監控管理、對解算平臺到用戶間的差分數據進行監控解析、故障排查便捷等需求，本文以湖北省北斗地基增強系統為研究對象，研發了多源北斗位置服務動態監控系統，解決了多源接收機跨網協同管理問題，實現了北斗地基增強系統的動態空間化管理。

1 功能需求與設計

1.1 多源北斗位置服務系統服務特征和機制

以湖北省北斗地基增強系統為例，該系統由3種品牌多種型號的接收機及其分別配置的差分解算平臺組成。其主要特征的轉變包括接收機從單一品牌到多個品牌，數量快速增加；差分模式從虛擬參考站模式增加到虛擬參考站/虛擬格網差分池模式并行；衛星系統從GPS/GLO雙系統升級到GPS+GLO/GPS+GLO+BDS/BDS3等多源節點。

為了更好地適應這種特征變化，多源北斗位置服務系統的服務機制也進行了升級：服務能力從實時厘米級增加到實時厘米級/亞米級和事后毫米級；服務對象從測繪單用戶逐漸擴展到自然資源、建筑施工、氣象、地震、民生關愛等多用戶；服務數量從單一終端擴充到百萬級用戶、十萬級并發。在上述情況下，系統的基礎層、資源層、應用層均新增了大量內容，系統的體量和邊界相應地發生了巨大變化。為了適應這種變化，需要對各層的關鍵節點進行一定的監控，以實現高效的管理和應急能力。

1.2 GNSS數據流管理模塊

現有的北斗地基增強系統因建設時間跨度問題，多采用不同型號的GNSS接收機。通常不同廠家的接收機均配套獨立的解算平臺，且互不兼容。未來接收機數量仍會逐步增加，因此需要統一的管理手段在統一平臺上進行故障排查。

GNSS數據流管理模塊布設于不同解算平臺的前端，通過一套模塊接收所有接收機數據，首先對所有數據進行初步時間同步，分析數據流的穩定性；再通過解析數據流獲得觀測數據質量情況，并記錄相關LOG；最后將接收機、統一端口、數據流統一到TSM，在TSM上獲取所有數據流。

1.3 GNSS數據匯聚解碼模塊

不同的CORS建設采取的播發方式不同，如HBCORS的位置服務由專網播發，而在地質災害監測領域監測設備的數據通常由公網播發，這就需要在防火墻上映射端口，每個端口對應一臺GNSS監測設備。以湖北省十堰地區為例，現有超過1 000套地質災害監測設備，需要開放大量的公網端口，對于CORS網絡安全維護具有較大的隱患。

GNSS數據匯聚解碼模塊可使所有設備向防火墻的一個端口傳輸，端口映射至模塊，再由模塊根據數據里的標識解析為N路數據，實現僅開放一個公網端口，即可接入海量監測數據的目的。

1.4 播發性能監控模塊

當用戶終端無法正常固定時，服務端無法準確獲取用戶相關信息，這就加大了運維人力成本，降低了響應效率。播發性能監控模塊可監控播發端流程，包括差分生成延遲、格網生成延遲、用戶網絡鏈接狀態，解析用戶獲取的差分數據情況，方便客戶服務人員從服務端直接定位故障產生的原因。所有數據均從接口（網關）獲取，需關聯獲取用戶信息，并能同步準確獲取用戶的實時位置。

1.5 一站式監控演示大數據平臺

由于多源接收機和視頻終端等其他終端不統一，需通過各平臺接口（TSM）獲取相關信息，實現統一的基于Web端的展示能力。針對基準站實時狀態信息、格網信息、數據流穩定性統計圖/表、基準站故障信息統計、用戶實時/歷史位置狀態信息、視頻監控窗口嵌入等建立一站式的監控演示大數據平臺，以解決跨平臺、跨網協同問題。

1.6 系統架構

本文遵循全面性、可靠性、易用性、可移植性、可擴展性的原則，設計了基礎設施層、數據層、平臺層、應用層的系統總體架構，如圖1所示。系統主要功能包括：數據監控大屏，展示重點關注的監控數據；測繪功能大屏，多維度展示北斗地基增強系統的服務數據；基準站數據管理；格網數據監控；用戶數據管理等。

圖1 系統架構圖

2 系統關鍵技術與實現

2.1 基于WebGIS的多源接收機跨網協同空間化管理方法

針對多源接收機跨網協同問題，系統以圖形化的形式在WebGIS上展示大屏地圖、基準站、差分格網、電離層指數、RTK用戶、RTD用戶、視頻監控等7個模塊。用戶通過數據大屏可快速、直觀地獲取關鍵數據信息。數據大屏可展示整合數據、解算平臺數據、用戶數據等關鍵信息。系統借助于直觀的圖表、WebGIS圖形化手段，將數據分析與圖形技術相結合，以大屏可視化的方式，將各功能模塊的核心數據以圖表的方式呈現，可直觀有效地獲取北斗衛星導航與位置系統的整體信息。

2.2 面向多源衛星導航定位系統的動態可視化方法

實時接收RTCM3.X數據流，并解析、存儲相關信息，計算全部可視衛星的位置，通過前端程序繪制星空圖。整合HBCORS現有的多平臺接收機數據資源，訪問RTCM3.X實時觀測數據流，記錄數據通信日志，解碼數據內容，分揀接收機設備監測中所用的數據流量、衛星數據、星歷數據，計算當前位置可視衛星的位置，并將相關信息存儲到數據庫方便歷史查詢；同時通過API/WebSocket等方式實時發布，前端頁面根據衛星系統、編號、高度角、方位角等繪制星空圖，直觀展示當前站點接收機設備的衛星監測情況，如圖2所示。

圖2 多源衛星導航定位系統可視化監控

2.3 格網劃分實時健康監控策略

為快速定位系統故障，有效查看、監控系統健康狀態，以湖北省為例，將省域范圍劃分為2 893個4′×6′大小的網格區域，如圖3所示，系統實時監控各網格差分數據服務質量，可根據設置的誤差均方根值顯示為不同的顏色，顏色越深表示誤差越大，同時可以h或d為單位查看最近的故障率。

圖3 格網劃分實時健康監控

3 系統應用與討論

本文以湖北省北斗地基增強系統為例，通過上述方法，開發完成了多源北斗位置服務動態監控系統，實現了湖北省3套CORS的多源接收機跨網協同監管。系統的主要業務模塊包括：數據大屏，實現地圖展示、基準站監管、差分格網監管、電離層指數監管、RTK/RTD用戶監管等功能；功能大屏，主要實現地圖展示、基準站信息、終端詳情、歷史軌跡、格網詳情等功能；站點監管，主要實現站點展示、實時數據、歷史數據監測等功能；格網總覽，主要實現格網故障地圖、格網故障率統計分析等功能；終端監控，主要實現對終端信息的實時監管和歷史查詢；監控大屏，主要實現對攝像頭數據流的健康監控。

系統可在WebGIS上統一接收北斗三號、GPS、GLONASS等國內外設備的衛星信號，實時以圖形化的形式展示平臺接收機的設備狀態，實現多平臺數據的統一監管。系統為省、市（縣）有效銜接、資源利用和數據共享提供了有效的平臺，是為經濟社會和自然資源管理提供統一、權威的空間基準的重要基礎。通過系統建設，提高了基準站故障維修維護的響應能力，2022年上半年湖北省全省基準站運行的有效率提升至99.89%。在智能化建設的同時，系統已在智慧機場通勤車輛位置服務監管、智慧水利的水下地形測量無人船定位和軌跡分析等領域發揮了作用。

系統可有效推進北斗衛星導航定位高精度位置服務的高端低用，激發GNSS數據多層次利用價值，不僅改善了自然資源行業部門對位置服務應用需求的解決模式，而且有效降低了數據獲取成本，減少了外業人工工作量，避免了重復作業，提升了導航定位與位置服務的應用價值，使高精度導航定位服務向運維更加精細化、自動化，業務服務更加智能化、先進化，應用更加廣泛化、深度化的方向邁進。