基于衛星導航基準站網的海量實時解算與服務算法

顧建祥,趙奕澎,陳 燕

(1. 上海市測繪院,上海 200063; 2. 武漢大學測繪學院,湖北 武漢430079)

隨著GNSS的飛速發展,連續運行參考站 (continous operational reference system, CORS)網絡已逐漸成為現代社會基礎設施的重要組成部分,是實現地球空間信息服務現代化、大眾化、高效率及高質量目標的基礎,目前已在山東、云南、廣東等多地得到了應用[1-4]。但隨著應用需求量的急速增長,現有CORS系統大多面臨以下問題:一是網絡實時解算數據量大,數據更新速度快,亟須高精度、高效率的數據處理算法支撐海量數據服務;二是目前大多數CORS得到的仍是實時地心坐標,地方坐標及正常高結果仍需通過事后處理的手段獲得;三是CORS涉及大量的地理信息數據,其系統安全性與保密性應被高度重視[5-6]。

上海市衛星導航定位基準服務系統(SHCORS)在現有衛星導航定位基準站的基礎上,通過對數據中心計算和網絡服務資源優化,在技術層面實現以下突破:通過解算與服務分離結構,徹底解決雙向通信模型下,海量用戶高并發實時服務難題;提出虛擬格網化方法,實現數據脫密轉化,解決SHCORS服務中數據涉密問題;通過向用戶提供一套有別于真坐標轉換七參數的“發布七參數”,在確保數據安全的前提下實現實時地方坐標與正常高的獲取。

1 格網虛擬參考站技術

實時動態載波相位差分技術(real-time kinematic, RTK),是一種利用兩個測量站實時載波相位觀測量的差分方法,能夠得到實時的厘米級定位精度。但由于工作范圍有限,以及新建基站成本高等問題,20世紀90年代,國外率先提出了基于廣域差分定位技術的網絡RTK技術,目前仍是最主要的GNSS高精度實時動態定位技術[7-8]。網絡RTK技術中應用最廣泛的是虛擬參考站技術(virtual reference station, VRS),即利用地面布設的多個基準站組成GNSS參考站網[9-10],以及在用戶站附近建立一個虛擬基準站,根據多個基準站的實際觀測數據算出虛擬基準站的虛擬觀測值,實現用戶站的高精度定位。

VRS在生成過程中存在大量的誤差內插、估計及建模過程,隨著用戶數量的增長,為每個流動站分配一個虛擬參考站需要耗費大量的運算資源,單純依靠服務器硬件的升級則帶來了極高的運維成本,難以滿足海量用戶的應用需求[11-12];同時由于 VRS采用雙向通信,當同一時間段用戶較多時,通信信道會發生擁堵,甚至會導致數據結算失敗[13]。因此,為了有效解決以上問題,SHCORS系統在開發過程中采用格網VRS技術:格網化VRS通過將大區域內的虛擬參考站布設在規律的網格點上,形成一個網格化的虛擬參考站網絡。通過每個區域設置一個虛擬基準站,可有效減少需要處理的數據量,提高數據的處理效率,是實現海量服務的關鍵技術。

一方面,采用格網化算法的虛擬改正數解算模型在對外服務層只能獲取格網點的虛擬改正數,實現基準站原始觀測數據和基準站成果的隔離,保證基準站數據安全[14];另一方面,格網化虛擬改正數的計算不依賴真實的用戶請求,采用分布式架構進行部署,將虛擬化網格點處的虛擬改正數進行實時計算。海量的用戶并發請求則通過服務層調用格網化虛擬改正數,采用多服務器負載均衡高并發系統結構,實現了集安全防護、海量并發和資源均衡為一體的解決方案。

1.1 虛擬格網觀測數據

采用格網化算法的虛擬改正數解算模型在基站周邊模擬虛擬觀測站,在對外服務層只能獲取格網站的觀測數據,實現基準站原始觀測數據和基準站成果的隔離,保證基準站數據安全;通過虛擬參考站,以基站數據為基礎經過偏移得到的數據質量高。通過網站提供給用戶便于申請下載,可以滿足社會化應用后處理解算需求,虛擬格網觀測數據服務技術如圖1所示。

圖1 虛擬格網觀測數據服務技術

1.2 格網化服務流程

SHCORS格網化服務方法的各模塊之間關系如圖2所示。

圖2 格網化服務各模塊間關系

用戶使用格網化VRS的服務流程包括以下步驟:

(1) 當用戶請求服務時,首先需要確定用戶所在位置所屬的格網。這一步通常可以通過用戶提供的位置信息(如經緯度坐標或地圖顯示位置)完成。如果用戶無法提供位置信息,服務系統也可以通過IP地址定位等方式嘗試確定用戶位置。

(2) 確定了用戶所在的格網后,服務系統可以從相應的網格服務器中獲取對應的參考站數據,可以是歷元觀測值、星歷參數、天線相位中心偏差等信息。獲取參考站數據時,通常會考慮用戶請求時間內附近的參考站數據,并對數據進行差分或其他處理,以提高數據的精度和可靠性。

(3) 獲取參考站數據后,服務系統可進行用戶請求的數據解算。通常采用RTK技術進行快速高精度定位計算。計算結果可以包括用戶所在位置的坐標、速度、高度等信息,也可根據用戶需求進行其他數據處理和轉換。

(4)服務系統將計算結果返回給用戶。返回的數據格式可以是文本、二進制或其他格式,也可根據用戶需求進行定制化輸出。返回數據的內容通常包括用戶請求的定位結果和相應的精度評估信息,也可包括其他相關數據和服務建議。

2 實時地方坐標、正常高技術服務

傳統的RTK測量中,得到的直接結果仍是地心坐標。而地方坐標系是以地球橢球體的某個點為基準點,通過正反算的方法將地球表面上任意一點的經緯度坐標轉換為平面坐標系中的坐標。在實際工程應用中,若使用地心坐標,可能會涉及大量的坐標轉換過程。地方坐標作為針對局部地區建立的坐標系,更能適應當地的地形、地貌等特點,對實際測量的精度有更直接和精確的反映,因此需將CORS計算得到的地心坐標轉換至地方坐標及正常高,便于應用于實際工程測量和建設。

目前所采用的轉換方法大多存在以下問題:①多個區域提供不同的事后轉換參數導致區域邊緣及區域重合地區轉換精度較低;②較大面積地區只采用一種轉換參數,導致部分區域的轉換結果較差[15-17]。

為解決以上問題,SHCORS采用通過計算及播發“發布七參數”的技術手段,提供高精度的實時地方坐標及正常高結果。

2.1 實時地方坐標及正常高獲取流程

地方獨立坐標系與1980西安坐標系和1954北京坐標系之間無法進行直接轉換,在現有處理方法中,通常利用CGCS2000坐標系作為中間過渡,即先將CORS解算得到的坐標結果轉換至CGCS2000坐標系下,再由其轉換至獨立坐標系下的坐標結果。其主要流程如下:

(1)根據高斯投影反算公式,由CGCS2000坐標系下點坐標及該點的大地高H,得到基于CGCS2000坐標系下的大地坐標(B,L,H)CGCS2000。

(2) 利用已知的轉換參數,將轉換得到的大地坐標(B,L,H)CGCS2000轉換至獨立坐標系下的大地坐標(B,L,H)2000。

(3) 以3°為間隔進行高斯投影,將1980西安坐標系下成果轉換至國家統一坐標格式。

(4)結合區域內的似大地水準面格網模型,根據GNSS點周圍的格網值,進行雙線性插值,最終得到正常高結果。

2.2 實現方法

在此基礎上,SHCORS系統實現實時地方坐標、正常高技術服務的核心步驟如下:

(1) 采用基于服務器端加密的實時地方坐標、正常高測量模型,即向用戶提供一套有別于真坐標轉換七參數的“發布七參數”,用戶在GNSS接收機手簿中設置后,即可實時測得相應目的坐標系的平面坐標和正常高。

(2) 該技術利用CORS系統向GNSS測量用戶的流動站提供虛擬基準站的原始坐標,通過七參數轉換使其變換到過渡坐標系下。在CGCS2000坐標系中,可以認為小于50 m的點坐標平移,對解算得到的基線向量無影響。其中,過渡坐標系只是由CGCS2000坐標系進行較小的平移得到的。因此,把由CORS系統播發出去的VRS信號中虛擬基準站的坐標轉換成過渡坐標系下的坐標值再播發出去,在流動站得到RTK解算結果后,通過坐標變換即可得到其在CGCS2000坐標系下的坐標。

(3) 在保證似大地水準面成果可靠的前提下,實時為CORS用戶提供正常高服務,基于似大地水準面成果和CORS虛擬格網點,插值生成虛擬格網點的虛擬正常高,該正常高本身并不存在實際物理意義,系統在用戶作業時將該格網點的平面坐標、正常高及實時解算的虛擬觀測值發送給用戶,用戶無需改變任務作業方式,即可實現實時在線獲取測量點正常高。

3 分布式解算播發技術

系統對外服務作業時,主要提供兩種基準的數據播發,兩種基準分別是CGCS2000坐標系和上海地方坐標系。通過系統配置轉換參數,在播發數據時實現數據實時在線轉換,提供相應坐標系下的服務。通過坐標參數管理頁面進行坐標轉換的七參數添加管理,在管理員輸入完成后系統會對七參數進行偏移后加密存儲,即系統不會含有真實的七參數,保證了參數的安全性。七參數添加完成后可在用戶權限管理頁面對用戶可轉的坐標系進行權限配置,配置完成后用戶只能選擇管理員配置的坐標系進行實時和事后轉換。管理員對已有的七參數進行修改刪除等操作都會自動更新用戶可轉坐標系的權限信息,無需進行二次配置。

用戶作業時進行實時轉換,直接測量相應坐標系下的坐標。系統管理員配置好坐標系和似大地水準面模型參數后,用戶在作業手簿上將參數輸入為0,便可直接獲得帶正常高和地方坐標系的成果數據,地方坐標系通過兩套假參數獲取偏移真參數進行實時轉換,整個過程不存在真實的七參數,且轉換數據處理過程和所有可能涉密的信息全部放在涉密內網下進行處理。外網的業務系統都不涉及加密信息,保證了系統參數的安全性。參數及坐標服務流程如圖3所示。

圖3 數據播發參數流程

用戶作業可通過播發RTCM直接獲取坐標系坐標和手動鍵入偽參數兩種方式。上海2000坐標系是上海市地方坐標系,該坐標系數據播發通過系統輸入與CGCS2000之間的轉換參數,在用戶使用時,數據會自動利用轉換參數(CGCS2000轉換上海2000坐標系),轉換為上海2000坐標系成果提供給用戶。

為控制用戶作業坐標系精度,對用戶進行權限劃分,分亞米級和厘米級兩種權限。主要是通過系統對用戶權限進行設定,在播發數據時進行數據精度控制,對分米級用戶僅播發保留小數點后一位的坐標數據;厘米級用戶則保留小數點后兩位的坐標數據,這樣可以避免用戶進行轉換參數逆獲取。

SHCORS系統通過設計基準站網分布式處理和服務平臺,實現了虛擬改正數服務系統與虛擬改正數解算系統分離。針對整合多套解算資源的差分數據統一對用戶提供服務的問題,將數據解算和播發服務管理分離,結合格網化虛擬改正數技術,開發了基準站網分布式處理和服務平臺,同步緩解解算和用戶通訊服務壓力,不僅能夠獨立格網化自主解算,同時也能有效解決用戶海量雙向通信問題,并整合多個解算資源統一對外服務。

4 系統應用實例及測試

平臺部署中采用“獨立部署、同步多級服務”。獨立部署將平臺分成數據處理中心和用戶服務管理中心并分別進行獨立部署,且兩個中心同時為Web用戶、RTK用戶、巡查用戶、GIS用戶、移動端用戶、管理員用戶及其他實時用戶等提供多級服務。

4.1 系統實施情況

系統角色可分為超級管理員、管理員、單位用戶和終端用戶4種。其中,超級管理員和管理員的功能包括用戶管理、站網信息管理、監控管理及數據處理等;用戶端則主要是對個人信息的設置維護及對終端作業的監控管理。

4.2 并發量支持測試

為了驗證系統在用戶量劇增情況下的服務能力,對系統支持的用戶并發數量進行測試:分別選取了3臺服務器,在每臺服務器上進行并發測試。每組并發用戶設置為1000,所有用戶并發訪問均在極短的時間內發生。在第一臺服務器上完成4組并發(即4000用戶),每組并發間隔時間為10 min,在另外兩臺服務器上各完成3組并發,總計10 000個用戶并發。測試過程中3臺服務器的服務均正常,證明了系統面向海量用戶服務的可行性。

4.3 實時定位精度測試

實時定位精度是衡量一個CORS網服務性能的關鍵指標,選取外符合精度和內符合精度作為衡量指標,測試SHCORS為用戶提供實時定位服務的精度。其中,內符合精度是系統定位可靠性與穩定性的衡量指標,為同一觀測點不同測回的測量結果之間的差值,內符合精度的統計公式[18-20]為

(1)

式中,dX、dY、dZ為測試點坐標分量平均值與觀測值分量的差值;MX、MY、MZ為各分量的內符合中誤差,以2 cm作為限差值;N為測試點的個數;K為測試點的觀測次數;dP為定位結果的平均值與每次觀測值的差值;mP為測試點的空間點位內符合誤差。

外符合精度可反映系統的正確性、可靠性和兼容性,為測量點測量結果與已知值之間的不同方向上的差值絕對值,其統計公式為

(2)

式中,MP和MH分別為測試點的平面點位和大地高外符合中誤差,分別以3 cm和5 cm作為限差值;dx、dy分別為測試點已知的平面坐標分量與觀測值分量的差值;dH為測試點的已知大地高高程與觀測的大地高高程平均值的差值;dP為測試點的已知平面點位與觀測的平面點位平均值的差值;N為測試點個數。

采用外業實測方式,按照《全球定位系統實時動態測量(RTK)技術規范》中網絡RTK測量流動站的技術要求,同時充分考慮季節、時間和地形等因素影響,滿足數量不低于基準站網點數量且在覆蓋區域內均勻分布的要求和原則,選取了48個GNSS C級點。其中,系統網內測試點數量為37個,系統網外測試點數量為11個,測試點位的選取分布如圖4所示。測試采用了徠卡GS15、中海達V96及華測X90多款GNSS接收機,系統設備兼容性良好。

圖4 測試點位分布

(1) 內符合測試:采用網絡RTK的方式進行測量,按照1 s的采樣率,每個點采集60個定位結果,在不同測回之間要重啟接收機,重置衛星接收信息,重新初始化等,共進行3組觀測。

首先,對37個網外點進行統計,其內符合精度統計結果如圖5所示。其中,X、Y、Z方向的最大差值的絕對值分別為1.3、1.4及1.3 cm;再統計11個網外點,其統計結果如圖6所示。其中,X、Y、Z方向的最大差值的絕對值分別為1.2、1.7及1.6 cm,網內點及網外點各方向上誤差均滿足限差,各測試點內符合精度良好。

圖5 網內測試點內符合精度統計

圖6 網外測試點內符合精度統計

統計坐標分量內符合中誤差情況見表1。其中,網內點最大誤差出現在Y方向,為0.6 cm;網外點最大誤差出現在Z方向,為0.8 cm,均滿足限差值2.0 cm的要求。

表1 測試點各坐標分量內符合中誤差 cm

表2 測試點各坐標分量外符合中誤差 cm

(2) 外符合測試:采用網絡RTK的方式進行測量,具體數據采集流程與內符合精度測試相同。其中,37個網內點的外符合精度統計如圖7所示,平面最大誤差為1.5 cm,大地高方向最大誤差為3.5 cm;11個網外點的外符合精度統計如圖8所示,平面最大誤差為1.4 cm,大地高方向最大誤差為4.2 cm,兩種測試情況下均符合限差要求。統計坐標分量外符合中誤差情況見表 2,平面誤差與大地高方向誤差分別滿足限差值3和5 cm。

圖7 網內測試點外符合精度統計

圖8 網外測試點外符合精度統計

(3)分時段測試:分別對37個網內點和11個網外點的定位精度進行分時間段測試,對每個點分別在上午時段及下午時段進行數據采集,對定位結果與參考值的平面方向與高程方向差值進行統計。其中,網內點的誤差統計結果如圖9所示,網外點的誤差統計結果如圖10所示(圖像均為左軸代表平面誤差大小,右軸代表高程誤差大小)。由結果可以看出,大部分測試上午的誤差值小于下午,即定位精度優于下午時段,且平面誤差顯著小于高程誤差。

圖9 網內點分時段定位誤差測試結果

5 結 語

本文針對現有CORS網存在的問題,結合SHCORS建設,提出了滿足海量用戶需求和實時地方坐標及正常高轉換的解算與服務算法。其中,通過格網化VRS技術,將大范圍的區域劃分成多個小區域進行分布式計算,降低計算量與響應時間,在保障位置服務精度的同時有效降低了數據傳輸與解算模塊的負荷,提升了服務的穩定性;同時,通過“發布七參數”作業模式,以及將數據解算和播發服務管理進行分離的技術,在確保地心坐標系到地方坐標系的“真七參數”及用于坐標轉換過程中的“過渡七參數”保密性的前提下,實現了用戶能夠實時測得高精度的地方坐標和正常高。系統有效地監管用戶,并根據用戶需求進行了功能擴展,建立了嚴謹完善的基站管理機制和科學自動化的服務流程,集運維、監測、數據處理為一體的面向現代測繪管理體系的多層次、多節點運維管理平臺,能夠安全、可靠、穩定地提供社會化服務,實現服務海量化的同時保障服務高精度。