基于北斗地基增强系统的位置服务关键技术研究

杜仲进

( 福建省测绘院, 福州 350003 )

0 引 言

全球卫星导航系统(GNSS)提供的空间信息服务(导航、定位与授时(PNT))已经在交通导航、农林渔业、气象测报、通信授时和公共安全等领域得到广泛应用. 由于GNSS发射的无线电波受到电离层和对流层延迟、地表起伏、净空环境和其他信号干扰等影响，造成地表部分区域存在信号盲区或者导航定位信号无法有效使用的情况，且定位精度在米级以上，不能满足高精度定位、形变监测和自然资源行业生产需求，通过构建区域北斗地基增强系统，提供高精度位置服务[1-3]，满足对高精度定位的公共和商业服务需求.

传统的区域北斗地基增强系统建设依托原有的连续运行参考站 (CORS)资源，提供的相关位置服务存在并发数量小、数据安全防护隐患、无法有效地实现系统运行维护、管理、服务和成果共享. 通过构建省级北斗地基增强系统位置服务平台，研究“虚拟格网技术”和“大规模并发用户的位置服务响应技术”，解决上述存在的问题，对位置服务平台拓展行业应用，奠定可靠的基础.

1 关键技术

1.1 虚拟格网技术

在一定区域内，星历误差、大气延迟误差和卫星钟差等误差具有较好的空间相关性，这些误差对该区域内接收机的影响大致相同，因此定位结果在该区域内具有相关性[4-5]. 虚拟格网技术即利用了上述这种相关性，通过对区域北斗地基增强系统覆盖范围内，按照一定的格网大小进行划分，利用基准站的实时观测数据以及基准站的坐标生成格网中心点的虚拟观测值，构建基于虚拟观测值的差分格网，通过位置服务平台进行差分数据播发和服务.

本文采用双差模式建立格网中心点的虚拟观测值，选择参考卫星ref，则虚拟观测值计算公式为：

式中： Δ 为单差因子； Δ ∇ 为双插因子；s为卫星标识；A为测站标识；v为虚拟格网点标识；i为GNSS信号频率(i=1,2,3 ) ； λi为 对应频点的波长为伪距观测值；为载波相位观测值；为卫星与接收机间的几何距离；为电离层延迟误差；为对流层延迟误差.

移动终端设备根据概略位置坐标确定该设备所处格网点，并利用最近的格网中心点改正数据进行实时差分定位，获取所需的定位结果信息.

1.2 大规模并发用户的位置服务响应技术

通过研究位置服务信息安全技术、数据共享机制、设备负载均衡和弹性管理等技术，使得位置服务平台通过虚拟化技术整合位置服务资源，形成一个对外提供综合资源的池化管理器，通过位置服务平台，响应大规模并发用户的位置服务访问需求.

1) 位置服务信息安全技术

位置服务信息安全技术对基准站数据传输、国际GNSS服务(IGS)精密数据下载、数据处理部分，按照安全防护技术路线执行，配备单向光闸等硬件设备，安装数据规约和内容审计软件，按照网络安全相关要求部署网络等级保护系统[6-7]. 基准站通过2 M MSTP或SDH广域专线网络将实时载波相位和伪距等观测数据经过单向光闸传输至系统控制中心，利用计算服务器资源、网络实时动态(RTK)解算软件和格网生成软件，产生一定间距的格网化差分改正数，经过合规软件审核后，分别通过数据播发交换子网和数据播发服务子网，利用位置服务平台软件实现用户管理和差分改正数的播发等功能. 移动终端在接入系统服务时，将其概略位置上传至位置服务平台，通过位置服务平台转发，获得对应最近格网点的差分改正数. 在上述工作流程中，基准站实时数据流、相应坐标文件的导入、数据计算和格网差分数生成都是按照一个方向传输，上述部分没有双向通信，保证了基准站核心数据的安全. 图1为位置服务信息安全技术路线.

图1 位置服务信息安全技术路线图

2) 位置服务数据共享机制

针对系统提供的不同精度的卫星导航定位位置服务，建立基于差分数据格网的位置服务数据源共享机制，保障了基准站实时数据流的安全，增强了系统位置服务平台拓宽应用能力. 按照所选定的区域面积和定位精度需求，指定的格网间距为8 km×8 km，格网点数达到2 264个. 图2利用NTRIP协议，向网络RTK计算软件请求数据，保证每个格网点上均有差分数据获取，利用电子标签将所有格网点上的数据进行融合生成一条实时数据流，以格网的形式，利用格网差分系统与位置服务平台关联，通过SDK开发包或者API接口，实现位置服务数据的共享，建立基于差分改正数据的位置服务数据共享机制.

图2 虚拟格网点生成图

3) 负载均衡和弹性管理技术

负载均衡是对多台高性能的计算服务器组成一个服务器集，每台服务器可以单独对外或者联合其他服务器一起完成相应的数据计算任务. 通过动态负载分担技术，将来自外部的任务请求均匀分配到对称结构中的某一台服务器资源中，服务器独立地处理任务请求. 福建省北斗地基增强系统资源采用VMware软件的可用性解决方案，是一套基于虚拟化环境并由软件定义的高可用与灾难恢复解决方法，利用VMware vSphere对系统控制中心计算服务器资源进行整体虚拟化，实现计算资源调用、网络资源分配和服务数据传输的整体负载均衡功能.

2 系统架构

利用福建省北斗地基增强系统基础资源，位置系统服务平台采用SOA面向服务的设计结构，设计三层架构，包括基础设施层、平台运行层、应用服务层，图3为系统总体架构.

图3 系统架构图

基础设施层包括北斗基准站网、控制中心软硬件资源和网络通信链路系统等，提供卫星导航系统信号的采集、数据传输和存储，完成数据完好性和数据质量的预处理等工作.

平台运行层提供卫星观测载波和伪距数据所需软件的系统环境，对基准站实时数据流进行综合地自动化处理，形成事后精密定位、基准站稳定性分析(区域速度场模型构建)和位置服务差分数据成果[8].

应用服务层接收数据处理层提供的系统遥测数据、格网差分数据和其他系统预警评估信息数据等，构建位置服务平台，实现基准站运行维护、管理、服务和数据共享等功能，提供自然资源管理和公共服务领域应用.

3 平台功能

福建省北斗地基增强系统位置服务平台，根据实现功能划分，包括定位服务子系统、地图服务子系统、系统管理子系统、用户管理子系统、运行监控子系统和成果展示子系统. 系统功能划分如图4所示.

图4 系统功能划分图

其中定位服务子系统，依托福建省北斗地基增强系统，重点解决位置服务大规模差分服务能力，提供不同精度类型的差分数据，满足从厘米级到米级多层次的不同应用需求，更好地提升应用服务的质量及使用体验. 定位服务子系统包括核心计算软件、虚拟化计算资源和差分格网系统等.

地图服务子系统利用天地图服务，调取天地图的地图服务，并提供高性能的地图服务能力，以满足行业应用统计的需求，为高精度位置与导航提供权威、统一、规范的地理底图服务，实现基于地图服务的统计数据展示功能. 地图服务子系统包括地理底图服务、高性能地图服务.

系统管理子系统，为平台各子系统及应用系统提供基础服务. 基础服务子系统包括统一接入服务、身份认证服务和基准站管理等.

用户管理子系统提供平台业务相关管理功能，包括用户管理、终端管理和终端监控等功能，为管理员和用户提供业务管理的Web页面.

运行监控子系统主要负责对平台的运行状态进行监控，对系统各类硬件、服务性能、资源占用、完好性、连续性、可用性等进行综合监测与评估，统计各类服务状况，实现系统故障的实时监测，为系统故障快速恢复提供技术依据，为系统运维质量评价提供管理依据，确保系统能够长期、可靠、稳定和自主运行.

成果展示子系统是基于位置服务平台的实时监控和服务数据，综合展示平台的运行维护和公共服务的相关成果，实现系统的高效管理、用户服务和成果展示.

4 平台实现

4.1 平台运行

福建省北斗地基增强系统位置服务平台实现系统运行维护、位置服务分发、成果展示和数据共享等功能，提供了从厘米级到米级的位置差分服务. 图5为平台运行图.

图5 平台运行图

监控中心：监控系统运行情况，包括北斗基准站状态、统计服务终端接入数量、差分服务数据使用情况、位置服务用户地域分布、超授权范围使用和时段使用情况等，具体如图6所示.

图6 监控中心图

位置服务使用频率统计图: 统计厘米级位置服务使用频率和地域分布，按照终端作业次数，以格网的方式进行统计绘制，绘制出全省范围内厘米级位置服务日均和年度频率的统计图，如图7～8所示. 经过统计可以得出，福建省沿海地区、武夷山新区、龙岩市区、漳州市市区和三明市区范围内位置服务使用频率较高，下一步将优先保障上述基准站的持续稳定运行，优化该区域的基准站分布和调整基准站网密度.

图7 位置服务使用频率图-日均

4.2 位置服务测试

1) 精度测试

测试内容和方法：为了验证系统位置服务平台提供实时位置服务定位精度性能，在全省范围内选取系统覆盖范围及周边15 km内的已有控制点及作业困难地方，选取全省范围内均匀分布的21个A/B级点，利用GNSS移动采集终端以厘米级实时位置服务为例，开展实时定位精度测试工作.

图8 位置服务使用频率图-年度

厘米级实时测量精度测试采用RTK仪器进行5次连接和初始化，测试采样率为1 s，得到固定解(Fixed)即开始记录测量结果，连续记录50个测量值并同时记录网络连接时间和获得初始固定解的时间，作为一组测试数据，然后网络断开2 min后，重新连接并记录另外50个测量值，同样的方法进行5次测试. 测试过程中可以选择以上厘米级格网差分源节点，进行实时外业数据采集[9-10].

测试结果：系统测试的内、外符合精度(标准差)均匀分布，21个测试点厘米级位置服务均满足设计要求(外符合平面≤5.0 cm、高程≤10.0 cm)，如图9～10所示.

图9 测试点厘米级位置服务内符合精度统计图

图10 测试点厘米级位置服务外符合精度统计图

2) 实时并发数测试

利用DiocpNtripClient软件模拟10 000个终端请求差分服务，终端模拟位置随机分布，统计每个模拟终端获取数据的延迟情况和差分数据转发情况. 测试结果表明：终端连接速度平均值小于138 ms，最大值为152 ms，测试实际并发数量为11 999个，图11～12，满足大规模并发服务的需求.

图11 实时并发模拟接入图

图12 实时并发模拟登陆界面图

5 结束语

本文研究位置服务关键技术，构建了福建省北斗地基增强系统位置服务平台，解决了传统提供实时定位服务并发量小、无法保证基准站数据安全、无法进行有效地数据共享和服务扩容等问题，实现了系统运维、管理、服务和数据共享一体化的解决方案，提升了系统对外服务和应用的能力，实现了自动化和精细化的管理，为下一步位置服务在自然资源业务深度融合和提供社会化应用奠定基础.