面向沙吴高速公路的北斗高精度地基增强网应用研究

韦乐香

(广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

北斗卫星导航系统(简称北斗系统)是我国加快建设交通强国，发展数字交通的重要基础，也是国家新基建战略的主要支撑点。进一步加强北斗系统在高速公路领域的应用推广，提升高速公路的数字化发展，满足数字施工应用、灾害预警、车路协同等丰富场景应用，实现智慧高速公路建设、运管和养护，是智慧高速公路发展的重要基础。

北斗高精度地基增强网提供的地基增强服务是北斗卫星导航系统对外提供的主要服务之一[1]，是我国发展数字化施工应用、安全应急管理与救援、车路协同网联驾驶等多场景应用的重要基础设施。基于北斗高精度地基增强网系统，智能施工机械可接收北斗增强信号，通过北斗高精度终端、倾角传感器、压力传感器等设备集成应用，实现高速公路建设数字化施工，达到全方位、立体化、多层次的精细化监管，及时发现和纠正施工现场中存在的突出问题，确保施工全过程处于受控状态，从而达到对高速公路建设施工过程高效率、高质量的管理。在高速公路车路协同系统中，基于北斗高精度地基增强网系统，保证行驶车辆可实时获取精确位置，通过与高精度地图进行匹配，为车路协同系统提供判断支撑。

1 系统方案

南宁沙吴高速公路是广西交通强国试点和广西交通运输科技示范工程、智慧交通一体化示范项目，主要包括北斗高精度增强网工程、全生命周期高精度多模态空间数据工程、车路协同数据互联与云管控平台工程、数字化施工示范应用等工程的建设，是定位为广西首条面向车路协同应用的智慧高速公路。

基于沙吴高速公路数字化施工和车路协同系统对北斗高精度信号的需求，需要建设一套覆盖全路段的卫星导航连续运行基准站(CORS)网络以及区域高精度数据解算、处理和播发服务平台，实现高稳定、高可靠、高连续、可扩展的业务化运行，并提供多样性的高精度信号服务。

北斗高精度地基增强网主要由北斗增强站、通信网络系统、数据处理系统及播发系统和北斗增强服务信息管控及监测平台等组成，为用户提供广域增强数据产品、区域增强数据产品、后处理高精度数据产品服务[2]。

北斗高精度增强网工程总体布局如图1所示。

图1 北斗高精度地基增强网总体布局图

2 建设内容

2.1 北斗增强站

沙吴高速公路的北斗增强站系统由均匀分布的6个高等级卫星导航基准站组成，每个基准站的观测数据和传输网络相对独立，形成覆盖全路段的连续运行基准站网络。本次基准站网络采用多冗余设计，6个基准站的工作模式可以保证在任意两个基准站出现故障时仍能正常提供高精度定位服务，且完全覆盖项目公路，保证良好网型。为满足国家测绘数据保密要求，同步建设基准站网络信息接收处理系统，对导航卫星原始观测信息进行接收处理、信息存储和数据加密。

结合沙吴智慧高速公路的场景应用和功能需求，以沙吴高速公路为核心，分别在沙井收费站生活区、那洋互通匝道绿地、玉洞收费站生活区、扶绥服务区(南)东南角绿地、江西镇江西中学楼顶、明阳工业园建设6座北斗地基增强基准站(表1)。

表1 北斗地基增强基准站分布表

6座北斗地基增强基准站采用BDS/GPS/GLONASS三星八频GNSS模块，支持单北斗定位及GNSS联合定位。基准站采用基于Linux系统设计的专业网络基准站接收机，与数据中心服务器操作系统一致，以保证系统安全可靠。

基准站网采取VRS技术组网时，基准站采用Delaunay三角网络布局均匀分布于沙吴高速公路周边进行组网服务(图2)，其中最长边为27.6 km，最短边为10 km，平均边长为18.5 km。在设计的组网网型下，任意一个基站出现故障时，其余站点均可自动组成相对稳定的网络进行服务，保证服务的稳定性。经过现场实测，在该网型下，单一站点出现故障时，不会对整个区域的高精度信号服务质量产生重大影响。

图2 沙吴高速公路北斗CORS站分布图

基准站网采取带状格网处理算法服务时，6个基站可提供针对沙吴高速公路沿线全覆盖的精细化格网增强服务。基于车路协同系统的要求，格网服务可提供实时厘米级定位精度，在200 ms以内完成数据解算并生成差分改正数据播发至用户端。在设计的格网模型中，分别计算不同格网大小所对应的计算时间，数据如表2所示。

表2 基站格网对应计算时间数据表

在充分考虑服务精度、计算能力等因素下，认为3 km大小的格网节点具备最佳的可操作性。如图3所示为沙吴高速公路在3 km格网下的覆盖情况。由图3可见，整条沙吴高速公路被15个格网完全覆盖。

图3 沙吴高速公路高精度卫星定位信号格网分布图

为了保证数据实时、稳定、安全地进行传输，SHAJ和NYHT位于沙吴高速公路两端沿线，属于道路主干光纤覆盖范围，因此两地使用沙吴高速公路主干光纤专网进行数据通信。YDSF、FSUI、JXZX、MYGY通过租用的20 M通信运营商专网与数据中心连接，基准站端接入速率≥2 Mbps，数据中心端接入速率≥10 Mbps。数据中心通过200 M的运营商专线连接互联网，提供实时定位服务及静态数据下载服务，网络系统的网络协议采用TCP/IP协议，差分数据服务采用ntrip协议。

6个站点分别利用主干光纤网或运营商专网，保证网络稳定性和独立性，将基准站观测数据传至数据中心进行解算和播发。数据中心部署至沙吴高速公路数据中心机房，通过运营商公网进行数据播发。

2.2 北斗卫星导航综合增强信息处理系统

北斗卫星导航综合增强信息处理系统主要包括面向数字化施工的虚拟参考站(VRS)处理算法，以及面向车路协同系统的带状格网处理算法，生成区域厘米级至毫米级精度增强信息，形成针对各类终端提供辅助定位信息的服务。

卫星导航基准站网络通过6个北斗地基增强站进行数据采集，实时地将卫星原始观测数据与RTCM数据通过公路主干光纤或运营商专线传输至数据中心，数据中心对各基准站采集并传输过来的数据进行质量分析和评价，对某些数据(如导航)进行多站数据综合、分流，形成统一格式的差分改正数据。数据中心输出的数据有：

(1)RTCM V2.1/V2.3/V3.1/V3.2伪距差分修正信息：服务于米级定位导航的用户。

(2)RTCM V2.1/V2.3/V3.1/V3.2相位差分修正信息：服务于厘米级、分米级定位的用户。

(3)带状格网化差分改正信息：服务于沙吴高速公路车路协同网联驾驶用户。

(4)RINEX V2.1/V3.02原始观测数据：服务于事后毫米级定位的用户。

经过数据处理后，系统通过运营商网络进行数据播发，为数字化施工、车路协同网联驾驶提供相应的定位服务。

2.3 北斗增强服务性能监测系统

为实时监测系统的状态，需要将卫星导航基准站同时作为固定监测站使用，并建设流动监测站、检测站以及观测数据处理平台，形成卫星导航与增强系统服务性能、路侧卫星导航频段电磁环境等的监测系统，按需生成卫星导航及增强服务完好性信息。北斗增强服务性能监测系统的监测内容主要包括以下5个方面：

(1)基准站状态监测。

(2)卫星状态监测。

(3)导航电文信息监测。

(4)地面电磁环境与服务质量评估。

(5)信号服务质量评估与预警。

2.4 高精度位置综合信息安全服务管理系统

依据国家关于高精度导航与位置服务的政策，需要对高精度用户实行授权分级管理，高精度用户接入需要进行注册和应用管理控制，监督和管理用户使用范围等，确保沙吴高速公路北斗高精度信号应用的安全。

3 系统在沙吴高速公路的应用

3.1 工程测量

基于VRS和RTK技术的高精度、范围广、无累计误差等特点，北斗高精度服务可为沙吴高速公路建设时期的测量施工放样、路基测量等工程测量提供高精度差分改正数，提高工程测量的准确性和可靠性。

3.2 数字化施工

通过为工程机械提供北斗高精度定位信号，实现智能施工机械的高精度定位，在工程机械的施工引导中，准确提供施工所需的实时精确位置和姿态信息，从而实现施工工艺的数字化管理和控制。

3.3 车路协同网联驾驶

为智能网联驾驶车辆提供高可靠、低时延、高精度差分信号，车辆通过获取差分信号，获得实时厘米级的定位精度[3]，车载系统将自身精确位置与高精度地图进行匹配，精确判断所在的行驶车道，从而实现对车辆的精确定位。

4 结语

通过融合北斗卫星导航系统、车路协同系统以及边缘计算系统，使得北斗高精度地基增强网能够为沙吴高速公路的各类用户提供精确定位、实时定位和移动目标导航等空间位置信息保障服务，建立数字化、智能化、社会化的高速公路位置服务系统。未来随着国家新基建战略的推进，在交通运输领域将逐步构建更多基于北斗的应用场景和产业生态，让北斗系统高精度导航与位置服务在智慧高速公路行业中发挥更多的作用[4]。