基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺設計及其應用

劉宇宏，陳 龍，王亞鳴

（上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

隨著中國北斗衛星導航系統區域組網的完成，北斗衛星導航系統的應用已經展開了。目前初步建成的北斗區域導航系統標準定位精度25m，2020年建成的北斗全球導航系統精度有望達到10m，難以滿足精密測繪、地殼和大型構筑物形變以及地質災害監測等專業領域和航空導航、汽車導航、個人定位等大眾應用領域對高精度位置信息的需求。因此，須用地面精度增強方式提高終端的定位精度。連續運行參考站系統（CORS）作為可行、可靠的面定位增強模式，借助網絡差分等多種增強技術，能為終端設備提供米級至厘米級的實時增強服務，是高精度導航定位的有效解決方案［1］。此外，北斗衛星導航系統在國民經濟生活中作用與地位的日益顯著，在戰時北斗系統也會成為敵方攻擊的主要目標，一旦遭受毀傷，就會使依賴于它的載體陷入癱瘓狀態。此時，借助于地面CORS系統彌補衛星導航的不足，保障各類載體導航定位的精度，也將成為新型CORS系統中不可忽視的內容。為此，本文對建設基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺進行了研究。

1 平臺總體設計

1.1 基本結構

基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺主要包括CORS參考站網絡、控制與數據中心和通信鏈路三個主要部分。其基本結構如圖1所示［2］。

圖1 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺組成Fig.1 Basic structure of Beidou-CORS

所有CORS參考站組成一個互連的網絡，每個參考站實時接收導航衛星定位數據，處理后通過網絡將數據傳送回控制與數據中心，并由控制與數據中心用多個參考站進行聯合解算，求得差分信息，通過無線通信網絡播發給用戶。控制與數據中心還完成對參考站網絡進行全面的監測、控制和管理。

1.2 通信鏈路

參考站與控制與數據中心間通過有線網絡實現通信，可考慮電信部門提供的SDH，DDN，VPN，ADSL等數據專線服務。移動用戶與控制與數據中心間通過公共移動通信網 GPRS，CDMA，3G，WLAN等技術，可適應不同用戶對速率的不同需求。事后用戶和系統內部用戶通過Internet網絡訪問。控制與數據中心內部通過配置千兆局域網絡進行數據交互與傳輸。比較和分析通過不同通信方式，設計的內外數據流接口和通信方式見表1。

網絡通信安全是整個平臺可靠性的保障，外部用戶或系統通過防火墻訪問平臺，并采用網絡層加密設備實現端至端的加密。此外，控制與數據中心還預留了多種接口，以適應通信方式的擴展需要［3－4］。

1.3 服務模式

基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺的一個主要特色是提供了豐富的服務模式，即包括實時網絡RTK、實時網絡RTD、實時動態定位、事后靜態定位、中心實時位置解算服務、網絡RTK事后精密定位、自主導航電文播發服務等多種服務。不同服務模式對應于不同的服務精度和服務對象，因此需設計開發不同的解算軟件或修改現有解算軟件，分別建立相應的流程控制模型、數據處理模型和數據管理模型，解決服務資源的調度、服務流程控制和服務數據管理等。

表1 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺內外數據流接口和通信方式Tab.1 Data stream interface and communication mode of Beidou-CORS

多種服務模式下平臺工作流程如圖2所示。用戶、服務網關、參考站、控制與數據中心共同完成用戶的服務請求。

圖2 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺工作流程Fig.2 Flowchart of Beidou-CORS

當用戶發出服務請求后，由服務網關接收用戶服務請求，并從控制與數據中心調入用戶信息，判別用戶服務權限。對授權用戶，服務網關將其服務請求發送至控制與數據中心，實施具體的服務。控制與數據中心實時接收參考站采集到的實時導航信號原始觀測值，并根據用戶請求的服務模式，啟動相應的服務流程并生成服務信息。最終由控制與數據中心將服務信息發送至用戶。各種服務模式見表2。

2 平臺關鍵部分建設

2.1 參考站

參考站作為Beidou-CORS平臺的重要組成部分，盡可能設計為無人值守型。參考站跟蹤視野內所有衛星，自主完成導航衛星數據的接收、采集、處理、存儲、傳輸和自動監測報警，以及遠程控制與管理等功能。其中：導航衛星數據的接收、采集、處理、存儲和傳輸是參考站必備的功能，自動監測報警和遠程控制與管理可根據系統建設的要求和實際選擇。

參考站建設中需設計參考站的分布、選址、結構和數據完好性監測等［5］。參考站相鄰站間的距離不宜太遠。緯度越低的地區，電離層也越活躍，模型化殘差也越大。多路徑誤差是CORS定位測量中最嚴重的誤差，取決于天線周圍的環境。多徑誤差一般為5cm，高反射環境中可達19cm。目前，很難區分多徑誤差和天線相位中心的變化，故參考站選點時需削弱多徑誤差。

參考站主要由室外設備和室內設備兩部分構成，如圖3所示［8］。室外設備一般包括天線基體（即天線墩）、天線固定裝置、導航接收機天線、導航信號發射天線和防雷設備，主要功能是接收導航衛星數據和在戰時發射北斗導航衛星模擬信號，同時保護參考站設備。室內設備主要包括多模導航接收機、電涌保護器、UPS電源、網絡設備和機柜等，主要功能是進行室外接收到的導航數據的處理、存儲和向數據中心的傳輸。

選擇參考站接收機時，因單頻接收機性能有限，不適于多功能用途的基準站，故常首選雙頻接收機。目前，參考站接收機采用CORS基準站專用GNSS雙頻多模接收機。

表2 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺服務模式Tab.2 Service mode of Beidou-CORS

圖3 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺參考站組成Fig.3 CORS’configuration of Beidou-CORS

2.2 控制與數據中心

控制與數據中心是整北斗導航CORS綜合服務平臺的核心，主要由內部網絡、數據處理軟件、用戶監控軟件、數據庫、服務器等組成，對參考站提供的數據進行存儲、分析、分流、同步、解算、生成等處理，并根據用戶提出的服務請求進行數據融合或信息集成；對參考站和中心的運行狀態和情況進行監測、控制和管理；對內外數據傳輸網絡進行配置和管理；對注冊用戶進行管理、分析和挖掘；通過網絡發布或通信鏈路傳輸向用戶提供相應的服務信息［6］。

控制與數據中心的組成如圖4所示，分為基礎設施層、數據資源層、數據處理層、應用業務層和服務渠道層。

a）基礎設施層利用北斗／GNSS、CORS、公共電信網、物聯網等進行數據采集和過濾篩選，并將采集的數據送入數據資源層的基礎數據庫內存儲。

b）數據資源層和數據處理層制定統一標準和數據格式，分類建立各類數據庫，并處理與交換數據。進行高精度定位數據計算與數據挖掘，為支撐上層應用的各類應用軟件和支撐軟件，實現資源共享和協同操作。

c）應用業務層和應用渠道層提供位置服務、通信服務、授時服務等關鍵應用服務系統，通過網絡服務、現場服務、用戶電話呼叫中心等服務方式構建全面的服務渠道。

2.3 數據處理算法及軟件

數據處理算法軟件是整個平臺有效運行的保障，直接影響平臺服務的性能。平臺的主要算法軟件包括參考站的數據處理算法與管理軟件、數據與控制中心的數據處理算法與管理軟件、網絡管理軟件和用戶應用終端數據處理軟件等，各類種軟件功能見表3［7－8］。

參考站數據處理算法在接收并處理導航衛星信號時，需考慮導航信號兼容捕獲算法軟件對多個衛星導航系統的兼容性，因此捕獲算法中須能支持信號特性：BPSK，QPSK，BOC等基本信號調制方式；1.023～10.23Mc／s等多種偽碼速率；不同偽碼周期（511和1 023整數倍）。

圖4 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺控制與數據中心組成Fig.4 Control and data center configuration of Beidou-CORS

表3 基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺各類算法軟件Tab.3 Algorithms and software of Beidou-CORS

由于參考站和流動站得到的觀測值表現為幾何距離以及多種系統誤差之和，當僅考慮電離層延遲和對流層延遲誤差，忽略其他系統誤差影響時，則可建立參考站A（固定參考站網絡中距離流動站最近的一個參考站）與虛擬參考站V間的觀測方程。觀測方程分別在相同衛星對間求一次差，由此可得虛擬觀測站觀測值的單差觀測值

式中：λ為載波相位波長；φ為載波相位觀測值；ρ為站星間幾何距離；I為電離層延遲；T為對流層偏差；O為衛星軌道偏差；M為多路徑效應誤差；ε為接收機噪聲；上標i，j表示衛星標號，下標A，V分別表示真實及虛擬參考站；Δ，Δ▽分別為單差及雙差因子。

可見，虛擬參考站的觀測值實際上包括參考站A載波相位觀測值、幾何配置和空間相關改正數，其中僅第三項空間相關誤差項為未知值，需通過建立適當的誤差計算模型進行估計。因此，實現高質量虛擬參考站觀測值的核心是精確計算空間相關改正數。因虛擬參考站與用戶流動站距離較近，其距離相關的系統誤差殘差近似相等，由建立雙差觀測方程，電離層延遲、對流層延遲和軌道誤差等與距離相關的誤差得到消除或較大的削弱，其動態定位的精度可達厘米級，且其初始化時間將明顯減少。

實時網絡RTK模式下的數據處理算法應用流程如圖5所示。

空間相關誤差主要由電離層延遲誤差、對流層延遲誤差和衛星軌道誤差組成。因參考站坐標精確已知，求得參考站間的基線整周模糊度后，可準確估計參考站間實時的對流層和電離層延遲等距離相關誤差影響，并建立區域誤差內插模型，生成網絡改正數發送給流動站用戶［9］。因此，整周模糊度的實時正確解算是用戶實現精密定位的前提。

誤差改正數解算軟件將所有參考站基于距離相關的偏差利用內插的方法改正到虛擬參考站上。由于虛擬觀測數據是基于參考站網絡生成的，其各項空間相關誤差分布較均勻，故在用于流動站進行定位解算時，由差分能較好地消除相關誤差項，進而獲得高精度的定位結果［10］。

3 平臺示范應用

3.1 面向上海的平臺

圖5 實時網絡RTK模式下數據處理算法應用流程Fig.5 Data processing flowchart of RTK mode

上海作為全球重要的經濟、貿易和航運中心以及特大移民城市，對北斗衛星導航系統的應用的需求迫切而獨特。面向上海的北斗連續運行衛星定位綜合服務平臺建成后，可用于上海城市基礎測繪、國土資源調查管理、市政工程建設管理、智能交通管理與控制、車載導航和精細農業等多個應用領域，成為上海智慧城市建設的重要基礎設施，同時促進北斗衛星系統成果應用產業化和規模化，具有廣闊的社會效益和市場應用前景。

面向上海市的北斗連續運行衛星定位綜合服務平臺應用示范建設可分試驗驗證、區域完善和全面推廣三個階段分步實施。目前進行的試驗驗證階段將在上海市區內建成實驗性參考站3～5個和控制與數據中心1個，初步形成覆蓋上海市區的高精度北斗（兼容GPS）導航增強服務和增值服務，驗證平臺性能和軟硬件功能。區域完善階將段建成參考站10～15個，形成覆蓋整個華東地區的北斗高精度地面增強網絡，建設大型基于云計算的位置及服務數據中心，并成為國家位置數據中心的異地備份中心。全面推廣階段將建設面向更廣區域和更多行業的商用北斗導航地面增強網和應用服務體系。

上海地區主要處于中低緯度，設計的參考站間的距離以40km左右為較合適。覆蓋全市95%以上地區的參考站15個網分布如圖6所示。其中最長基線60km，最短基線20km。

圖6 面向上海市的北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺參考站網絡分布Fig.6 CORS network distribution of Shanghai Beidou-CORS

建立一個系統控制與數據中心，地點選在上海市內。中心由高性能服務器6臺、磁盤陣列柜1臺及光纖通道設備組成，采用SAN和雙機熱備技術，保障服務業務和監控調度平臺的正常運行。所有參考站的數據傳輸至陣列中進行讀取和存儲，極大地保護了數據的安全性和保密性。中心不僅可實現室外高精度定位功能，并且采用數據融合和無線通信技術，向用戶提供基于位置的氣象、醫療、交通、商業和其他感興趣的信息等增值服務，用戶能隨時了解其所處的位置，并可延伸到周圍感興趣的場所或其他移動物體的位置信息等。

3.2 面向未來的平臺應用設想

在未來3～5年內，室內定位技術將會有長足的發展。屆時，可借助于北斗導航CORS綜合服務平臺的高精度室外定位能力和成熟的室內定位技術與產品，進一步實現室內外定位的無縫銜接等功能。

低軌小衛星中繼星及其組網是實現導航與通信的一體化和進一步發展天基北斗CORS增強系統的基礎，借助于低軌小衛星網的數據轉發和通信能力，播發地面CORS網絡系統產生的增強信號，形成一個天基增強與地基增強相結合、導航與通信相結合的天地一體的綜合型服務平臺，從而可面向全國以及全球為更廣大的用戶提供服務。基于位置的天地一體化信息綜合服務框架如圖7所示。

圖7 基于位置的天地一體化信息綜合服務框架Fig.7 Location based space and ground information integration service

4 結束語

本文介紹了一種基于北斗的連續運行衛星定位綜合服務平臺。與以往的地面增強系統相比，該平臺的集成度高、工作模式豐富、兼容性強、擴展性好，其設計集導航衛星原始數據的接收與處理、導航增強信號的生成與發布，以及基于位置的多源信息融合等于一體，可形成數據采集、存儲、處理、傳輸和應用的完整產業鏈。面向不同的用戶需求，提供實時網絡RTK、實時網絡RTD、區域增強PPP、中心實時位置解算、網絡RTK事后精密定位和自主導航電文播發等多種服務模式。在滿足北斗導航衛星地面高精度增強的同時，兼容GPS；在滿足地面區域增強的同時，面向未來，可與天基增強系統結合，形成基于位置的天地一體化信息綜合服務體系，有廣闊的應用前景。

［1］ 張 婷，栗 靖，朱大為，等.CORS系統的應用現狀及建立的必要性［J］.現代導航，2012（4）：268-271.

［2］ 黃兵杰，陳世財，王厚之，等.“拓展型”CORS建設的關鍵技術研究［J］.城市勘測，2011（2）：57-60.

［3］ LIU S T.Network communication between CORS base station and control center：2010International Conference on Computer Design and Applications［C］.2011：565-568.

［4］ 劉文建，黃聲享，林 劍.CORS系統組網方案探討［J］.測繪信息與工程，2006，31（2）：44-46.

［5］ 黃俊華，陳文森.連續運行衛星定位綜合服務系統建設與應用［M］.北京：科學出版社，2009.

［6］ 安艷輝，史照良.全球衛星導航定位連續運行參考站網的技術探討［J］.現代測繪，2006，29（6）：3-6.

［7］ 楊 聰.GPS虛擬參考站算法研究及軟件開發［D］.北京：清華大學，2009.

［8］ 王解先，陳俊平.GPS精密定位軟件研制與應用［J］.同濟大學學報（自然科學版），2011，39（5）：764-767.

［9］ ODIJK D，TEUNISSEN P J G.Improving the speeding up CORS network RTK ambiguity resolution：Proc XXIVFIG International Congress 2010［C］.Sydney：2011.

［10］ HU G R，KHOO H S，GOH P C，etal.Development and assessment of GPS virtual reference stations for RTK positioning［J］.Journal of Geodesy，2003，77：292-302.