基于北斗的衛星導航定位服務系統升級探索

劉 建，李 勝，劉邢巍，吳 寒

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121；2.重慶市地理空間信息工程技術研究中心，重慶 401121）

基于北斗的衛星導航定位服務系統升級探索

劉 建1，李 勝1，劉邢巍2，吳 寒2

（1.重慶市地理信息中心，重慶 401121；2.重慶市地理空間信息工程技術研究中心，重慶 401121）

選取重慶市5個基準站開展了基于北斗的衛星導航定位服務系統升級改造，融合了BDS﹑GPS﹑GLONASS多星多頻數據，提高了定位精度；同時，用戶公共觀測衛星數量明顯提升，縮短了用戶初始化時間，提高了作業效率，提升了重慶市現代測繪基準體系信息化應用服務水平，為下一步全市全面開展北斗衛星導航定位服務系統改造升級提供了經驗。測試結果表明，改造后的系統可有效解決山地城市局部地區衛星定位困難的問題，改造后的三星網絡RTK平面精度為3 cm，空間三維坐標精度優于5 cm，RTK的精度水平﹑全天可用性和可靠性均能滿足工程測繪技術要求。

GNSS；CORS；衛星導航定位服務系統；北斗

重慶市全球導航衛星系統（CQGNSS）在十一五﹑十二五期間不斷建設與完善，2012年建成了由35個全球導航衛星系統（GNSS）基準站組成的框架基準，作為重慶市現代測繪基準體系的重要組成部分，已為城鄉規劃建設﹑城鄉測繪﹑國土資源調查﹑氣象監測﹑精密變形監測﹑地理調查等提供了連續的空間基準與導航定位服務，滿足了城鄉經濟社會發展對地理空間信息社會化應用的需求。隨著新技術﹑新方法﹑新手段以及新儀器設備的出現，加之重慶市屬于典型的山地城市，建成區內高樓林立﹑建筑密集，原有雙星/單星基準站覆蓋區域流動站存在衛星觀測數目少﹑定位慢的問題，且原有CORS系統允許用戶同時登錄的數量僅為100個，遠遠無法滿足實際需求。

利用中國北斗衛星導航系統（BDS）對亞太地區正式提供服務的契機，研究建立山地城市測繪基準的理論體系﹑技術方案和實現方法，解決重慶市現代測繪基準建立﹑維持和應用服務過程中所涉及的精確性﹑統一性﹑用戶限制﹑信息化綜合服務等難題，促進國家測繪基準維持和更新的現代化以及我國新一代CGCS2000坐標系的推廣應用具有現實意義。本文僅選取5個基準站開展基于北斗的衛星導航定位服務系統改造升級探索，為下一步全市全面開展北斗衛星導航定位服務系統改造升級尋求經驗。

1 國內外研究現狀

自2003年北斗衛星導航試驗系統建設以來[1-3]，目前已覆蓋亞太地區。在北斗區域衛星導航系統建設過程中，其衛星鐘性能﹑測距碼性能﹑定位精度和可靠性等指標也得到了逐步驗證[4]。尤其是從近期的導航定位實踐中可知，BDS的定位﹑導航和授時（PNT）服務性能均已基本達到或超過設計性能指標[5-7]。四川﹑湖南﹑黑龍江等國內其他省份的相關學者在BDS與GPS﹑GLONASS的融合﹑兼容﹑互操作性上做了大量的實踐探索，并分析和驗證了可行性[8-11]。開展基于北斗的衛星導航定位服務系統改造升級，旨在應用我國BDS和自主知識產權的相關軟硬件，以擺脫對美國GPS等國外衛星導航系統及相關軟硬件的依賴。

2 升級改造過程

2.1 基準站升級改造

CQGNSS基準站原有的GNSS天線一部分能接收多星座衛星信號，一部分只能接收單星座衛星信號；一部分GNSS接收機僅能接收單星數據，一部分接收機僅能接收雙星數據。因此，需對部分基準站進行改造升級，尤其是單星接收機，需更換多星天線和多星設備，在原有能支持北斗信號的GNSS天線和接收機之間加設信號分發器，加裝北斗接收機與原有系統并置運行，結構如圖1所示。

圖1 基準站升級改造結構圖

2.2 北斗高精度數據處理中心建設

數據處理中心是BDS的核心，由計算機網絡系統﹑軟件系統等組成，與各基準站之間依靠專網鏈接。北斗數據處理中心建立在原有CQGNSS控制中心局域網的基礎上，加裝了北斗服務器和軟件系統以實現系統核心功能。本次改造通過構建重慶市北斗衛星導航定位服務系統，實現共享站數據接入系統﹑北斗數據處理系統和用戶分發系統的研發。

2.3 數據網絡通信子系統

數據網絡是北斗衛星數據獲取傳輸的重要保障，通過數據網絡可實時獲取數據并分發給用戶。數據網絡是以太與光纖的組合網絡，控制中心主干網絡采用百兆以太網絡，基準站采用MPLS VPN光纖網絡鏈接控制中心。整個系統的網絡設計如圖2所示。

圖2 北斗導航衛星數據通信子系統網絡圖

整個系統分為VPN區域﹑控制中心﹑以太網區域和控制中心Internet接入區域。工作流程分為外網工作流程和內網工作流程：

1）外網工作流程。系統將數據發布服務器放在硬件防火墻的DMZ區（停火區）。外網除了具備一般的上網功能外，主要負責在各GPRS/CDMA/GSM用戶（一個或多個用戶）發出請求后，和外網發布服務器通過防火墻和內網核心交換機后，向數據處理服務器提取數據；GPRS/CDMA/GSM用戶就通過Internet（經過防火墻和外網路由器）直接發送。

2）內網工作流程。各北斗基準站通過衛星接收數據后，再通過VPN線路﹑路由器和內網核心交換機，將數據傳輸到主處理服務器上。數據處理工作站通過調用數據處理服務器里的數據進行數據處理﹑管理和存儲。數據處理工作站通過內網路由器對各基站的工作狀態進行實時監控和管理。

2.4 北斗導航定位數據實時處理子系統

北斗衛星導航定位數據實時處理子系統是BDS的核心部分，該系統在原有CQGNSS數據處理系統的基礎上，通過添加軟硬件設備，實現了北斗導航定位數據處理。通過對所接收的衛星導航數據進行處理，提供相應的導航數據和定位功能服務。數據處理功能主要包括：①以C/S模式實時接收各基準站數據，經同步處理后進行實時基線解算，計算區域電離層﹑對流層等實時延遲量和基線殘差等參數。②對電離層﹑對流層實時延遲量進行模型化處理，建立區域電離層﹑對流層模型；根據基準站數據﹑精密衛星鐘差估計基準站接收機鐘差參數。③根據用戶概略位置建立模型，采用殘差內插等方法計算改正數據，經編碼后以RTCM3.2格式播發給用戶使用。④利用基準站數據﹑精密軌道和鐘差等參數實時計算基準站精密坐標，并對基準站坐標進行監控。北斗衛星數據處理流程主要包括數據自動下載﹑數據預處理和質量評估﹑區域誤差模型建立﹑質量控制及評估﹑數據自動播發等，如圖3﹑4所示。

3 聯網測試與數據分析

對升級改造后的基準站網分別在GPS+GLONASS﹑BDS和GPS+GLONASS+BDS情況下的定位精度情況﹑系統的綜合指標﹑時間可用性﹑兼容性以及空間可用性進行測試。測試結果表明：

1）系統網絡RTK在整個覆蓋區域內精度穩定，在衛星觀測條件較好的情況下，與現有系統精度和初始化時間相當；在衛星觀測條件較差的情況下，使用北斗衛星可縮短定位初始化時間。

2）GPS+GLONASS系統下內符合精度：X方向為0.008 m，Y方向為0.016 m，Z方向為0.011 m；BDS系統下內符合精度：X方向為0.016 m，Y方向為0.028 m，Z方向為0.014 m；BDS+GPS+GLONASS系統下內符合精度：X方向為0.008 m，Y方向為0.016 m，Z方向為0.010 m。對內符合精度的統計表明，系統中的RTK定位精度達到設計指標要求。

3）GPS+GLONASS系統下外符合精度：X方向為0.011 m，Y方向為0.025 m，Z方向為0.015 m；BDS系統下外符合精度：X方向為0.021 m，Y方向為0.042 m，Z方向為0.018 m；BDS+GPS+GLONASS系統下外符合精度：X方向為0.019 m，Y方向為0.032 m，Z方向為0.024 m。對外符合精度的統計表明，系統性能可靠，可用于工程測繪。

4）網內初始化平均時間為15 s，網外初始化時間為25 s。在遮擋較為嚴重的地段，利用三星系統作業的初始化時間明顯小于原有雙星系統，初始化時間的縮短能大幅提高野外作業效率。

5）整個測試表明，系統網絡可有效解決山地城市局部地區衛星定位困難的問題，改造后的三星網絡RTK平面精度為3 cm，空間三維坐標精度優于5 cm；RTK的精度水平﹑全天可用性和可靠性均達到了設計指標要求。

圖3 基準站衛星信號圖

圖4 北斗基準站組網解算圖

4 結 語

選取重慶市5個基準站開展了基于北斗的衛星導航定位服務系統升級改造，升級后的CQGNSS融入了國內外最新研發的技術成果，可利用多星數據發揮導航定位服務作用。經過一系列的測試表明，各項技術指標均已達到設計要求，實現了BDS﹑GPS﹑GLONASS多星服務，可為用戶提供不同精度要求的實時差分導航定位和高精度動態定位，為下一步全市基準站改造升級打下了基礎。

[1] 楊元喜.北斗衛星導航系統的進展﹑貢獻與挑戰[J].測繪學報,2010,39(1):1-6

[2] 李霖,邢小雨,李國忠.北斗導航系統應用于測繪地理信息服務的標準化技術體系分析[J].測繪通報,2015(3):6-11

[3] 夏爽.基于北斗雙星定位的被動算法研究[D].武漢:華中科技大學,2006

[4] 張全德,張燕平.測繪基準體系建設的探討[J].測繪通報,2005(4):1-4

[5] 武軍酈,周建軍.構建GNSS連續運行站網實現測繪基準現代化[J].測繪通報,2008(10):46-48

[6] 羅靈軍,徐永書,夏定輝,等.重慶市連續運行衛星定位綜合服務系統(CQGISS)建設[J].測繪科學,2007(6):164-166

[7] 楊元喜,李金龍,王愛兵,等.北斗區域衛星導航系統基本導航定位性能初步評估[J].中國科學:地球科學,2014,44(1):72-81

[8] 吳寒,許超鈐,劉邢巍.基于CORS的現代測繪基準體系應用[J].全球定位系統,2016,41(3):89-92

[9] 陳俊勇,黨亞民,張鵬.建設我國現代化測繪基準體系的思考[J].測繪通報,2009(7):1-5

[10] 施立群,張旭東.基于NBCORS的寧波市現代測繪基準建設成果融合應用研究[J].城市勘測,2012(4):91-94

[11] 姚一飛,王浩,趙東發.北斗衛星導航定位系統綜述[J].科技致富向導,2011(5):10

[12] 施闖,趙齊樂,李敏,等.北斗衛星導航系統的精密定軌與定位研究[J].中國科學:地球科學,2012,42(6):854-861

P228.4

B

1672-4623（2017）09-0032-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.011

2017-02-20。

劉建，碩士研究生，主要從事遙感與地理信息系統應用研究。