兼容BDS的FZCORS升級(jí)改造方案探索

黃 磊

(福州市勘測(cè)院 福建福州 350001)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，并于2012年底正式提供導(dǎo)航定位服務(wù)。該系統(tǒng)完成后，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠性的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)并兼具短報(bào)文通信功能。

“北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)”是以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為主，兼容其他GNSS系統(tǒng)的地基增強(qiáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以解決國家在高精度定位領(lǐng)域的安全隱患，是開拓北斗精密定位應(yīng)用的必備設(shè)施，是提高北斗系統(tǒng)服務(wù)能力和競(jìng)爭的必要手段。

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，對(duì)已建的單星、雙星或者三星CORS系統(tǒng)的升級(jí)改造勢(shì)在必行，從而大大提高在城市等復(fù)雜區(qū)域的作業(yè)效率。

FZCORS自2011年建成并運(yùn)行以來，就為福州市測(cè)繪事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。為福州市基礎(chǔ)地理空間框架的管理和維護(hù)提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，本文擬探索“兼容BDSR FZCORS”升級(jí)改造方案。

1 FZCORS系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

FZCORS由9個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站組成，分別位于福州市軟件園、福清、閩清、連江、長樂、羅源、永泰、江陰、平潭。GNSS站點(diǎn)接收機(jī)、控制中心數(shù)據(jù)處理軟件均為拓普康，站間距最長為70km，最短為25km，平均站間距約為43km。該系統(tǒng)自2011年建成并運(yùn)行至今，在提高測(cè)繪作業(yè)效率和生產(chǎn)效益方面發(fā)揮了重大的作用，從根本上改變了傳統(tǒng)的作業(yè)模式，為福州城市測(cè)繪事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著GNSS技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)用戶群對(duì)測(cè)繪服務(wù)內(nèi)容需求的不斷提升，用戶規(guī)模的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有系統(tǒng)已不能充分滿足已有和潛在用戶的需要。

同時(shí)，為了改善系統(tǒng)的服務(wù)內(nèi)容和質(zhì)量，有必要對(duì)FZCORS現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，亟待改造、解決和完善的內(nèi)容主要有以下4個(gè)方面。

1.1 GNSS設(shè)備硬件升級(jí)改造

系統(tǒng)現(xiàn)有9個(gè)站點(diǎn)，站點(diǎn)接收機(jī)和天線主要由GPS&GLONASS雙星參考站接收機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，尚沒有支持北斗系統(tǒng)的三星或四星參考站點(diǎn)，有必要對(duì)FZCORS的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造為多星參考站接收機(jī)和多星扼流圈天線，實(shí)現(xiàn)支持北斗的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，以解決主城區(qū)高層建筑物多等帶來的衛(wèi)星遮擋問題，從而有效利用現(xiàn)有的三星系統(tǒng)資源，同時(shí)應(yīng)兼顧站點(diǎn)設(shè)備對(duì)歐洲Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)的兼容性。

1.2 控制中心數(shù)據(jù)處理軟件升級(jí)改造

在站點(diǎn)硬件升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，如果實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，還需要對(duì)控制中心的軟件進(jìn)行升級(jí)改造。由于現(xiàn)有FZCORS采用的TopNet軟件只能提供雙星網(wǎng)絡(luò)差分改正數(shù)，尚不具備三星網(wǎng)絡(luò)解算的能力。為了充分保障福州地區(qū)含北斗多星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力，必須升級(jí)FZCORS系統(tǒng)現(xiàn)用的網(wǎng)絡(luò)參考站軟件平臺(tái)，以具備多星網(wǎng)絡(luò)的解算和服務(wù)能力，為系統(tǒng)用戶提供真正意義上的區(qū)域性多星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，同時(shí)應(yīng)充分考慮改造后系統(tǒng)軟件對(duì)現(xiàn)有參考站點(diǎn)設(shè)備和系統(tǒng)用戶的良好兼容性。

1.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)

在福州地區(qū)多星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件升級(jí)改造的基礎(chǔ)上，F(xiàn)ZCORS系統(tǒng)將為用戶提供區(qū)域性的多星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)。在多星網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，用戶RTK外業(yè)測(cè)量時(shí)，在傳統(tǒng)房角、樹下等雙星系統(tǒng)作業(yè)相對(duì)困難的地區(qū)，支持多星系統(tǒng)(GPS & GLONASS & Beidou&Galileo)流動(dòng)站仍能進(jìn)行正常的測(cè)量作業(yè)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)將進(jìn)一步擴(kuò)展流動(dòng)站的作業(yè)區(qū)域可用性、空間可用性和時(shí)間可用性，大大提高流動(dòng)站的初始化時(shí)間，從而為系統(tǒng)注冊(cè)用戶提供更便捷、周到的服務(wù)。

1.4 用戶管理升級(jí)改造

(1)擴(kuò)展系統(tǒng)并發(fā)用戶容量：隨著GNSS定位服務(wù)在各行業(yè)應(yīng)用的不斷拓展和深入，F(xiàn)ZCORS系統(tǒng)用戶群呈縱深方向的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)不單要為用戶提供貼心、高品質(zhì)的數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)允許接入的并發(fā)用戶數(shù)量也提出了更高的要求，有必要對(duì)系統(tǒng)支持的并發(fā)用戶數(shù)進(jìn)一步擴(kuò)容。該升級(jí)改造，可通過增加或更換服務(wù)平臺(tái)的方式實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步提高對(duì)大批量用戶的管理能力，為FZCORS系統(tǒng)用戶的進(jìn)一步擴(kuò)容提供保障條件。

(2)用戶使用位置及記錄查詢服務(wù)：為了進(jìn)一步方便系統(tǒng)管理和用戶應(yīng)用FZCORS系統(tǒng)便捷性，同時(shí)充分利用現(xiàn)有的資源，可通過二次開發(fā)的方式，建立在數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理員及用戶可以查看用戶的使用記錄，如按使用周期、登錄次數(shù)等查詢用戶的使用情況。同時(shí)，將現(xiàn)有的地圖數(shù)據(jù)庫融入到FZCORS系統(tǒng)，用戶可通過在線地圖查詢所處位置周邊的參考站站點(diǎn)、控制點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)分布情況等信息。系統(tǒng)管理員也可實(shí)時(shí)在線查看用戶的使用位置，便于對(duì)用戶的使用情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

2 系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)施過程

在FZCORS本次北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)升級(jí)改造方案中，需要充分考慮現(xiàn)有系統(tǒng)、國家基準(zhǔn)站點(diǎn)、陸態(tài)網(wǎng)基準(zhǔn)站點(diǎn)及周邊城市乃至省級(jí)CORS系統(tǒng)的兼容性問題。

(1)系統(tǒng)控制中心采用具有良好兼容性的數(shù)據(jù)處理軟件，參考站點(diǎn)的接收機(jī)具有良好的兼容性，在系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)上充分利用現(xiàn)有的資源，避免系統(tǒng)建設(shè)過程中的重復(fù)投入。

(2)預(yù)留與福州周邊已有CORS系統(tǒng)的接口，通過控制中心間聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與周邊系統(tǒng)或國家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用TCP/IP、Ntrip等數(shù)據(jù)交換協(xié)議，保證與周邊系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換時(shí)的兼容性。

(3)系統(tǒng)升級(jí)改造的同時(shí)，按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)FZCORS的各個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)在新建基準(zhǔn)站選址上，在基準(zhǔn)站數(shù)量、站間距的設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮與周邊系統(tǒng)的共享和融合。

FZCORS系統(tǒng)升級(jí)改造方案的實(shí)施流程主要涉及控制中心的軟硬件升級(jí)和參考站設(shè)備升級(jí)兩大步驟，具體的實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 FZCORS系統(tǒng)升級(jí)改造流程示意圖

2.1 系統(tǒng)升級(jí)目標(biāo)和原則

FZCORS系統(tǒng)升級(jí)的目標(biāo)是：將使FZCORS系統(tǒng)由目前的只支持GPS與GLONASS的雙星CORS系統(tǒng)，升級(jí)成為支持GPS、GLONASS與北斗以及將來支持Galileo及更多運(yùn)行衛(wèi)星的多星CORS系統(tǒng)，為終端用戶提供更穩(wěn)定、更先進(jìn)的服務(wù)，同時(shí)提供更多的服務(wù)，滿足不同用戶的多種需求。

FZCORS系統(tǒng)的升級(jí)以“確保系統(tǒng)平穩(wěn)、無縫過渡”為基本原則，在升級(jí)過程中不中斷用戶服務(wù)，在系統(tǒng)的過渡階段，新舊兩套系統(tǒng)并行運(yùn)行，過渡完成后移除舊有系統(tǒng)，新系統(tǒng)全面獨(dú)立運(yùn)行；以“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)適用”的原則，在滿足系統(tǒng)目標(biāo)的前提下，充分利用系統(tǒng)已有的資源，以最小的成本完成系統(tǒng)的升級(jí)；以“全局考慮、周密嚴(yán)謹(jǐn)”的實(shí)施準(zhǔn)則，進(jìn)行系統(tǒng)的具體的升級(jí)過程前，通盤考慮如何進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)、升級(jí)過程中可能出現(xiàn)的問題，以及如何應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的問題及其解決方法，以確保系統(tǒng)的順利升級(jí)。

2.2 控制中心軟硬件的升級(jí)

FZCORS系統(tǒng)若實(shí)現(xiàn)福州區(qū)域性的多星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)，在選點(diǎn)參考站點(diǎn)設(shè)備增加和更新的同時(shí)，控制中心軟件也需做相應(yīng)的升級(jí)改造，以實(shí)現(xiàn)控制中心具備多星網(wǎng)絡(luò)解算和提供多星網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)的能力。

為保障福州地區(qū)北斗試驗(yàn)網(wǎng)的順利實(shí)施，同時(shí)對(duì)FZCORS系統(tǒng)現(xiàn)有的運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生直接或重大的影響，擬在系統(tǒng)測(cè)試期間，F(xiàn)ZCORS中心單獨(dú)準(zhǔn)備一套服務(wù)器，獨(dú)立安裝和運(yùn)行多星網(wǎng)絡(luò)參考站軟件,待充分驗(yàn)證全新網(wǎng)絡(luò)參考站系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性等方面的基礎(chǔ)上，再考慮將FZCORS現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)。 過渡時(shí)期中心服務(wù)器架構(gòu)如圖2所示。

在過渡時(shí)期結(jié)束后，撤銷拓普康服務(wù)軟硬件，最終只留升級(jí)改造后的系統(tǒng)運(yùn)行，如圖3所示。

圖2 過渡時(shí)期中心服務(wù)器架構(gòu)

圖3 最終中心服務(wù)器功能架構(gòu)

2.3 參考站設(shè)備的升級(jí)

綜合上節(jié)對(duì)FZCORS系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，為了控制和減少系統(tǒng)改造風(fēng)險(xiǎn)，擬采用穩(wěn)步推進(jìn)的方式進(jìn)行系統(tǒng)的北斗升級(jí)改造。

首先，有必要分兩期進(jìn)行北斗實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的系統(tǒng)測(cè)試工作，待充分驗(yàn)證多星參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性、空間可用性和時(shí)間可用性等相比現(xiàn)有雙星系統(tǒng)系統(tǒng)有很大程度提高的基礎(chǔ)上，再對(duì)福州全區(qū)的CORS全部升級(jí)。

參考站點(diǎn)改造一期：預(yù)先購置3～5套專業(yè)型多星參考站接收機(jī)及其配套的扼流圈天線，用于福州地區(qū)首期北斗試驗(yàn)網(wǎng)的站點(diǎn)布設(shè)。有針對(duì)性地選擇3～5個(gè)通訊條件較好的站點(diǎn)，將現(xiàn)有站點(diǎn)的天線更換為新購置的扼流圈天線，采用分頻器的方式，保留站點(diǎn)現(xiàn)有參考站接收機(jī)和新的多星參考站接收機(jī)共用多星天線，在保證FZCORS現(xiàn)有系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)，為北斗試驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試工作的開展提供便利的條件，過渡時(shí)期站點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用該方案，可以實(shí)現(xiàn)福州部分區(qū)域的多星站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，在充分利用FZCORS現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上，快速實(shí)現(xiàn)區(qū)域性北斗試驗(yàn)網(wǎng)的站點(diǎn)布設(shè)工作。

圖4 過渡時(shí)期站點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

參考站點(diǎn)改造二期：待福州地區(qū)局部的多星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用的優(yōu)越性和便利性充分得到驗(yàn)證并成熟后，再考慮后續(xù)一次性改造FZCORS其余站點(diǎn)，以最終實(shí)現(xiàn)多星參考站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的全市覆蓋。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)手段

2.4.1中心軟件并行運(yùn)行

為保證在升級(jí)過程中不中斷用戶服務(wù)，擬實(shí)施新舊兩套系統(tǒng)并行運(yùn)行，具體的處理方法如下：站點(diǎn)升級(jí)是將原有拓普康天線使用新的天線替換，原有的拓普康接收機(jī)繼續(xù)在該站點(diǎn)運(yùn)行，只是使用功分器將新天線接過來的GNSS信號(hào)同時(shí)送給拓普康接收機(jī)和新接收機(jī)，這樣拓普康接收機(jī)繼續(xù)給拓普康服務(wù)器軟件提供站點(diǎn)的GPS實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，而由新的接收機(jī)給新的控制中心軟件提供GNSS實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。這樣，實(shí)現(xiàn)拓普康服務(wù)器軟件和新的控制中心軟件分別在兩臺(tái)服務(wù)器上的同時(shí)運(yùn)行。

2.4.2更換天線對(duì)RTK用戶的影響

更換某一站點(diǎn)的天線和接收機(jī)后，確定是否對(duì)外業(yè)的RTK用戶的定位有影響。這樣可以判定，如果有影響，那么影響最大的位置就是該站的位置。

針對(duì)這個(gè)問題，具體的處理方法如下：在被更換站點(diǎn)的天線附近用三角架固定一個(gè)RTK流動(dòng)站，在更換天線前獨(dú)立測(cè)量該點(diǎn)的坐標(biāo)10次，該點(diǎn)設(shè)備不動(dòng)，更換完天線和接收機(jī)后，繼續(xù)10次獨(dú)立的觀測(cè)，通過數(shù)據(jù)的分析評(píng)價(jià)更換天線和接收機(jī)是否對(duì)外業(yè)的RTK作業(yè)有影響。

2.4.3天線更換后相位中心的一致性

對(duì)于原有站點(diǎn)的接收機(jī)和天線在更換后，由于天線型號(hào)的變化，這樣會(huì)造成天線相位的變化，從而導(dǎo)致坐標(biāo)系統(tǒng)的時(shí)間序列可能會(huì)發(fā)生突跳。

針對(duì)這個(gè)問題，具體的處理方法如下：擬在更換天線前確保原有接收機(jī)內(nèi)記錄完整的采樣率為30s原始觀測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)一周以上，最好兩周；然后更換該站點(diǎn)的天線，并記錄更換天線的時(shí)間。這樣再在接收機(jī)內(nèi)記錄采樣率為30s原始觀測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)一周以上，最好兩周。

將這將近4周以上的觀測(cè)數(shù)據(jù)，使用GAMIT軟件進(jìn)行處理，生成相應(yīng)的時(shí)間序列，觀測(cè)站點(diǎn)的時(shí)間序在更換設(shè)備的時(shí)刻是否發(fā)生突跳，如果沒有發(fā)生突跳，這樣不用處理。如果發(fā)生突跳，則將這個(gè)變化投影到該點(diǎn)的不同的坐標(biāo)分量上，從而將突跳修正。

3 系統(tǒng)改造后成效

通過上述參考站接受設(shè)備、控制中心軟硬件、用戶管理等方面的升級(jí)改造，相比FZCORS現(xiàn)有雙星系統(tǒng)的性能，在以下幾個(gè)方面將會(huì)有非常顯著的提高：

(1)提高系統(tǒng)的空間可用性

充分利用了現(xiàn)有的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)資源，在傳統(tǒng)雙星系統(tǒng)作業(yè)非完全遮蔽區(qū)且困難的區(qū)域，如房角、樹下等將更容易獲得更可靠的測(cè)量成果，大大拓展了FZCORS系統(tǒng)的可用空間和服務(wù)區(qū)域；

(2)提高流動(dòng)站的初始化時(shí)間

相比傳統(tǒng)條件下流動(dòng)站在30s左右或需更長時(shí)間獲得初始化的區(qū)域，采用多星網(wǎng)絡(luò)參考站系統(tǒng)后，可以在15s乃至更短時(shí)間內(nèi)獲得可靠的初始化定位成果。

(3)提高系統(tǒng)的時(shí)間可用性

近兩年是電離層活動(dòng)劇烈的高發(fā)時(shí)段，相比傳統(tǒng)意義上雙星電離層改正模型，由于多星網(wǎng)絡(luò)參考站系統(tǒng)增加了對(duì)北斗系統(tǒng)的支持，在系統(tǒng)誤差評(píng)估方面提供了更多的可資利用的冗余條件，所以在對(duì)電離層乃至對(duì)流層對(duì)GNSS定位誤差影響的評(píng)估方面有更大程度的優(yōu)化和改進(jìn)。即使之前在雙星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下流動(dòng)站固定仍然困難的工作時(shí)段，采用多星系統(tǒng)后將有非常明顯的改善直至徹底消失。

(4)提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的站間距水平

傳統(tǒng)意義上的城市雙星參考站點(diǎn)布設(shè)，一般35km～50km是比較合理的布局，在電離層更加活躍的低緯度地區(qū)，理想的參考站間距一般建議控制在40km左右。采用三星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在參考站點(diǎn)的間距布設(shè)方面也有非常顯著的提高，福州境內(nèi)的站間距一般布設(shè)40km～50km即可。考慮到FZCORS已有站點(diǎn)的密度和平均站間距約40km水平，如果全區(qū)均改造為四星系統(tǒng)的接收機(jī)，則意味著FZCORS系統(tǒng)的參考站站點(diǎn)具有非常好的冗余度，即使個(gè)別站點(diǎn)因通訊或設(shè)備故障掉線，仍不會(huì)對(duì)FZCORS系統(tǒng)的整體服務(wù)性能有明顯的影響。

(5)站點(diǎn)和用戶管理性能的提高

全新的參考站軟件，采用優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫管理結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)站點(diǎn)資源管理、注冊(cè)用戶管理、系統(tǒng)服務(wù)的時(shí)間響應(yīng)等方面均有非常顯著的提高和改善，為進(jìn)一步保障FZCORS面向社會(huì)各領(lǐng)域的運(yùn)營服務(wù)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

4 結(jié)語

本文針對(duì)FZCORS目前的運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，結(jié)合實(shí)際需求及升級(jí)改造原則，提出了FZCORS兼容BDS等多星系統(tǒng)的升級(jí)改造方案。分別從參考站接受設(shè)備、控制中心軟硬件、用戶管理等方面，指出了對(duì)系統(tǒng)升級(jí)改造過程的相關(guān)要求、注意事項(xiàng)以及關(guān)鍵技術(shù)，并指出系統(tǒng)改造后在空間可用性、時(shí)間可用性、初始化時(shí)間等多方面將會(huì)有顯著提高，為FZCORS升級(jí)改造的具體實(shí)施打下了基礎(chǔ)。

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