BDS/GPS格網(wǎng)虛擬化偽距差分和偽距改正數(shù)差分的差異化實(shí)現(xiàn)

張晶晶，陳現(xiàn)春，秘金鐘，方書山，成 兵

(1.四川省第一測(cè)繪工程院， 四川 成都 610100; 2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100086)

差分定位技術(shù)由于算法簡(jiǎn)潔，且可使用戶實(shí)時(shí)獲取亞米級(jí)高精度定位，得到了廣泛應(yīng)用，也成為實(shí)時(shí)定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1—6]對(duì)差分定位技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，包括單基站差分、多基站差分及兩種差分模式定位效果的對(duì)比，單系統(tǒng)GPS差分、北斗/GPS/GLONASS多系統(tǒng)融合差分技術(shù)研究；同時(shí)，隨著數(shù)據(jù)傳輸編碼RTCM協(xié)議的不斷完善，文獻(xiàn)[7]研究了用戶端偽距差分RTCM3X和偽距改正數(shù)差分RTCM2X不同定位模式的差異。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)模式因需傳輸基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息，故存在基準(zhǔn)站坐標(biāo)泄露的安全隱患。且傳統(tǒng)RTD服務(wù)模式以統(tǒng)一對(duì)外服務(wù)端口發(fā)布所有數(shù)據(jù)源，面向所有用戶提供服務(wù)，當(dāng)RTD服務(wù)數(shù)據(jù)源數(shù)量增多和用戶量增加時(shí)，該種服務(wù)模式可承載的并發(fā)用戶有限。因此，保障基準(zhǔn)站坐標(biāo)的安全性，且同時(shí)可以為海量用戶服務(wù)，已成為北斗民用差分位置服務(wù)迫切需要解決的難題。文獻(xiàn)[8]提出了網(wǎng)格虛擬參考站方法，使用網(wǎng)格偽距差分技術(shù)[8-10]已初步解決了偽距改正數(shù)RTCM2X差分定位的問題，但目前還未有格網(wǎng)化的偽距差分RTCM3X的研究，不能滿足目前用戶終端設(shè)備對(duì)RTCM2X和RTCM3X兩種服務(wù)模式的需求。因此，本文重點(diǎn)研究格網(wǎng)虛擬化偽距差分RTCM3X的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，以及同時(shí)具備RTCM2X和RTCM3X兩種服務(wù)的BDS/GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并通過測(cè)試驗(yàn)證本文提供的方法，保障基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息安全的有效性和服務(wù)海量用戶的能力，以期為北斗的大眾化、社會(huì)化應(yīng)用提供一些技術(shù)參考。

1 格網(wǎng)虛擬化差分定位原理

格網(wǎng)虛擬化差分定位基于多基站差分定位原理，將基準(zhǔn)站覆蓋區(qū)域按照一定經(jīng)緯度規(guī)則劃分格網(wǎng)，利用格網(wǎng)內(nèi)的多基準(zhǔn)站，計(jì)算格網(wǎng)中心點(diǎn)差分?jǐn)?shù)據(jù)，并將格網(wǎng)中心點(diǎn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送至該格網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的用戶,用戶利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)定位，獲得實(shí)時(shí)亞米級(jí)高精度定位。根據(jù)定位終端接收的數(shù)據(jù)類型和定位算法的不同，格網(wǎng)虛擬化差分定位分為2種：①RTCM2.3編碼格式的格網(wǎng)虛擬化偽距改正數(shù)差分方法；②RTCM3.2編碼格式的格網(wǎng)虛擬化偽距差分。

1.1 格網(wǎng)虛擬化偽距改正數(shù)差分定位原理

格網(wǎng)虛擬化偽距改正數(shù)差分方法的原理：利用格網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)基準(zhǔn)站的偽距改正數(shù)，通過合適的內(nèi)插模型[10-13]，計(jì)算格網(wǎng)中心點(diǎn)的偽距改正數(shù)及其變化率。將格網(wǎng)中心點(diǎn)的偽距改正數(shù)及其變化率進(jìn)行RTCM2.3格式編碼，發(fā)送至用戶，用戶利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位。

格網(wǎng)虛擬化偽距改正數(shù)差分服務(wù)端數(shù)據(jù)處理原理如式(1)所示，以某個(gè)基準(zhǔn)站的某顆衛(wèi)星為例

ΔR=P-εREC+εS,c-εtrop-εearth-εR,c-R

(1)

式中,ΔR表示某顆衛(wèi)星的偽距改正數(shù)；P表示基準(zhǔn)站觀測(cè)的衛(wèi)星偽距；εREC表示相對(duì)論效應(yīng)；εS,c表示衛(wèi)星鐘誤差；εtrop表示對(duì)流層誤差；εearth表示地球自轉(zhuǎn)誤差；εR,c表示接收機(jī)鐘誤差；R表示利用基準(zhǔn)站準(zhǔn)確坐標(biāo)和衛(wèi)星位置，計(jì)算的幾何偽距。

基于式(1)計(jì)算基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)，并通過內(nèi)插模型計(jì)算格網(wǎng)中心點(diǎn)的偽距改正數(shù)及其變化率，發(fā)送至用戶。

1.2 格網(wǎng)虛擬化偽距差分定位原理

格網(wǎng)虛擬偽距差分方法的原理為通過計(jì)算發(fā)送歷元時(shí)刻的格網(wǎng)中心點(diǎn)與衛(wèi)星之間的幾何距離，并對(duì)幾何距離進(jìn)行相對(duì)論效應(yīng)、衛(wèi)星鐘差改正數(shù)、地球自轉(zhuǎn)誤差、對(duì)流層誤差修正。修正后的偽距作為格網(wǎng)中心點(diǎn)的虛擬偽距觀測(cè)值；并對(duì)此格網(wǎng)中心點(diǎn)的虛擬觀測(cè)值進(jìn)行RTCM3.2編碼后發(fā)送至用戶，用戶利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位。

格網(wǎng)虛擬化偽距差分服務(wù)端數(shù)據(jù)處理原理如式(2)所示，以格網(wǎng)中心點(diǎn)的某顆衛(wèi)星為例

P=R+εREC-εS,c+εtrop+εearth

(2)

式中，P表示格網(wǎng)中心點(diǎn)觀測(cè)的衛(wèi)星偽距(觀測(cè)值)；εREC表示相對(duì)論效應(yīng)；εS,c表示衛(wèi)星鐘誤差；εtrop表示對(duì)流層誤差；εearth表示地球自轉(zhuǎn)誤差；R表示利用格網(wǎng)中心點(diǎn)準(zhǔn)確坐標(biāo)和衛(wèi)星位置，計(jì)算的幾何偽距。對(duì)式(2)中的P值進(jìn)行RTCM3.2編碼后發(fā)送至用戶，用戶進(jìn)行差分定位。

2 格網(wǎng)虛擬化差分服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

格網(wǎng)虛擬化差分服務(wù)系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)管理與預(yù)處理模塊、RTCM2.3偽距改正數(shù)差分服務(wù)模塊、RTCM3.2偽距差分服務(wù)模塊、差分?jǐn)?shù)據(jù)源對(duì)外服務(wù)模塊。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 面向海量用戶的格網(wǎng)虛擬化差分服務(wù)系統(tǒng)

其中，基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)管理與預(yù)處理模塊部署于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流的管理、解析與預(yù)處理，并且對(duì)服務(wù)區(qū)域按照一定規(guī)則劃分格網(wǎng)。RTCM2.3偽距改正數(shù)差分服務(wù)模塊、RTCM3.2偽距差分服務(wù)模塊負(fù)責(zé)差分?jǐn)?shù)據(jù)的生成，并將差分?jǐn)?shù)據(jù)播發(fā)到對(duì)應(yīng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)源服務(wù)器。差分?jǐn)?shù)據(jù)源通過統(tǒng)一對(duì)外服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)為大眾提供實(shí)時(shí)亞米級(jí)定位服務(wù)。

本文系統(tǒng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)處理流程如圖2所示。系統(tǒng)格網(wǎng)虛擬化差分?jǐn)?shù)據(jù)處理流程主要包含以下步驟：①對(duì)基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析、預(yù)處理，并對(duì)服務(wù)區(qū)域進(jìn)行格網(wǎng)劃分；②分別計(jì)算并編碼RTCM2.3偽距改正數(shù)差分?jǐn)?shù)據(jù)、RTCM3.2偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)；③為每個(gè)格網(wǎng)的差分?jǐn)?shù)據(jù)分配獨(dú)立數(shù)據(jù)通信通道，并將RTCM2.3偽距改正數(shù)差分?jǐn)?shù)據(jù)、RTCM3.2偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)分別推送至對(duì)應(yīng)服務(wù)器；④將差分?jǐn)?shù)據(jù)源播發(fā)至統(tǒng)一對(duì)外服務(wù)模塊，用戶通過訪問統(tǒng)一對(duì)外服務(wù)模塊獲取所需差分?jǐn)?shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位。

圖2 格網(wǎng)虛擬化差分服務(wù)的數(shù)據(jù)處理流程

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

3.1 格網(wǎng)虛擬化差分模式保障基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息安全的有效性測(cè)試

采用RTKLIB軟件的數(shù)據(jù)解析工具，接收系統(tǒng)生成的RTCM2.3偽距改正數(shù)差分?jǐn)?shù)據(jù)、RTCM3.2偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)，并進(jìn)行解析。格網(wǎng)虛擬化差分模式的RTCM2.3數(shù)據(jù)解析結(jié)果如圖3所示，RTCM3.2數(shù)據(jù)解析結(jié)果如圖4所示。

圖3 格網(wǎng)偽距改正數(shù)差分?jǐn)?shù)據(jù)編碼

如圖3所示，格網(wǎng)虛擬化偽距改正數(shù)差分?jǐn)?shù)據(jù)采用RTCM2.3編碼規(guī)則，發(fā)送的數(shù)據(jù)為格網(wǎng)中心點(diǎn)各衛(wèi)星的偽距改正數(shù)，不涉及基準(zhǔn)站坐標(biāo)及基準(zhǔn)站改正信息。

圖4 格網(wǎng)偽距差分?jǐn)?shù)據(jù)RTCM3.2編碼

如圖4所示，格網(wǎng)虛擬化偽距差分使用RTCM3.2編碼[14-15]，RTCM3.2編碼格式的數(shù)據(jù)是格網(wǎng)中心點(diǎn)的坐標(biāo)信息(測(cè)試的格網(wǎng)中心點(diǎn)緯度為31.5°N，經(jīng)度為103.5°E，大地高為0 m)。格網(wǎng)中心點(diǎn)坐標(biāo)不涉及基準(zhǔn)站的坐標(biāo)信息，可有效保障基準(zhǔn)站坐標(biāo)等信息的安全。

綜上，格網(wǎng)虛擬化差分方法播發(fā)至用戶的數(shù)據(jù)是格網(wǎng)中心點(diǎn)的差分?jǐn)?shù)據(jù)，而非基準(zhǔn)站的坐標(biāo)及其相關(guān)改正數(shù)據(jù)。因此，格網(wǎng)虛擬化差分的模式可有效保障基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的安全。

3.2 格網(wǎng)虛擬化差分模式用戶承載量測(cè)試

使用HP Loadrunner軟件模擬用戶登錄，測(cè)試系統(tǒng)的并發(fā)用戶承載量。本次測(cè)試環(huán)境如下：①硬件環(huán)境為64 GB內(nèi)存，64位操作系統(tǒng)的單臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器含有2顆E5-2630型CPU；②網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為20 M網(wǎng)絡(luò)帶寬。

本次使用HP Loadrunner軟件分別測(cè)試格網(wǎng)虛擬化差分模式并發(fā)用戶量和傳統(tǒng)RTD模式并發(fā)用戶量，測(cè)試結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5 格網(wǎng)虛擬化差分模式并發(fā)用戶量測(cè)試

在此測(cè)試硬件環(huán)境下，如圖5所示，格網(wǎng)虛擬化差分定位服務(wù)模式可承載的用戶并發(fā)數(shù)量達(dá)到5000個(gè)。如圖6所示，傳統(tǒng)RTD模式的并發(fā)用戶量約4000個(gè)。因此，在相同硬件環(huán)境下，格網(wǎng)虛擬化差分定位服務(wù)模式較傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)模式的用戶并發(fā)數(shù)量提高約25%。

圖6 傳統(tǒng)RTD模式并發(fā)用戶量測(cè)試

綜上所述，格網(wǎng)虛擬化差分服務(wù)系統(tǒng)的格網(wǎng)差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)器與用戶服務(wù)完全分離，有效降低了差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)器端的計(jì)算冗余性，提升了通信效率，提高了系統(tǒng)的用戶承載量。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)驗(yàn)證，本文提出的格網(wǎng)虛擬化RTCM3.2偽距差分實(shí)現(xiàn)技術(shù)切實(shí)可行，且同時(shí)具備RTCM2X和RTCM3X兩種服務(wù)的BDS/GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)，服務(wù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有效。格網(wǎng)虛擬化差分技術(shù)可保障基準(zhǔn)站坐標(biāo)信息安全，且能夠提高系統(tǒng)并發(fā)用戶的承載量，可廣泛應(yīng)用于國(guó)家及各省市CORS網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)中。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，以及GNSS數(shù)據(jù)產(chǎn)品的不斷豐富和完善(包括網(wǎng)絡(luò)RTK服務(wù)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)RTD服務(wù)數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)、精密產(chǎn)品數(shù)據(jù)等)，多類型數(shù)據(jù)產(chǎn)品基于同一平臺(tái)提供共享服務(wù)將是以后的研究方向。