面向北斗三號的湖北省北斗地基增強系統建設

林曉靜，向浩，梁斌

(1.湖北省測繪工程院,武漢 430074；2.湖北省航測遙感院，武漢 430074)

0 引言

湖北省連續運行參考站(以下簡稱HBCORS)于2010 年底建成并投入使用，在全省范圍建設了81 個基準站，集成了氣象專網、地震行業網和公眾ADSL 網絡，并建立了省級控制中心[1].2017 年，湖北省北斗地基增強系統實現了全省覆蓋[2]，新建加密了10 個基準站，升級/改造了HBCORS 81 個基準站，在原有設施的基礎上加裝北斗設備，即與HBCORS 共用基準站觀測墩、天線、全球衛星導航系統(GNSS)數據傳輸線纜、交換機、路由器、機柜、電力線路和網絡線路等原有基礎設施.

湖北省北斗地基增強系統通過建設基于北斗覆蓋全省的GNSS 連續運行參考站(CORS)，建成省內區域的北斗系統導航與位置服務平臺，將北斗定位技術與測繪學、氣象學、地理信息系統、計算機技術、現代通訊技術有機結合，實現了北斗高精度位置服務的全省覆蓋，提供了跨部門、跨專業的智能化服務平臺，大力減輕了相關行業數據信息采集難、更新慢等問題，是支撐北斗衛星導航系統(BDS)產業規?；l展、智慧城市建設、智能化社會服務的必要基礎施.

2020 年7 月31 日，北斗三號衛星導航系統(BDS-3)正式開通，BDS-3 是在前兩代的基礎上進行建設，同時與前兩代又有著重大差別.BDS-3 信號性能明顯優于BDS-2，多徑效應、偽距噪聲都有了較大幅度的改善，測距精度也有了較大提升，由于湖北省北斗地基增強系統建設正處于BDS-2 建設組網時期，因此隨著BDS-3 的開通，亟需對湖北省北斗地基增強系統進行整網軟硬件升級，實現湖北省北斗地基增強系統對BDS-3 衛星的支持，推進衛星導航產品和服務在公共安全、交通運輸、防災減災、農林水利、氣象、國土資源、環境保護、公安警務、測繪勘探、應急救援等重要行業及領域的規?；瘧?

1 系統簡介及升級內容

湖北省北斗高精度位置服務平臺2018 年初步建成并投入試運行，各類終端已在平臺運行4 年[3].目前，已經形成了以湖北省北斗地基增強系統為后臺，以北斗高精度位置服務平臺為前端的服務架構.目前，湖北省北斗地基增強系統共有91 個站點，其中北斗接收機在網運行共78 臺，武漢導航院True CORS R1 計72 臺，和芯星通UR370 計6 臺，北斗地基增強系統管理軟件平臺為TrueNET.根據湖北省北斗地基增強系統的實際需求，在已有軟件平臺的基礎上，完成包括算法模塊、數據采集、數據存儲、數據處理、數據轉發等組件的設計實現與開發工作，使新開發的系統管理平臺具有同時支持四星多頻(BDS、GPS、GLONASS、Galileo) 系統的能力.湖北省北斗地基增強系統BDS-3 服務能力提升功能包含以下兩方面：1) 72 臺True CORS R1 接收機的板卡硬件升級與固件包升級，增加對BDS-3 的支持；2) TrueNET 平臺的軟件升級，包括算法模塊、數據采集、數據存儲、數據處理、數據轉發等組件的設計實現，增加對BDS-3 的支持.

2 湖北省北斗地基增強系統BDS-3 功能升級方法

2.1 接收機硬件升級與固件升級

接收機硬件升級主要是更換支持BDS-3 信號的OEM 板卡，新OEM 板卡核心FPGA (Field Programmable Gate Array)芯片功耗更大且發熱量變大，需考慮散熱設計.根據原有結構三維(3D)圖紙及內部OEM 板卡、底板的空間布局，加裝一款散熱片，對OEM 板卡發熱量較大的FPGA 芯片進行散熱.接收機軟件升級需要在北斗新信號體制BOC (binary offset carrier)調制[4-6]、多模多頻基帶信號處理、多系統聯合定位這三部分做出改進和提升[7-8].

2.2 系統管理軟件升級

湖北省北斗地基增強系統的解算軟件是TrueNet平臺，如圖1 所示本次升級完成包括算法模塊、數據采集、數據存儲、數據處理、數據轉發等組件的設計實現與開發工作，使新開發的系統管理平臺具有同時支持四星多頻(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)系統的能力.

圖1 TrueNET 平臺架構

如圖2 所示，TrueNet 平臺根據功能劃分，由數據采集(Caster &Ingest)，數據存儲(GNSS Data Store)，算法引擎(Engine)，代理服務(Agent)，位置服務(Location Based Service)以及運維節點(Monitor)部分組成.

圖2 TrueNET 系統管理軟件升級思路

在升級支持BDS-3 的同時，需要保證平臺的兼容性，滿足對不同RTCM 類型電文解碼.平臺軟件需要滿足對BDS-3 電文的解析，基線解算模塊需要對BDS-3 頻點的數據進行處理，使BDS-3 頻點數據參與基線解算，基線解算模塊支持多系統(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)、多頻率(全面支持BDS B1I、B2I、B3I、B1C、B2a；GPS L1、L2、L5；GLONASS L1、L2；Gallileo E1、E5a、E5b)，支持聯合解算，并根據需要顯示BDS-3 相關的信息.

TrueNet 平臺升級在平臺架構流程基礎上，側重對以下三大問題進行了解決：

1) 數據預處理.BDS-2 衛星播發B1、B2、B3 三個頻點，BDS-3 衛星播發B1C、B2a、B1I、B3I 四個頻點，各頻點的頻率也不盡相同.在平臺數據采集模塊(Caster&Ingest)的模塊設計中，對該流程架構進行重點設計，保證解算軟件處理北斗系統的策略切實可行.支持四系統多頻率后，數據源(Ingest)模塊可解析更多頻點的數據.保留按照Ntrip 協議標準接收BDS-3 接收機發出的觀測數據和星歷數據，數據接收后，按照RTCM 格式解析處理BDS-3 相關的頻點數據.

2) 基線浮點解解算和模糊度固定.支持四系統多頻點的數據解算，充分利用多頻數據加快模糊度收斂時間、提高模糊度固定成功率[9].由于軟件數據結構部分發生較大的變化，為了高效的支持四系統多頻率，內部的數據處理流程和處理策略將非常復雜，通過優化算法及內部機構來保證解算的有效性及快速性.考慮對外數據接口數據交互的可靠性及傳輸性，重點設計開發數據解算模塊.

3) 四系統衛星的解算及VRS 播發.為了保證解算軟件模塊與Agent 模塊間的接口的高效傳輸，數據交互的接口可以實時快速展示四系統衛星的解算信息.基于NETRTK 模塊生成的參考站網的基線信息(基站原始觀測量，基線雙差電離層、對流層延遲殘差信息，子網信息等)以及流動站上傳的坐標信息，AGENT 模塊進行建模進而內插出流動站的VRS(虛擬參考站信息)，經RTCM 電文編碼后發送出去.

3 系統測試

3.1 接收機回歸測試

在接收機批量升級前，本項目對升級后的接收機進行了回歸測試.

1)開展了新增頻點的數據質量分析及雙差質量分析.圖3 為增加了北斗三頻點B1C、B2a 之后的北斗雙差結果直方圖，可清晰看到每顆衛星的偽距/載波雙差精度及整體結果，表1 顯示了具體結果值.

表1 四系統十三頻點偽距/載波雙差結果

圖3 偽距/載波雙差精度

2) RINEX 原始文件進行了數據質量分析，結果如表2 所示.

表2 四系統十三頻點TEQC 利用率及周跳比結果

3)整機性能測試，具體測試結果如表3 所示.

表3 升級后的TrueCORS R1 測試結果

表3(續)

3.2 系統測試

所有站點升級替換完成后，項目開展了野外測試工作.測試接收機使用南方South 銀河一號，選取了8 個野外測試站點采集的數據，計算內符合精度(水平和垂直)，驗證精度是否達標.

測試方法步驟如下：

1)由北斗高精度位置服務平臺正常發送改正數；

2)正確連接流動站的GNSS 天線以及電源，無線網絡，并在開闊天空下，保證流動站能夠正常的接收衛星信號和服務端發送過來的改正數；

3)在流動站上配置ntrip client，輸入IP/端口/掛載點/用戶名/密碼，并存NMEA 信息；

4)利用采集到的GNGGA 數據，分析內符合精度：

a)將NMEA 文本轉換為平面坐標、高程；

b)統計文本的理論歷元數和實際觀測歷元數；

c)利用測試腳本，統計24 h 平面坐標、高程的STD 內符合精度.

測試結果如表4 所示.

表4 系統精度測試結果

表4(續)

測試結果表明：網絡RTK 實時定位精度水平優于3 cm，垂直優于5 cm；DGNSS 定位精度水平優于1 m，垂直優于2 m.

本次升級完成后，對北斗地基增強系統還進行了功能測試，性能測試，穩定性與壓力并發測試等，測試結果均符合系統要求，限于篇幅限制，本文不再這部分詳細測試內容及結果做展示.

4 結論

通過升級TrueCORS R1 接收機的板卡硬件升級與固件包升級，增加BDS-3 B1I/B3I 部分三代衛星信號接收、全新信號體制的B1C 和B2a 頻點，以及增加伽利略系統的GAL E1C/E5a/E5b.TrueNET 平臺整體數據流程上實現由數據采集-基線解算-VRS 生成-差分數據播發到終端的完整過程，使新開發的平臺具有同時支持四星多頻(BDS、GPS、GLONASS、Galileo)系統的能力.平臺軟件根據BDS-3-RTCM 差分電文提案進行RTCM 數據解碼以支持BDS-3 的B1C、B2a 信號，擴充與BDS 相關的宏定義，綜合考慮把BDS-3衛星作為一個單獨的系統參與基線解算(其采用B1C、B2a 作為雙頻基線解算主頻點以區別與BDS-2的主頻點B1I、B2I)，并修改接口，新增北斗和BDS-3對應的掛載點和RTCM 電文內容，使湖北省北斗高精度位置服務具備了BDS-3 的服務能力.北斗高精度位置服務平臺對BDS-3 的支持將進一步推動北斗導航核心技術研發和產業化，推動北斗導航與移動通信、地理信息、衛星遙感、移動互聯網等融合發展.基于BDS 的全面建設完成的背景，完善了湖北省北斗高精度位置服務平臺的基礎設施，推進了北斗導航服務的模式和產品創新，以及在重點區域和交通、減災、電信、能源、金融等重點領域開展示范應用，逐步推進北斗的規?；瘧?