基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台设计及其应用

刘宇宏，陈 龙，王亚鸣

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

0 引言

随着中国北斗卫星导航系统区域组网的完成，北斗卫星导航系统的应用已经展开了。目前初步建成的北斗区域导航系统标准定位精度25m，2020年建成的北斗全球导航系统精度有望达到10m，难以满足精密测绘、地壳和大型构筑物形变以及地质灾害监测等专业领域和航空导航、汽车导航、个人定位等大众应用领域对高精度位置信息的需求。因此，须用地面精度增强方式提高终端的定位精度。连续运行参考站系统（CORS）作为可行、可靠的面定位增强模式，借助网络差分等多种增强技术，能为终端设备提供米级至厘米级的实时增强服务，是高精度导航定位的有效解决方案［1］。此外，北斗卫星导航系统在国民经济生活中作用与地位的日益显著，在战时北斗系统也会成为敌方攻击的主要目标，一旦遭受毁伤，就会使依赖于它的载体陷入瘫痪状态。此时，借助于地面CORS系统弥补卫星导航的不足，保障各类载体导航定位的精度，也将成为新型CORS系统中不可忽视的内容。为此，本文对建设基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台进行了研究。

1 平台总体设计

1.1 基本结构

基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台主要包括CORS参考站网络、控制与数据中心和通信链路三个主要部分。其基本结构如图1所示［2］。

图1 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台组成Fig.1 Basic structure of Beidou-CORS

所有CORS参考站组成一个互连的网络，每个参考站实时接收导航卫星定位数据，处理后通过网络将数据传送回控制与数据中心，并由控制与数据中心用多个参考站进行联合解算，求得差分信息，通过无线通信网络播发给用户。控制与数据中心还完成对参考站网络进行全面的监测、控制和管理。

1.2 通信链路

参考站与控制与数据中心间通过有线网络实现通信，可考虑电信部门提供的SDH，DDN，VPN，ADSL等数据专线服务。移动用户与控制与数据中心间通过公共移动通信网 GPRS，CDMA，3G，WLAN等技术，可适应不同用户对速率的不同需求。事后用户和系统内部用户通过Internet网络访问。控制与数据中心内部通过配置千兆局域网络进行数据交互与传输。比较和分析通过不同通信方式，设计的内外数据流接口和通信方式见表1。

网络通信安全是整个平台可靠性的保障，外部用户或系统通过防火墙访问平台，并采用网络层加密设备实现端至端的加密。此外，控制与数据中心还预留了多种接口，以适应通信方式的扩展需要［3－4］。

1.3 服务模式

基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台的一个主要特色是提供了丰富的服务模式，即包括实时网络RTK、实时网络RTD、实时动态定位、事后静态定位、中心实时位置解算服务、网络RTK事后精密定位、自主导航电文播发服务等多种服务。不同服务模式对应于不同的服务精度和服务对象，因此需设计开发不同的解算软件或修改现有解算软件，分别建立相应的流程控制模型、数据处理模型和数据管理模型，解决服务资源的调度、服务流程控制和服务数据管理等。

表1 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台内外数据流接口和通信方式Tab.1 Data stream interface and communication mode of Beidou-CORS

多种服务模式下平台工作流程如图2所示。用户、服务网关、参考站、控制与数据中心共同完成用户的服务请求。

图2 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台工作流程Fig.2 Flowchart of Beidou-CORS

当用户发出服务请求后，由服务网关接收用户服务请求，并从控制与数据中心调入用户信息，判别用户服务权限。对授权用户，服务网关将其服务请求发送至控制与数据中心，实施具体的服务。控制与数据中心实时接收参考站采集到的实时导航信号原始观测值，并根据用户请求的服务模式，启动相应的服务流程并生成服务信息。最终由控制与数据中心将服务信息发送至用户。各种服务模式见表2。

2 平台关键部分建设

2.1 参考站

参考站作为Beidou-CORS平台的重要组成部分，尽可能设计为无人值守型。参考站跟踪视野内所有卫星，自主完成导航卫星数据的接收、采集、处理、存储、传输和自动监测报警，以及远程控制与管理等功能。其中：导航卫星数据的接收、采集、处理、存储和传输是参考站必备的功能，自动监测报警和远程控制与管理可根据系统建设的要求和实际选择。

参考站建设中需设计参考站的分布、选址、结构和数据完好性监测等［5］。参考站相邻站间的距离不宜太远。纬度越低的地区，电离层也越活跃，模型化残差也越大。多路径误差是CORS定位测量中最严重的误差，取决于天线周围的环境。多径误差一般为5cm，高反射环境中可达19cm。目前，很难区分多径误差和天线相位中心的变化，故参考站选点时需削弱多径误差。

参考站主要由室外设备和室内设备两部分构成，如图3所示［8］。室外设备一般包括天线基体（即天线墩）、天线固定装置、导航接收机天线、导航信号发射天线和防雷设备，主要功能是接收导航卫星数据和在战时发射北斗导航卫星模拟信号，同时保护参考站设备。室内设备主要包括多模导航接收机、电涌保护器、UPS电源、网络设备和机柜等，主要功能是进行室外接收到的导航数据的处理、存储和向数据中心的传输。

选择参考站接收机时，因单频接收机性能有限，不适于多功能用途的基准站，故常首选双频接收机。目前，参考站接收机采用CORS基准站专用GNSS双频多模接收机。

表2 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台服务模式Tab.2 Service mode of Beidou-CORS

图3 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台参考站组成Fig.3 CORS’configuration of Beidou-CORS

2.2 控制与数据中心

控制与数据中心是整北斗导航CORS综合服务平台的核心，主要由内部网络、数据处理软件、用户监控软件、数据库、服务器等组成，对参考站提供的数据进行存储、分析、分流、同步、解算、生成等处理，并根据用户提出的服务请求进行数据融合或信息集成；对参考站和中心的运行状态和情况进行监测、控制和管理；对内外数据传输网络进行配置和管理；对注册用户进行管理、分析和挖掘；通过网络发布或通信链路传输向用户提供相应的服务信息［6］。

控制与数据中心的组成如图4所示，分为基础设施层、数据资源层、数据处理层、应用业务层和服务渠道层。

a）基础设施层利用北斗／GNSS、CORS、公共电信网、物联网等进行数据采集和过滤筛选，并将采集的数据送入数据资源层的基础数据库内存储。

b）数据资源层和数据处理层制定统一标准和数据格式，分类建立各类数据库，并处理与交换数据。进行高精度定位数据计算与数据挖掘，为支撑上层应用的各类应用软件和支撑软件，实现资源共享和协同操作。

c）应用业务层和应用渠道层提供位置服务、通信服务、授时服务等关键应用服务系统，通过网络服务、现场服务、用户电话呼叫中心等服务方式构建全面的服务渠道。

2.3 数据处理算法及软件

数据处理算法软件是整个平台有效运行的保障，直接影响平台服务的性能。平台的主要算法软件包括参考站的数据处理算法与管理软件、数据与控制中心的数据处理算法与管理软件、网络管理软件和用户应用终端数据处理软件等，各类种软件功能见表3［7－8］。

参考站数据处理算法在接收并处理导航卫星信号时，需考虑导航信号兼容捕获算法软件对多个卫星导航系统的兼容性，因此捕获算法中须能支持信号特性：BPSK，QPSK，BOC等基本信号调制方式；1.023～10.23Mc／s等多种伪码速率；不同伪码周期（511和1 023整数倍）。

图4 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台控制与数据中心组成Fig.4 Control and data center configuration of Beidou-CORS

表3 基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台各类算法软件Tab.3 Algorithms and software of Beidou-CORS

由于参考站和流动站得到的观测值表现为几何距离以及多种系统误差之和，当仅考虑电离层延迟和对流层延迟误差，忽略其他系统误差影响时，则可建立参考站A（固定参考站网络中距离流动站最近的一个参考站）与虚拟参考站V间的观测方程。观测方程分别在相同卫星对间求一次差，由此可得虚拟观测站观测值的单差观测值

式中：λ为载波相位波长；φ为载波相位观测值；ρ为站星间几何距离；I为电离层延迟；T为对流层偏差；O为卫星轨道偏差；M为多路径效应误差；ε为接收机噪声；上标i，j表示卫星标号，下标A，V分别表示真实及虚拟参考站；Δ，Δ▽分别为单差及双差因子。

可见，虚拟参考站的观测值实际上包括参考站A载波相位观测值、几何配置和空间相关改正数，其中仅第三项空间相关误差项为未知值，需通过建立适当的误差计算模型进行估计。因此，实现高质量虚拟参考站观测值的核心是精确计算空间相关改正数。因虚拟参考站与用户流动站距离较近，其距离相关的系统误差残差近似相等，由建立双差观测方程，电离层延迟、对流层延迟和轨道误差等与距离相关的误差得到消除或较大的削弱，其动态定位的精度可达厘米级，且其初始化时间将明显减少。

实时网络RTK模式下的数据处理算法应用流程如图5所示。

空间相关误差主要由电离层延迟误差、对流层延迟误差和卫星轨道误差组成。因参考站坐标精确已知，求得参考站间的基线整周模糊度后，可准确估计参考站间实时的对流层和电离层延迟等距离相关误差影响，并建立区域误差内插模型，生成网络改正数发送给流动站用户［9］。因此，整周模糊度的实时正确解算是用户实现精密定位的前提。

误差改正数解算软件将所有参考站基于距离相关的偏差利用内插的方法改正到虚拟参考站上。由于虚拟观测数据是基于参考站网络生成的，其各项空间相关误差分布较均匀，故在用于流动站进行定位解算时，由差分能较好地消除相关误差项，进而获得高精度的定位结果［10］。

3 平台示范应用

3.1 面向上海的平台

图5 实时网络RTK模式下数据处理算法应用流程Fig.5 Data processing flowchart of RTK mode

上海作为全球重要的经济、贸易和航运中心以及特大移民城市，对北斗卫星导航系统的应用的需求迫切而独特。面向上海的北斗连续运行卫星定位综合服务平台建成后，可用于上海城市基础测绘、国土资源调查管理、市政工程建设管理、智能交通管理与控制、车载导航和精细农业等多个应用领域，成为上海智慧城市建设的重要基础设施，同时促进北斗卫星系统成果应用产业化和规模化，具有广阔的社会效益和市场应用前景。

面向上海市的北斗连续运行卫星定位综合服务平台应用示范建设可分试验验证、区域完善和全面推广三个阶段分步实施。目前进行的试验验证阶段将在上海市区内建成实验性参考站3～5个和控制与数据中心1个，初步形成覆盖上海市区的高精度北斗（兼容GPS）导航增强服务和增值服务，验证平台性能和软硬件功能。区域完善阶将段建成参考站10～15个，形成覆盖整个华东地区的北斗高精度地面增强网络，建设大型基于云计算的位置及服务数据中心，并成为国家位置数据中心的异地备份中心。全面推广阶段将建设面向更广区域和更多行业的商用北斗导航地面增强网和应用服务体系。

上海地区主要处于中低纬度，设计的参考站间的距离以40km左右为较合适。覆盖全市95%以上地区的参考站15个网分布如图6所示。其中最长基线60km，最短基线20km。

图6 面向上海市的北斗的连续运行卫星定位综合服务平台参考站网络分布Fig.6 CORS network distribution of Shanghai Beidou-CORS

建立一个系统控制与数据中心，地点选在上海市内。中心由高性能服务器6台、磁盘阵列柜1台及光纤通道设备组成，采用SAN和双机热备技术，保障服务业务和监控调度平台的正常运行。所有参考站的数据传输至阵列中进行读取和存储，极大地保护了数据的安全性和保密性。中心不仅可实现室外高精度定位功能，并且采用数据融合和无线通信技术，向用户提供基于位置的气象、医疗、交通、商业和其他感兴趣的信息等增值服务，用户能随时了解其所处的位置，并可延伸到周围感兴趣的场所或其他移动物体的位置信息等。

3.2 面向未来的平台应用设想

在未来3～5年内，室内定位技术将会有长足的发展。届时，可借助于北斗导航CORS综合服务平台的高精度室外定位能力和成熟的室内定位技术与产品，进一步实现室内外定位的无缝衔接等功能。

低轨小卫星中继星及其组网是实现导航与通信的一体化和进一步发展天基北斗CORS增强系统的基础，借助于低轨小卫星网的数据转发和通信能力，播发地面CORS网络系统产生的增强信号，形成一个天基增强与地基增强相结合、导航与通信相结合的天地一体的综合型服务平台，从而可面向全国以及全球为更广大的用户提供服务。基于位置的天地一体化信息综合服务框架如图7所示。

图7 基于位置的天地一体化信息综合服务框架Fig.7 Location based space and ground information integration service

4 结束语

本文介绍了一种基于北斗的连续运行卫星定位综合服务平台。与以往的地面增强系统相比，该平台的集成度高、工作模式丰富、兼容性强、扩展性好，其设计集导航卫星原始数据的接收与处理、导航增强信号的生成与发布，以及基于位置的多源信息融合等于一体，可形成数据采集、存储、处理、传输和应用的完整产业链。面向不同的用户需求，提供实时网络RTK、实时网络RTD、区域增强PPP、中心实时位置解算、网络RTK事后精密定位和自主导航电文播发等多种服务模式。在满足北斗导航卫星地面高精度增强的同时，兼容GPS；在满足地面区域增强的同时，面向未来，可与天基增强系统结合，形成基于位置的天地一体化信息综合服务体系，有广阔的应用前景。

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