兼容BDS的FZCORS升级改造方案探索

黄 磊

(福州市勘测院 福建福州 350001)

0 引言

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，并于2012年底正式提供导航定位服务。该系统完成后，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠性的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信功能。

“北斗地基增强系统”是以北斗卫星导航系统为主，兼容其他GNSS系统的地基增强系统。该系统可以解决国家在高精度定位领域的安全隐患，是开拓北斗精密定位应用的必备设施，是提高北斗系统服务能力和竞争的必要手段。

随着北斗卫星导航系统的快速发展，对已建的单星、双星或者三星CORS系统的升级改造势在必行，从而大大提高在城市等复杂区域的作业效率。

FZCORS自2011年建成并运行以来，就为福州市测绘事业的发展做出了巨大贡献。为福州市基础地理空间框架的管理和维护提供更坚实的基础，本文拟探索“兼容BDSR FZCORS”升级改造方案。

1 FZCORS系统现状分析

FZCORS由9个连续运行参考站组成，分别位于福州市软件园、福清、闽清、连江、长乐、罗源、永泰、江阴、平潭。GNSS站点接收机、控制中心数据处理软件均为拓普康，站间距最长为70km，最短为25km，平均站间距约为43km。该系统自2011年建成并运行至今，在提高测绘作业效率和生产效益方面发挥了重大的作用，从根本上改变了传统的作业模式，为福州城市测绘事业的发展做出了巨大的贡献。随着GNSS技术的不断发展，系统用户群对测绘服务内容需求的不断提升，用户规模的不断扩大，现有系统已不能充分满足已有和潜在用户的需要。

同时，为了改善系统的服务内容和质量，有必要对FZCORS现有的系统进行升级改造，亟待改造、解决和完善的内容主要有以下4个方面。

1.1 GNSS设备硬件升级改造

系统现有9个站点，站点接收机和天线主要由GPS&GLONASS双星参考站接收机系统构成，尚没有支持北斗系统的三星或四星参考站点，有必要对FZCORS的设备进行升级改造为多星参考站接收机和多星扼流圈天线，实现支持北斗的地基增强系统，以解决主城区高层建筑物多等带来的卫星遮挡问题，从而有效利用现有的三星系统资源，同时应兼顾站点设备对欧洲Galileo卫星系统的兼容性。

1.2 控制中心数据处理软件升级改造

在站点硬件升级改造的基础上，如果实现系统三星网络RTK服务，还需要对控制中心的软件进行升级改造。由于现有FZCORS采用的TopNet软件只能提供双星网络差分改正数，尚不具备三星网络解算的能力。为了充分保障福州地区含北斗多星系统网络的服务能力，必须升级FZCORS系统现用的网络参考站软件平台，以具备多星网络的解算和服务能力，为系统用户提供真正意义上的区域性多星网络RTK服务，同时应充分考虑改造后系统软件对现有参考站点设备和系统用户的良好兼容性。

1.3 系统实现多星网络RTK服务

在福州地区多星网络系统软硬件升级改造的基础上，FZCORS系统将为用户提供区域性的多星网络RTK服务。在多星网络覆盖的区域，用户RTK外业测量时，在传统房角、树下等双星系统作业相对困难的地区，支持多星系统(GPS & GLONASS & Beidou&Galileo)流动站仍能进行正常的测量作业。系统实现多星网络RTK服务将进一步扩展流动站的作业区域可用性、空间可用性和时间可用性，大大提高流动站的初始化时间，从而为系统注册用户提供更便捷、周到的服务。

1.4 用户管理升级改造

(1)扩展系统并发用户容量：随着GNSS定位服务在各行业应用的不断拓展和深入，FZCORS系统用户群呈纵深方向的发展趋势，系统不单要为用户提供贴心、高品质的数据服务，同时对系统允许接入的并发用户数量也提出了更高的要求，有必要对系统支持的并发用户数进一步扩容。该升级改造，可通过增加或更换服务平台的方式实现，进一步提高对大批量用户的管理能力，为FZCORS系统用户的进一步扩容提供保障条件。

(2)用户使用位置及记录查询服务：为了进一步方便系统管理和用户应用FZCORS系统便捷性，同时充分利用现有的资源，可通过二次开发的方式，建立在数据库的基础上，实现系统管理员及用户可以查看用户的使用记录，如按使用周期、登录次数等查询用户的使用情况。同时，将现有的地图数据库融入到FZCORS系统，用户可通过在线地图查询所处位置周边的参考站站点、控制点及水准点分布情况等信息。系统管理员也可实时在线查看用户的使用位置，便于对用户的使用情况进行实时监控和管理。

2 系统升级改造实施过程

在FZCORS本次北斗地基增强系统升级改造方案中，需要充分考虑现有系统、国家基准站点、陆态网基准站点及周边城市乃至省级CORS系统的兼容性问题。

(1)系统控制中心采用具有良好兼容性的数据处理软件，参考站点的接收机具有良好的兼容性，在系统建设的基础上充分利用现有的资源，避免系统建设过程中的重复投入。

(2)预留与福州周边已有CORS系统的接口，通过控制中心间联网实现与周边系统或国家系统进行数据交换。采用TCP/IP、Ntrip等数据交换协议，保证与周边系统数据交换时的兼容性。

(3)系统升级改造的同时，按照统一的标准设计FZCORS的各个子系统，同时在新建基准站选址上，在基准站数量、站间距的设计上应充分考虑与周边系统的共享和融合。

FZCORS系统升级改造方案的实施流程主要涉及控制中心的软硬件升级和参考站设备升级两大步骤，具体的实施流程如图1所示。

图1 FZCORS系统升级改造流程示意图

2.1 系统升级目标和原则

FZCORS系统升级的目标是：将使FZCORS系统由目前的只支持GPS与GLONASS的双星CORS系统，升级成为支持GPS、GLONASS与北斗以及将来支持Galileo及更多运行卫星的多星CORS系统，为终端用户提供更稳定、更先进的服务，同时提供更多的服务，满足不同用户的多种需求。

FZCORS系统的升级以“确保系统平稳、无缝过渡”为基本原则，在升级过程中不中断用户服务，在系统的过渡阶段，新旧两套系统并行运行，过渡完成后移除旧有系统，新系统全面独立运行；以“技术先进、经济适用”的原则，在满足系统目标的前提下，充分利用系统已有的资源，以最小的成本完成系统的升级；以“全局考虑、周密严谨”的实施准则，进行系统的具体的升级过程前，通盘考虑如何进行系统的升级、升级过程中可能出现的问题，以及如何应对出现的问题及其解决方法，以确保系统的顺利升级。

2.2 控制中心软硬件的升级

FZCORS系统若实现福州区域性的多星网络RTK服务，在选点参考站点设备增加和更新的同时，控制中心软件也需做相应的升级改造，以实现控制中心具备多星网络解算和提供多星网络RTK服务的能力。

为保障福州地区北斗试验网的顺利实施，同时对FZCORS系统现有的运行不会产生直接或重大的影响，拟在系统测试期间，FZCORS中心单独准备一套服务器，独立安装和运行多星网络参考站软件,待充分验证全新网络参考站系统稳定性、可靠性等方面的基础上，再考虑将FZCORS现有系统进行全面升级。 过渡时期中心服务器架构如图2所示。

在过渡时期结束后，撤销拓普康服务软硬件，最终只留升级改造后的系统运行，如图3所示。

图2 过渡时期中心服务器架构

图3 最终中心服务器功能架构

2.3 参考站设备的升级

综合上节对FZCORS系统的现状分析，为了控制和减少系统改造风险，拟采用稳步推进的方式进行系统的北斗升级改造。

首先，有必要分两期进行北斗实验网的系统测试工作，待充分验证多星参考站网络系统可靠性、空间可用性和时间可用性等相比现有双星系统系统有很大程度提高的基础上，再对福州全区的CORS全部升级。

参考站点改造一期：预先购置3～5套专业型多星参考站接收机及其配套的扼流圈天线，用于福州地区首期北斗试验网的站点布设。有针对性地选择3～5个通讯条件较好的站点，将现有站点的天线更换为新购置的扼流圈天线，采用分频器的方式，保留站点现有参考站接收机和新的多星参考站接收机共用多星天线，在保证FZCORS现有系统正常运行的同时，为北斗试验网测试工作的开展提供便利的条件，过渡时期站点结构如图4所示。采用该方案，可以实现福州部分区域的多星站点网络全覆盖，在充分利用FZCORS现有资源基础上，快速实现区域性北斗试验网的站点布设工作。

图4 过渡时期站点结构图

参考站点改造二期：待福州地区局部的多星网络服务应用的优越性和便利性充分得到验证并成熟后，再考虑后续一次性改造FZCORS其余站点，以最终实现多星参考站网络系统的全市覆盖。

2.4 关键技术手段

2.4.1中心软件并行运行

为保证在升级过程中不中断用户服务，拟实施新旧两套系统并行运行，具体的处理方法如下：站点升级是将原有拓普康天线使用新的天线替换，原有的拓普康接收机继续在该站点运行，只是使用功分器将新天线接过来的GNSS信号同时送给拓普康接收机和新接收机，这样拓普康接收机继续给拓普康服务器软件提供站点的GPS实时观测数据，而由新的接收机给新的控制中心软件提供GNSS实时观测数据。这样，实现拓普康服务器软件和新的控制中心软件分别在两台服务器上的同时运行。

2.4.2更换天线对RTK用户的影响

更换某一站点的天线和接收机后，确定是否对外业的RTK用户的定位有影响。这样可以判定，如果有影响，那么影响最大的位置就是该站的位置。

针对这个问题，具体的处理方法如下：在被更换站点的天线附近用三角架固定一个RTK流动站，在更换天线前独立测量该点的坐标10次，该点设备不动，更换完天线和接收机后，继续10次独立的观测，通过数据的分析评价更换天线和接收机是否对外业的RTK作业有影响。

2.4.3天线更换后相位中心的一致性

对于原有站点的接收机和天线在更换后，由于天线型号的变化，这样会造成天线相位的变化，从而导致坐标系统的时间序列可能会发生突跳。

针对这个问题，具体的处理方法如下：拟在更换天线前确保原有接收机内记录完整的采样率为30s原始观测数据持续一周以上，最好两周；然后更换该站点的天线，并记录更换天线的时间。这样再在接收机内记录采样率为30s原始观测数据持续一周以上，最好两周。

将这将近4周以上的观测数据，使用GAMIT软件进行处理，生成相应的时间序列，观测站点的时间序在更换设备的时刻是否发生突跳，如果没有发生突跳，这样不用处理。如果发生突跳，则将这个变化投影到该点的不同的坐标分量上，从而将突跳修正。

3 系统改造后成效

通过上述参考站接受设备、控制中心软硬件、用户管理等方面的升级改造，相比FZCORS现有双星系统的性能，在以下几个方面将会有非常显著的提高：

(1)提高系统的空间可用性

充分利用了现有的北斗卫星系统资源，在传统双星系统作业非完全遮蔽区且困难的区域，如房角、树下等将更容易获得更可靠的测量成果，大大拓展了FZCORS系统的可用空间和服务区域；

(2)提高流动站的初始化时间

相比传统条件下流动站在30s左右或需更长时间获得初始化的区域，采用多星网络参考站系统后，可以在15s乃至更短时间内获得可靠的初始化定位成果。

(3)提高系统的时间可用性

近两年是电离层活动剧烈的高发时段，相比传统意义上双星电离层改正模型，由于多星网络参考站系统增加了对北斗系统的支持，在系统误差评估方面提供了更多的可资利用的冗余条件，所以在对电离层乃至对流层对GNSS定位误差影响的评估方面有更大程度的优化和改进。即使之前在双星网络系统下流动站固定仍然困难的工作时段，采用多星系统后将有非常明显的改善直至彻底消失。

(4)提高网络系统的站间距水平

传统意义上的城市双星参考站点布设，一般35km～50km是比较合理的布局，在电离层更加活跃的低纬度地区，理想的参考站间距一般建议控制在40km左右。采用三星网络系统，在参考站点的间距布设方面也有非常显著的提高，福州境内的站间距一般布设40km～50km即可。考虑到FZCORS已有站点的密度和平均站间距约40km水平，如果全区均改造为四星系统的接收机，则意味着FZCORS系统的参考站站点具有非常好的冗余度，即使个别站点因通讯或设备故障掉线，仍不会对FZCORS系统的整体服务性能有明显的影响。

(5)站点和用户管理性能的提高

全新的参考站软件，采用优化的数据库管理结构，在系统站点资源管理、注册用户管理、系统服务的时间响应等方面均有非常显著的提高和改善，为进一步保障FZCORS面向社会各领域的运营服务提供了坚实的保障。

4 结语

本文针对FZCORS目前的运行状况进行了分析，结合实际需求及升级改造原则，提出了FZCORS兼容BDS等多星系统的升级改造方案。分别从参考站接受设备、控制中心软硬件、用户管理等方面，指出了对系统升级改造过程的相关要求、注意事项以及关键技术，并指出系统改造后在空间可用性、时间可用性、初始化时间等多方面将会有显著提高，为FZCORS升级改造的具体实施打下了基础。

参考文献

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