BDS/GPS格网虚拟化伪距差分和伪距改正数差分的差异化实现

张晶晶，陈现春，秘金钟，方书山，成 兵

(1.四川省第一测绘工程院， 四川 成都 610100; 2.中国测绘科学研究院，北京 100086)

差分定位技术由于算法简洁，且可使用户实时获取亚米级高精度定位，得到了广泛应用，也成为实时定位技术研究的热点。

文献[1—6]对差分定位技术进行了详细研究，包括单基站差分、多基站差分及两种差分模式定位效果的对比，单系统GPS差分、北斗/GPS/GLONASS多系统融合差分技术研究；同时，随着数据传输编码RTCM协议的不断完善，文献[7]研究了用户端伪距差分RTCM3X和伪距改正数差分RTCM2X不同定位模式的差异。

传统网络RTD服务模式因需传输基准站坐标信息，故存在基准站坐标泄露的安全隐患。且传统RTD服务模式以统一对外服务端口发布所有数据源，面向所有用户提供服务，当RTD服务数据源数量增多和用户量增加时，该种服务模式可承载的并发用户有限。因此，保障基准站坐标的安全性，且同时可以为海量用户服务，已成为北斗民用差分位置服务迫切需要解决的难题。文献[8]提出了网格虚拟参考站方法，使用网格伪距差分技术[8-10]已初步解决了伪距改正数RTCM2X差分定位的问题，但目前还未有格网化的伪距差分RTCM3X的研究，不能满足目前用户终端设备对RTCM2X和RTCM3X两种服务模式的需求。因此，本文重点研究格网虚拟化伪距差分RTCM3X的实现技术，以及同时具备RTCM2X和RTCM3X两种服务的BDS/GPS差分数据服务系统的实现技术，并通过测试验证本文提供的方法，保障基准站坐标信息安全的有效性和服务海量用户的能力，以期为北斗的大众化、社会化应用提供一些技术参考。

1 格网虚拟化差分定位原理

格网虚拟化差分定位基于多基站差分定位原理，将基准站覆盖区域按照一定经纬度规则划分格网，利用格网内的多基准站，计算格网中心点差分数据，并将格网中心点的差分数据发送至该格网区域内的用户,用户利用此数据进行增强定位，获得实时亚米级高精度定位。根据定位终端接收的数据类型和定位算法的不同，格网虚拟化差分定位分为2种：①RTCM2.3编码格式的格网虚拟化伪距改正数差分方法；②RTCM3.2编码格式的格网虚拟化伪距差分。

1.1 格网虚拟化伪距改正数差分定位原理

格网虚拟化伪距改正数差分方法的原理：利用格网内的多个基准站的伪距改正数，通过合适的内插模型[10-13]，计算格网中心点的伪距改正数及其变化率。将格网中心点的伪距改正数及其变化率进行RTCM2.3格式编码，发送至用户，用户利用此数据进行差分定位。

格网虚拟化伪距改正数差分服务端数据处理原理如式(1)所示，以某个基准站的某颗卫星为例

ΔR=P-εREC+εS,c-εtrop-εearth-εR,c-R

(1)

式中,ΔR表示某颗卫星的伪距改正数；P表示基准站观测的卫星伪距；εREC表示相对论效应；εS,c表示卫星钟误差；εtrop表示对流层误差；εearth表示地球自转误差；εR,c表示接收机钟误差；R表示利用基准站准确坐标和卫星位置，计算的几何伪距。

基于式(1)计算基准站伪距改正数，并通过内插模型计算格网中心点的伪距改正数及其变化率，发送至用户。

1.2 格网虚拟化伪距差分定位原理

格网虚拟伪距差分方法的原理为通过计算发送历元时刻的格网中心点与卫星之间的几何距离，并对几何距离进行相对论效应、卫星钟差改正数、地球自转误差、对流层误差修正。修正后的伪距作为格网中心点的虚拟伪距观测值；并对此格网中心点的虚拟观测值进行RTCM3.2编码后发送至用户，用户利用此数据进行差分定位。

格网虚拟化伪距差分服务端数据处理原理如式(2)所示，以格网中心点的某颗卫星为例

P=R+εREC-εS,c+εtrop+εearth

(2)

式中，P表示格网中心点观测的卫星伪距(观测值)；εREC表示相对论效应；εS,c表示卫星钟误差；εtrop表示对流层误差；εearth表示地球自转误差；R表示利用格网中心点准确坐标和卫星位置，计算的几何伪距。对式(2)中的P值进行RTCM3.2编码后发送至用户，用户进行差分定位。

2 格网虚拟化差分服务系统实现

格网虚拟化差分服务系统包括基准站数据管理与预处理模块、RTCM2.3伪距改正数差分服务模块、RTCM3.2伪距差分服务模块、差分数据源对外服务模块。系统架构如图1所示。

图1 面向海量用户的格网虚拟化差分服务系统

其中，基准站数据管理与预处理模块部署于数据中心服务器，实现基准站实时数据流的管理、解析与预处理，并且对服务区域按照一定规则划分格网。RTCM2.3伪距改正数差分服务模块、RTCM3.2伪距差分服务模块负责差分数据的生成，并将差分数据播发到对应的差分数据源服务器。差分数据源通过统一对外服务器，实现为大众提供实时亚米级定位服务。

本文系统的差分数据处理流程如图2所示。系统格网虚拟化差分数据处理流程主要包含以下步骤：①对基准站实时数据流进行解析、预处理，并对服务区域进行格网划分；②分别计算并编码RTCM2.3伪距改正数差分数据、RTCM3.2伪距差分数据；③为每个格网的差分数据分配独立数据通信通道，并将RTCM2.3伪距改正数差分数据、RTCM3.2伪距差分数据分别推送至对应服务器；④将差分数据源播发至统一对外服务模块，用户通过访问统一对外服务模块获取所需差分数据并实现亚米级定位。

图2 格网虚拟化差分服务的数据处理流程

3 试验与验证

3.1 格网虚拟化差分模式保障基准站坐标信息安全的有效性测试

采用RTKLIB软件的数据解析工具，接收系统生成的RTCM2.3伪距改正数差分数据、RTCM3.2伪距差分数据，并进行解析。格网虚拟化差分模式的RTCM2.3数据解析结果如图3所示，RTCM3.2数据解析结果如图4所示。

图3 格网伪距改正数差分数据编码

如图3所示，格网虚拟化伪距改正数差分数据采用RTCM2.3编码规则，发送的数据为格网中心点各卫星的伪距改正数，不涉及基准站坐标及基准站改正信息。

图4 格网伪距差分数据RTCM3.2编码

如图4所示，格网虚拟化伪距差分使用RTCM3.2编码[14-15]，RTCM3.2编码格式的数据是格网中心点的坐标信息(测试的格网中心点纬度为31.5°N，经度为103.5°E，大地高为0 m)。格网中心点坐标不涉及基准站的坐标信息，可有效保障基准站坐标等信息的安全。

综上，格网虚拟化差分方法播发至用户的数据是格网中心点的差分数据，而非基准站的坐标及其相关改正数据。因此，格网虚拟化差分的模式可有效保障基准站数据的安全。

3.2 格网虚拟化差分模式用户承载量测试

使用HP Loadrunner软件模拟用户登录，测试系统的并发用户承载量。本次测试环境如下：①硬件环境为64 GB内存，64位操作系统的单台服务器，服务器含有2颗E5-2630型CPU；②网络环境为20 M网络带宽。

本次使用HP Loadrunner软件分别测试格网虚拟化差分模式并发用户量和传统RTD模式并发用户量，测试结果分别如图5和图6所示。

图5 格网虚拟化差分模式并发用户量测试

在此测试硬件环境下，如图5所示，格网虚拟化差分定位服务模式可承载的用户并发数量达到5000个。如图6所示，传统RTD模式的并发用户量约4000个。因此，在相同硬件环境下，格网虚拟化差分定位服务模式较传统网络RTD服务模式的用户并发数量提高约25%。

图6 传统RTD模式并发用户量测试

综上所述，格网虚拟化差分服务系统的格网差分数据服务器与用户服务完全分离，有效降低了差分数据服务器端的计算冗余性，提升了通信效率，提高了系统的用户承载量。

4 结 语

经验证，本文提出的格网虚拟化RTCM3.2伪距差分实现技术切实可行，且同时具备RTCM2X和RTCM3X两种服务的BDS/GPS差分数据，服务系统的实现技术有效。格网虚拟化差分技术可保障基准站坐标信息安全，且能够提高系统并发用户的承载量，可广泛应用于国家及各省市CORS网络RTD服务中。随着网络通信技术的发展，以及GNSS数据产品的不断丰富和完善(包括网络RTK服务数据、网络RTD服务数据、原始数据、精密产品数据等)，多类型数据产品基于同一平台提供共享服务将是以后的研究方向。