北斗/GNSS地基增强系统跨网漫游服务技术研究与实现

刘洪海

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引 言

全球卫星导航系统(global navigation satellite system，GNSS)是能在地球表面或近地空间提供全天候定位、导航和授时(positioning，navigation and timing，PNT)服务的空基无线电导航定位系统。GNSS在国家安全、国民经济建设和社会发展中有重要作用，各大国家纷纷研制各自国家的卫星导航系统，如美国GPS、中国北斗(BDS)、俄罗斯GLONASS和欧盟Galileo。发展至今，GNSS已在航空航天、国防安全、交通运输、水利电力、防灾减灾、地球科学、通信、气象等领域广泛应用。GNSS自身受多种误差影响，提供的定位精度通常只有 5 m～ 10 m，不能满足高精度定位需求。经过学者们多年研究，提出两种常用方法使得GNSS定位精度能达到分米级、厘米级甚至毫米级。一种是精密单点定位(precise point positioning，PPP)[1，2]，另一种是地基增强[3]。目前，大多数国家和地区均建有卫星导航定位地基增强系统(业界也称CORS)，我国各省市建立的北斗/GNSS地基增强系统向社会提供网络RTK、网络RTD等高精度定位服务[4]。高精度定位服务只能在基准站网覆盖区域内，跨网服务需要到当地的CORS平台进行注册，连接到另外的服务平台来获取CORS服务。由于缺乏国家层面的统筹规划，各省市CORS系统互相独立，省市接边区域存在CORS服务缝隙或重叠等问题。

随着传统基建和新基建的不断推进，跨区域经济和人文交流愈加频繁，高速铁路、高速公路、油气管道、输电线路等长距离、跨区域重大工程对大跨度高精度定位的需求增加，基础测绘、智慧交通、数字物流等行业对无缝定位、跨区域漫游服务的需求增加。千寻、移动等企业、行业相继建设了全国性的CORS系统并提供服务。作为基准服务系统的省级CORS系统，应积极响应卫星导航定位“一张网”建设，迫切需要从区域服务模式向跨区域服务漫游的模式转变。基准统一、计算机网络技术发展、国家和地区政策驱动、数据标准化等都为这种转变创造了条件，现也有相关研究推动跨网漫游服务的实现。

李昌贵等提出虚拟CORS的概念，研究和探讨了虚拟CORS关键技术，尝试进行CORS网络互联[5]。杨浩和李敏分析了CORS系统间软硬件的差异，针对CORS系统间信息资源共享的异构问题和解决方案进行了研究[6]。阳力等讨论了CORS并网的几种模式和需要解决的诸多问题[7]。辜声峰等讨论了FCM聚类算法和CORS子网拓扑结构，通过合理共享基准站实现分区服务[8]。张扬等从邻省基准站接边、系统异构、通信联网等方面探讨了省级基准站共享关键技术，为省级CORS联网提供思路[9]。袁鹏研究了省级CORS组网互联互通中系统差异、通信网络、数据转发方式、通信协议等关键问题，探讨了服务共享模式[10]。张晶晶等提出一种虚拟通信媒介模式的CORS跨网服务无缝切换通信模型，实现了CORS跨网服务[11]。谭明建提出一种分布式CORS资源协同服务解决方案，并设计研发了GNSS连续运行基准站跨网服务平台[12]。陈豪等提出一种分布式+中心化的协同服务方案，并研发了协同服务平台和节点程序，为区域CORS协同服务提供参考[13]。

2 CORS跨网漫游方案

跨网服务模式有两种。一是共享基准站数据，实现相邻CORS联合组网，文献[6～10]采用的这种方式。但由于各省市地区政策不同，难以实现大规模并网，往往只是在接边地区实现基准站数据共享来扩大各省市CORS覆盖范围。共享基准站的方式需要在数据中心与邻省数据中心或者基准站与邻省数据中心之间建立数据传输线路。另一种是共享CORS服务，依托互联网、各省市现有播发网络和漫游平台实现跨网漫游服务，如文献[11～13]都是以此进行的研究。这种方式无须对现有CORS系统做较大改动，服务形式保持不变，用户自动实现跨网漫游服务。这种去中心化、分布式服务方案较千寻、移动等全国统一平台更灵活、服务方式多样。

2.1 总体架构

各省CORS基准站通过专线将数据汇聚至各省的数据中心并进行解算。位置服务管理平台和播发服务器处于外网供用户访问和播发漫游数据，解算服务器处于内网，外网和内网之间架设网闸。各省CORS只需对接服务平台、签署跨网服务协议，通过超级账号+白名单的方式请求对方高精度定位服务。漫游用户通过通信网络向服务器发送请求，根据用户所处的位置自动播发或转发对应省的差分数据，用户使用差分数据进行高精度定位。跨网漫游服务总体架构如图1所示。

图1 跨网漫游服务总体架构

2.2 跨网漫游服务平台设计与实现

平台分为业务管理模块和漫游服务模块，业务管理模块包含用户注册、账号管理、资质认证、订单管理、合同管理、服务申请、作业记录、漫游配置等。其中漫游配置中管理员可以对漫游节点、漫游区域和用户漫游权限进行管理。

(1)漫游节点配置：在跨网漫游平台中增加CORS服务Ntrip协议的IP和端口，实现了CORS服务可配置管理，配置漫游服务登录协议超级账号和CORS连接信息(IP、端口)即可自动获取源列表，以及连接对应的CORS服务。

(2)漫游区域管理：可以对漫游区域进行配置，针对不同省市、不同区域、不同类型的用户配置不同的漫游区域。漫游区域最小单位为地级市，最大单位为省，通过选择添加省(市)实现漫游用户作业区域限定。

(3)用户漫游权限配置：可以针对不同的用户开放不同的漫游权限，包括漫游时间、坐标系、可用源列表、漫游区域等。

业务流程如图2所示，以用户在A省注册为例，用户访问跨网漫游服务平台进行注册和添加账号，获得对应的漫游权限。用户使用A省的IP、端口和源节点配置定位终端获取服务，用户验证通过后，跨网漫游服务平台根据用户终端发送的概略位置和边界判断用户是处于A省还是B省。若用户位于A省，则直接通过差分数据播发模块向用户提供定位服务。若用户位于B省，数据中心对漫游用户进行漫游鉴权，鉴权通过后以B省CORS的接口信息和协议超级账号向B省数据中心请求跨网高精度定位数据，并通过A省播发模块转发给用户，从而实现用户无感切换的跨网漫游服务。

图2 跨网漫游服务平台业务流程图

3 跨网漫游测试

3.1 跨网漫游平台功能测试

(1)账号权限管理测试：用户端账号漫游源列表、漫游区域、漫游时间、坐标系等功能正常，管理员端对用户漫游权限、漫游区域、漫游时间、坐标系等进行配置和编辑功能正常。

(2)漫游区域参数配置测试：漫游服务配置功能新增、编辑、删除等功能正常，漫游用户权限配置、漫游区域分组、漫游区域选择等功能正常。

(3)差分数据播发模块测试：漫游省份数据获取、数据交换、数据切换、数据播发功能正常，用户能正常使用漫游服务即代表上述功能正常。

测试结果为跨网漫游平台各项功能均完备和正常。

3.2 跨网漫游服务定位性能测试

(1)测试内容

为测试CORS漫游服务定位性能，分别在B省、C省、D省开展了实地测试，测试内容主要包括A省注册用户在B、C、D省使用A省CORS和B、C、D省CORS的初始化时间、差分龄期、定位内符合精度等内容。

初始化时间：用户从开始连接CORS至获得厘米级定位服务(固定解)的时间。

差分龄期：差分数据通过数据链路传送至流动站的时间，其值越小越好。差分龄期计算方法是通过模型进行差分数据预测，模型外推总是有一定的误差，且外推步长越大，预测的误差也越大，所以需要测试漫游和非漫游用户差分龄期的情况。

定位精度：测试流动站一段时间内的内符合精度，反映各历元坐标值的离散程度，即精度，本测试中分为南北方向(N)、东西方向(E)、高程方向(U)。

(2)测试方案

①用户在B省选定漫游测试地点，使用三脚架安置流动站接收机，对中整平。

②连接A省CORS信息(称“漫游”)：新建工程，流动站连接A省CORS，断开重新登录，重复30次，记录初始化时间。连续采集固定解 30 min，采样间隔 1 s，同时记录 30 min内差分龄期的变化情况，导出数据。

③连接B省CORS信息(称“本地”)：新建工程，流动站连接B省CORS，断开重新登录，重复30次，记录初始化时间。连续采集固定解 30 min，采样间隔 1 s，同时记录 30 min内差分龄期的变化情况，导出数据。

④记录接收机型号。

⑤将①-④中的步骤在C省、D省重复进行，整理统计测试数据。

(3)测试结果

测试结果 表1

统计B、C、D三省测试初始化时间，各省漫游和本地初始化时间对比如图3、图4、图5所示。统计平均差分龄期和 30 min定位内符合精度，各省统计结果见表1。对比漫游和本地的初始化时间，B省分别为 21.3 s和 17.2 s，漫游比本地多 4.1 s；C省分别为 16.9 s和 12.1 s，漫游比本地多 4.8 s；D省分别为 10.2 s和 6.4 s，漫游比本地多 3.8 s。在差分龄期上，B省漫游和本地平均差分龄期分别为 1.13 s和 1.07 s；C省漫游和本地平均差分龄期分别为 1.31 s和 1.26 s；D省漫游和本地平均差分龄期分别为 1.51 s和 1.44 s。B、C、D省内符合精度三个方向上差异较小，可忽略。

图3 B省初始化时间对比

图4 C省初始化时间对比

图5 D省初始化时间对比

4 结 论

本文在分析CORS跨网服务现状的基础上，提出了一种CORS跨网漫游服务方案，该方案无须对现有CORS系统做较大改动，不增加用户负担，不改变现有CORS系统服务形式，即可实现跨网漫游无感切换服务。基于该方案设计和实现了跨网漫游服务平台，对平台进行测试得到以下结论：

(1)漫游初始化时间略大于本地初始化时间。在B、C、D省的测试中，平均初始化时间漫游均略大于本地 3 s～5 s。漫游用户接入A省CORS后需要判断其所在省份，再通过互联网调用相应省份的差分数据进行转发，此过程较本地用户会有一定的时间延迟，不影响用户正常使用。

(2)漫游与本地差分龄期一致。漫游和本地平均差分龄期一致，两者的差异不影响用户使用，满足实时定位服务的实效需求。

(3)定位精度一致。漫游用户和本地用户所使用的差分数据来源一致，理论和实际都表明漫游和本地在N、E、U三个方向上的定位精度一致。